CN207280937U - 在线低功耗无线浊度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于无线通信数据采集技术领域，具体涉及一种低功耗扩频通信技术在水质监测领域中针对浊度采集的集成应用；具体技术方案为：在线低功耗无线浊度传感器，包括LoRa网关和LoRa终端节点，LoRa终端节点的检测盒由发光二极管、透镜和光敏电阻三个部分组成，发光二极管产生光源，并通过透镜转化为平行光，平行光照射在光敏电阻前面的水体中，遇到悬浮颗粒时，光线散射到与平行光成90度角的光敏电阻上，依据光敏电阻接收到的光照强度来感知水体浊度，基于光敏电阻在光照强度与电阻之间有线性关系的物理特性，依据欧姆定律将电阻参数转化为MCU识别的电压参数，成本低，功耗低，使用寿命长。

Description

在线低功耗无线浊度传感器

技术领域

本实用新型属于无线通信数据采集技术领域，具体涉及一种低功耗扩频通信技术在水质监测领域中针对浊度采集的集成应用。

背景技术

随着物联网和无线通信技术的飞速发展，人们与信息网络已经密不可分，无线通信在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的强烈要求。短距离无线通信的低成本、相对其它无线通信技术的低功耗、及其对等通信特征等适应了飞速发展的便捷信息传输的需求。在技术、成本、可靠性及可实用性等各方面的综合考虑下，低功耗、长距离无线通信技术成为了当今通信领域研究的热点。

目前市面上的浊度传感器主要分两种，一种是操作台式的，测量之后，在显示屏上直接显示测量值，但不具有在线功能；另一种是测量电极与二次仪表配套使用，电极测量二次仪表通过处理测量信号，将测量值输出至显示屏或者4-20mA或者Modbus 对外传送数据。若要实现在线功能，还需要另加采集和网络通讯设备，才能将浊度数据传送至互联网，在每一个环节中，不论远近都需要电缆导线。数据采集设备和网络通讯设备大都需要220V供电，存在结构复杂、造价高、运营成本高和维护量大等诸多问题。

实用新型内容

为解决现有技术存在的高功耗、高成本和传输距离近的技术问题，本实用新型提供了一种集成扩频通信技术的水质浊度监测装置，成本低，功耗低，传输距离远。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：在线低功耗无线浊度传感器，包括LoRa网关和与LoRa网关连接的LoRa终端节点，LoRa网关与LoRa终端节点之间进行无线通讯。

LoRa网关包括微控制单元，微控制单元上的R端口、T端口通过数据线与LoRa接收模块连接，LoRa接收模块与多个LoRa终端节点无线连接，微控制单元的A端口、B端口通过数据线与LTE模块连接，LTE模块通过互联网模块与云端数据服务器连接。LoRa接收模块接收来自多个LoRa终端节点的数据，LoRa接收模块将数据依次发送至互联网模块、云端数据服务器，云端数据服务器将回送的数据反馈至微控制单元内，微控制单元对回送数据进行处理后，再通过LoRa接收模块将回送数据播送出去。

LoRa终端节点包括终端MCU、检测盒和LoRa终端模块，终端MCU分别与检测盒、LoRa终端模块连接，LoRa终端模块与LoRa接收模块无线连接。LoRa终端节点通过检测盒来检测浊度，通过终端MCU接收处理检测盒采集到的浊度信息，并将处理后的数据通过LoRa模块发送至LoRa网关。LoRa接收模块接收LoRa终端节点发来的数据，在系统内部做差错校验和完整性检测以后，把正确的完整数据转发给云端数据服务器，LoRa网关同时担任将云端数据服务器发来的数据转发给LoRa终端节点。

终端MCU内设有发光二极管、透镜和光敏电阻，透镜置于发光二极管的发光端与光敏电阻之间，发光二极管的负极通过线缆与终端MCU连接，发光二极管的正极通过线缆与终端MCU连接，光敏电阻的负极通过线缆与终端MCU连接，光敏电阻的正极通过线缆与终端MCU连接，终端MCU还通过终端SPI总线与LoRa终端模块连接。

产品信息采集检测盒是由发光二极管、透镜和光敏电阻三个部分组成，发光二极管产生光源，并通过透镜转化为平行光，照射在光敏电阻前面的水体中，遇到悬浮颗粒时，光线散射到与平行光成90度角的光敏电阻上，依据光敏电阻接收到的光照强度来感知水体浊度。基于光敏电阻在光照强度与电阻之间有线性关系的物理特性，依据欧姆定律将电阻参数转化为终端MCU识别的电压参数。终端MCU与光敏电阻之间设有数字滤波器，对采集的数据做分析，去掉杂波中所含有的干扰数据，保证采集数据的准确性。

LoRa接收模块通过LoRaWAN与多个LoRa终端节点通信，采用LoRa扩频通信技术，LoRa网关与LoRa终端节点之间最远可达3-10公里的通信距离，多个LoRa终端节点与LoRa网关之间采用星型拓扑结构，同时，LoRa终端节点可以在不同的LoRa网关之间无缝漫游通信，采用此通信模式，延时小，更好地提高了通信实时性。

LTE模块通过2G/3G/4G通信网络与互联网模块连接，相对于传统的物理通信，通信距离远，通信设备少，无需配置大功率的供电系统，维护成本低。

微控制单元通过接收端SPI总线与LoRa接收模块连接, 接收端SPI总线是一种高速、全双工、同步的通信总线，布局空间小。

微控制单元通过UART与LTE模块连接，它将要传输的数据在串行通信与并行通信之间加以转换，并在微控制单元与LTE模块之间实现双向信号传输。

其中，作为优选的，微控制单元为32位微控制单元。

本实用新型与现有技术相比，具体技术方案体现在：

低成本：LoRa终端节点集成了数据采集、数据处理和数据传输三个部分，只需使用一个产品即可实现数据的在线发送功能。LoRa终端节点与LoRa网关组合整体系统利用LoRa扩频通信技术，实现了LoRa终端节点数据到云端数据服务器的采集。LoRa终端节点数据通过LoRa网关接入互联网，每个LoRa网关可以接入多达5000个LoRa终端节点，只需要一条互联网接入通道，很大程度地节约了终端采集器的成本。

远距离通信：LoRa终端节点使用LoRa扩频通信技术，与LoRa网关之间最远可达3-10公里的通信距离。多个LoRa产品和LoRa网关之间采用星型拓扑结构，同时LoRa终端节点可以在不同的LoRa网关之间无缝漫游通信，采用此通信模式延时小，更好提高了通信实时性。

低功耗：LoRa终端节点采用低功耗设计，采用单节18650磷酸铁电池供电，内置超强休眠机制，睡眠电流可低至10uA级，一节2300MA电池可以使用5-10年。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1中LoRa终端节点的结构示意图。

图3为LoRa终端节点的元器件布局图。

图中，1为LoRa网关，2为LoRa终端节点，11为微控制单元，12为LoRa接收模块，13为LTE模块，14为互联网模块，15为云端数据服务器，16为接收端SPI总线，17为UART，21为终端MCU，22为检测盒，221为发光二极管，222为透镜，223为光敏电阻，23为LoRa终端模块，24为终端SPI总线。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1-2所示，在线低功耗无线浊度传感器，包括LoRa网关1和与LoRa网关1连接的LoRa终端节点2，LoRa网关1与LoRa终端节点2之间进行无线通讯。

LoRa网关1包括微控制单元11，微控制单元11上的R端口、T端口通过数据线与LoRa接收模块12连接，LoRa接收模块12与多个LoRa终端节点2无线连接，微控制单元11的A端口、B端口通过数据线与LTE模块13连接，LTE模块13通过互联网模块14与云端数据服务器15连接。LoRa接收模块12接收来自多个LoRa终端节点2的数据，LoRa接收模块12将数据依次发送至互联网模块14、云端数据服务器15，云端数据服务器15将回送的数据反馈至微控制单元11内，微控制单元11对回送数据进行处理后，再通过LoRa接收模块12将回送数据播送出去。

LoRa终端节点2包括终端MCU21、检测盒22和LoRa终端模块23，终端MCU21分别与检测盒22、LoRa终端模块23连接，LoRa终端模块23与LoRa接收模块12无线连接。LoRa终端节点2通过检测盒22来检测浊度，通过终端MCU21接收处理检测盒22采集到的浊度信息，并将处理后的数据通过LoRa模块发送至LoRa网关1。LoRa接收模块12接收LoRa终端节点2发来的数据，在系统内部做差错校验和完整性检测以后，把正确的完整数据转发给云端数据服务器15，LoRa网关1同时担任将云端数据服务器15发来的数据转发给LoRa终端节点2。

终端MCU21内设有发光二极管221、透镜222和光敏电阻223，透镜222置于发光二极管221的发光端与光敏电阻223之间，发光二极管221的负极通过线缆与终端MCU21连接，发光二极管221的正极通过线缆与终端MCU21连接，光敏电阻223的负极通过线缆与终端MCU21连接，光敏电阻223的正极通过线缆与终端MCU21连接，终端MCU21还通过终端SPI总线24与LoRa终端模块23连接。

如图3所示，LoRa终端节点2包括基板101，基板101上装有终端MCU21、电源模块104、欠压检测模块105和外部存储器106，基板101的四角分别开有螺纹孔103，基板101的一侧装有LoRa天线102。

产品信息采集检测盒22是由发光二极管221、透镜222和光敏电阻223三个部分组成，发光二极管221产生光源，并通过透镜222转化为平行光，照射在光敏电阻223前面的水体中，遇到悬浮颗粒时光线散射到与平行光成90度角的光敏电阻223上，依据光敏电阻223接收到的光照强度来感知水体浊度。基于光敏电阻223在光照强度与电阻之间有线性关系的物理特性，依据欧姆定律将电阻参数转化为终端MCU21识别的电压参数。终端MCU21与光敏电阻223之间设有数字滤波器，对采集的数据做分析，去掉杂波中所含有的干扰数据，保证采集数据的准确性。

LoRa接收模块12通过LoRaWAN与多个LoRa终端节点2通信，采用LoRa扩频通信技术，LoRa网关1与LoRa终端节点2之间最远可达3-10公里的通信距离，多个LoRa终端节点2与LoRa网关1之间采用星型拓扑结构，同时，LoRa终端节点2可以在不同的LoRa网关1之间无缝漫游通信，采用此通信模式，延时小，更好地提高了通信实时性。

LTE模块13通过2G/3G/4G通信网络与互联网模块14连接，相对于传统的物理通信，通信距离远，通信设备少，无需配置大功率的供电系统，维护成本低。

微控制单元11通过接收端SPI总线16与LoRa接收模块12连接, 接收端SPI总线16是一种高速、全双工、同步的通信总线，布局空间小。

微控制单元11通过UART17与LTE模块13连接，它将要传输的数据在串行通信与并行通信之间加以转换，并在微控制单元11与LTE模块13之间实现双向信号传输。

其中，作为优选的，微控制单元11为32位微控制单元11。

LoRa网关1和LoRa终端节点2之间采用LoRa扩频通信技术，该技术具有低功耗、远距离传输特点。采用LoRaWAN 协议更好的实现了多LoRa终端节点2之间的通信，LoRa网关1集成了8通道无线接收器，更好地保证了数据接收的稳定性。无线接收器通过扩频技术使得此类接收机在125kHz的带宽下使用获得接近-140dBm的灵敏度。与FSK系统相比，这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB，这样，使得同样的通信距离发射功率就会降低，从而实现低功耗长距离的通信。

LoRa终端节点2采用STM32L052低功耗32位MCU做主控器,内嵌LoRaWAN无线通信协议，有信号碰撞检测机制，自适应速率，面对复杂环境有超强的抗干扰机制。LoRa终端节点2自带了ACK信号确认，有效地保障了通信可靠性要求，发射功率根据通信距离的RISS值自动调整，有效地实现了低功耗通信的要求。内置超强休眠机制，睡眠电流可低至10uA级，1节电池3000mAh磷酸铁电池可供LoRa终端节点2使用5-10年。

每个LoRa终端节点2都有一个唯一的ID码做标识，服务器通过ID码来识别LoRa终端节点2位置，另外，LoRa终端节点2内部集成了8Mbyte的Flash存储器，可对采集数据进行记录，可以对产品运行参数做日志记录。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本实用新型范围内。

Claims (6)

1.在线低功耗无线浊度传感器，其特征在于，包括LoRa网关（1）和与LoRa网关（1）连接的LoRa终端节点（2）；

所述LoRa网关（1）包括微控制单元（11），微控制单元（11）上的R端口、T端口通过数据线与LoRa接收模块（12）连接，LoRa接收模块（12）与多个LoRa终端节点（2）无线连接，微控制单元（11）的A端口、B端口通过数据线与LTE模块（13）连接，LTE模块（13）通过互联网模块（14）与云端数据服务器（15）连接；

所述LoRa终端节点（2）包括终端MCU（21）、检测盒（22）和LoRa终端模块（23），终端MCU（21）内设有发光二极管（221）、透镜（222）和光敏电阻（223），透镜（222）置于发光二极管（221）的发光端与光敏电阻（223）之间，发光二极管（221）的负极通过线缆与终端MCU（21）连接，发光二极管（221）的正极通过线缆与终端MCU（21）连接，光敏电阻（223）的负极通过线缆与终端MCU（21）连接，光敏电阻（223）的正极通过线缆与终端MCU（21）连接，终端MCU（21）还通过终端SPI总线（24）与LoRa终端模块（23）连接，LoRa终端模块（23）与LoRa接收模块（12）无线连接。

2.根据权利要求1所述的在线低功耗无线浊度传感器，其特征在于，所述LoRa接收模块（12）通过LoRaWAN与多个LoRa终端节点（2）通信。

3.根据权利要求2所述的在线低功耗无线浊度传感器，其特征在于，所述LTE模块（13）通过2G/3G/4G通信网络与互联网模块（14）连接。

4.根据权利要求3所述的在线低功耗无线浊度传感器，其特征在于，所述微控制单元（11）通过接收端SPI总线（16）与LoRa接收模块（12）连接。

5.根据权利要求4所述的在线低功耗无线浊度传感器，其特征在于，所述微控制单元（11）通过UART（17）与LTE模块（13）连接。

6.根据权利要求5所述的在线低功耗无线浊度传感器，其特征在于，所述微控制单元（11）为32位微控制单元（11）。