CN208739152U - 一种无线测力传感器系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种无线测力传感器系统，包括测力传感器设备和网关设备，测力传感器设备的功能模块包括传感器电源模块、串口通信模块、传感器主控模块、ADC模块、传感器LoRa模块和传感器WiFi模块，串口通信模块包括RS485接口和RS232接口；网关设备的功能模块包括网关电源模块、网关WiFi模块、以太网通信模块、网关LoRa模块和网关主控模块。测力传感器设备与测力仪器对接后，实时对仪器输出信号进行采样，采用高精度的ADC模块保证采样数据的精确度，测力传感器采集得到的数据经过网关设备传输至上位机显示，现场操作人员可以通过上位机实时了解设备的工作情况，及时做出相应的调整。
Description
技术领域
本实用新型属于测力传感器的测量及控制领域，具体涉及一种无线测力传感器系统
背景技术
低成本和高精度将是未来智能无线测力传感器系统的重要优势，当前，智能无线测力传感器系统的发展还处于初级阶段，技术往往只侧重于解决某一问题，导致技术的单一性，无法同时满足新型测控系统的多种需求。随着智能化应用的快速发展，迫切需要研发高效、可靠的智能无线测力传感器系统。高精度的要求是传感器类产品的重要特性，测力传感器的精度往往决定了其品质和售价，这就要求使用的前端电路、数据处理方法具有高效高精度的特征；另一方面，测力传感器并不单独存在，需要与测控系统进行连接，因此需要相应的网关设备对传感器的采集数据进行协议转化以及传输。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种无线测力传感器系统，实现异构网络的物理连接和互操作，解决当前异构网络难以实现互联互通的技术难题。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
本实用新型的一种无线测力传感器系统，包括上位机、包括测力传感器设备和网关设备，所述网关连接多个测力传感器设备；
所述测力传感器设备包括用于提供电源的传感器电源模块，用于串口调试、配置参数的串口通信模块，用于接收并处理数据的传感器主控模块，用于采集数据的ADC模块，用于数据无线接收与发送的传感器LoRa模块和用于数据无线接收与发送的传感器WiFi模块，所述串口通信模块包括RS485接口和RS232接口；所述传感器WiFi模块与传感器主控模块的USART1串口相连，传感器LoRa模块与传感器主控模块的SPI2接口相连，ADC模块与传感器主控模块的SPI1接口相连，RS485接口与传感器主控模块的USART2串口相连，RS232接口与传感器主控模块的UART4串口相连；传感器电源模块为传感器主控模块、传感器WiFi模块、传感器LoRa模块和ADC模块供电；
所述网关设备包括用于提供电源的网关电源模块、用于数据无线接收与发送的网关WiFi模块、用于与以太网建立通信的以太网通信模块、用于数据无线接收与发送的网关LoRa模块和用于接收并处理数据的网关主控模块，所述网关WiFi模块与网关主控模块的USART1串口相连，网关LoRa模块与网关主控模块的SPI2接口相连，以太网通信模块与网关主控模块相连，网关电源模块为主控模块、以太网通信模块、网关LoRa模块和网关WiFi供电。
作为优选的技术方案，所述传感器主控模块采用STM32F103RCT6芯片。
作为优选的技术方案，所述ADC模块采用ADS1255芯片，具有两个独立的I/O引脚。
作为优选的技术方案，所述RS485接口采用MAX3485E芯片。
作为优选的技术方案，所述RS232接口采用MAX232ACSE芯片。
作为优选的技术方案，所述传感器电源模块包括两路降压转换电路，所述降压转换电路采用DC/DC降压芯片MP2494或低压差线性稳压芯片AMS1117-3.3，当采用DC/DC降压芯片MP2494时输出电压范围为0.8-15V；当采用低压差线性稳压芯片AMS1117-3.3时输出为3.3V稳定电压。
作为优选的技术方案，所述以太网通信模块采用百兆级以太网芯片DP83848CVV，与网关主控模块采用RMII方式通信。
作为优选的技术方案，所述网关电源模块采用DC/DC降压芯片LM2576。
作为优选的技术方案，所述传感器LoRa模块和网关LoRa模块均采用ZN470SX-M芯片，组网方式为星型网络组网，最多连接200个节点设备，并且具有PCB天线。
作为优选的技术方案，所述传感器WiFi模块和网关WiFi模块均采用WiFi芯片ESP8266接入无线局域网。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本实用新型的无线测力传感器系统具有标准数据通信接口和物理接口，兼容现有测控系统，底层通信支持433MHz、470MHz、2.4GHz等多个射频频段，外部接口支持RS232、RS485接口，实现异构网络的物理连接和互操作，解决当前异构网络难以实现互联互通的技术难题。
2、本实用新型的无线测力传感器系统采用的传感器WiFi模块和网关WiFi模块均采用高性能低成本芯片ESP8266，该芯片只需很少的外围电路设计，即可进行工作，大大降低了测力传感器的制作成本，用户可根据需求制定芯片驱动固件，适应不同场合的使用。
3、本实用新型的无线测力传感器系统的电源采用宽电压设计，支持9-36V直流电源供电，兼容工业中常用的24V直流电源供电，并采用两路DC/DC降压转换，一路专门为无线模块供电，另一路为ADC模块和主控单元供电。若测力传感器系统不需要采集数据可控制DC/DC降压模块，使测力传感器系统进入休眠模式，节省电能。
4、本实用新型的无线测力传感器系统采用ADS1255芯片对输入模拟量进行采集，该芯片采集速率快，精度高，且有两个独立的I/O引脚可输出时钟脉冲或连接其他设备，具有良好的扩展性。
附图说明
图1(a)是无线测力传感器系统总体结构框图；
图1(b)测力传感器电源模块与各模块链接的逻辑框图；
图2是测力传感器设备总体结构框图；
图3是测力传感器主控模块结构示意图；
图4是测力传感器主控模块与LoRa模块连接逻辑框图；
图5是传感器LoRa模块电路结构示意图；
图6是测力传感器主控模块与ADC模块连接逻辑框图；
图7是ADC模块电路结构示意图；
图8是测力传感器主控模块与WiFi模块连接逻辑框图；
图9是传感器WiFi模块电路结构示意图；
图10是测力传感器主控模块与RS485接口、RS232接口连接逻辑框图；
图11是RS485接口电路结构示意图；
图12是RS232接口电路结构示意图；
图13是传感器电源模块电路结构示意图；
图14是网关设备总体结构框图；
图15是网关设备主控模块结构示意图；
图16是网关设备主控模块与以太网通信模块连接逻辑框图；
图17是以太网通信模块电路结构示意图；
图18是网关设备主控模块与网关LoRa模块、网关WiFi模块连接逻辑框图；
图19是网关LoRa模块和网关WiFi模块电路结构示意图；
图20是网关电源模块电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
在本实施例中，无线测力传感器系统与现场仪器对接后，实时对仪器输出信号进行采样，其中无线测力传感器系统采用高精度的ADC采集模块保证采样数据的精确度，具有相应的有线接口和无线接口以适应不同场合的使用，而且无线测力传感器系统配套有相应的网关设备对测力传感器采集得到的数据进行传输处理，以及统一管理区域范围内的所有测力传感器节点，现场操作人员可以通过配套的上位机实时了解设备的工作情况，及时做出相应的调整。
在本实施例中，无线测力传感器系统包括测力传感器设备和网关设备，测力传感器设备的功能模块包括传感器电源模块、串口通信模块、传感器主控模块、ADC模块、传感器LoRa模块和传感器WiFi模块，串口通信模块包括RS485接口和RS232接口；网关设备的功能模块包括网关电源模块、网关WiFi模块、以太网通信模块、网关LoRa模块和网关主控模块。
基于上述结构，本实施例的无线测力传感器系统实现的基本功能如下所示：
在本实施例中测力传感器设备底层通信支持433MHz、470MHz、2.4GHz等多个射频频段，外部接口支持、RS232、RS485等标准接口，根据不同的工作环境可灵活进行通信模式的切换。测力传感器设备的信号采样频率支持30ksps、15kSPS、7.5kSPS等多个频率，mV/V准确度可达0.03％FS，支持差分及单端输入，实现实时有效的数据测量。网关设备底层通信支持433MHz、470MHz、2.4GHz等多个射频频段，网关设备通过ModBus Tcp协议与上位机进行数据交互。本实施例的无线测力传感器系统主要性能指标如下所示：
如图1(a)、图1(b)、图2和图3所示，测力传感器设备是基于意法半导体公司生产的STM32F103RCT6芯片开发的，该芯片具有64个引脚，满足系统所有功能接入；测力传感器设备ADC模块采用ADS1255作为ADC芯片，该芯片采样频率最大30ksps，2个通用数字接口，低噪PGA提供1、2、4、8、16、32或64的增益，PGA为1时具有23位无噪声精度；传感器Lora模块使用ZN470SX-M实现短距离无线通信，该模块支持星型网络结构，可快速组网，最大支持200个节点设备，具有PCB内置天线；传感器WiFi模块使用ESP8266WiFi芯片实现测力传感器设备接入无线局域网，该芯片支持三种模式切换，分别为STA模式、AP模式和STA+AP模式，WiFi信号稳定性强；RS485接口采用MAX3485E芯片实现RS485电平输出，RS232接口采用MAX232ACSE芯片实现RS232电平输出。网关设备采用的网关LORA模块与测力传感器所用的传感器LORA模块相同，采用的网关WiFi模块与传感器WiFi模块相同，以太网通信模块采用TI公司生产的百兆级以太网芯片DP83848CVV。图2所示的传感器WiFi模块通过串口USART1与测力传感器设备进行无线通信，完成数据的接收和发送；传感器Lora模块通过SPI2接口与测力传感器设备进行无线通信，完成数据的接收和发送；ADS1255芯片通过SPI1接口与测力传感器设备进行通信，把差分输入信号转换为数字量；RS485接口和RS232接口与测力传感器设备通过串口USART2和串口UART4进行连接，用于辅助开发人员调试和配置参数。
如图4和图5所示，传感器LoRa模块使用周立功公司ZM433SX模块。模块独立集成，直接通过SPI接口与传感器设备进行通讯，与以往传感器设备的无线模块相比，功耗低、可靠性高。
如图6和图7所示，ADC模块使用TI公司生产的ADS1255芯片，该芯片是一款非常低噪的A/D转换器，ADS1255支持1路差分输入或2路单端输入，和2个通用数字接口；低噪PGA提供1,2,4,8,16,32,或64的增益；可实现23Bits有效位的应用。
如图8和图9所示，传感器WiFi模块采用串口转无线模块ESP8266，采用3.3V的直流电源供电，具有体积小，功耗低，内部自带固件，用户操作简单，无需编写时序信号等优点。该模块只需增加很少的外围电路，即可进行工作，用户只需发送AT指令即可对该模块进行配置。其中该模块支持三种不同模式的切换，分别为STA模式、AP模式、STA+AP模式。
如图10、图11和图12所示，RS485串口和RS232串口均与传感器主控模块连接；RS485接口和RS232接口与传感器主控模块分别通过串口USART2和串口UART4进行连接，可实现RS485和RS232数据传输。RS485接口和RS232接口作为测试和调试的接口，用于辅助开发人员调试和配置参数；
如图13所示，传感器电源模块实现将工业24V直流电源转化为系统电源，通过MP2494高性能DC/DC降压芯片进行电压转换，通过调整电阻R9的阻值可输出0.8～15V的不同电压，通过低压差线性稳压芯片AMS1117-3.3可输出3.3V稳压电平，用于传感器主控模块、传感器WiFi模块、传感器LoRa模块、ADC模块的供电。
如图14和图15所示，采用ESP8266的网关WIFI模块通过串口USART1与网关主控模块进行通信，完成数据的无线收发；采用ZN470SX-M的网关Lora模块通过SPI2接口与网关主控模块进行通信，完成数据的无线收发；DP83848CVV以太网芯片与网关主控模块之间通过RMII方式连接进行通信，完成网关设备与上位机之间的通信。
如图16和图17所示，以太网通信模块与网关主控模块之间通过RMII方式连接进行通信，该通信方式只占有网关主控模块少量的I/O口。
如图18和图19所示，网关WiFi模块通过串口USART1与网关主控模块连接，实现无线通信，网关Lora模块通过SPI2接口与网关主控模块连接，实现无线通信，网关设备采用的网关LoRa模块和网关WiFi模块与测力传感器设备所采用的传感器LoRa模块和传感器WiFi模块一致。
如图20所示，网关电源模块实现将工业24V直流电源转化为系统电源。通过LM2576高性能DC/DC降压芯片进行电压转换，提供稳定的3.3V电压，给网关设备中的网关主控模块、以太网通信模块，网关LoRa模块和网关WiFi模块供电。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无线测力传感器系统，包括上位机，其特征在于，还包括测力传感器设备和网关设备，所述上位机通过以太网或WIFI与网关设备连接，所述网关设备可连接多个测力传感器设备；
每个测力传感器设备包括用于提供电源的传感器电源模块，用于串口调试、配置参数以及数据采集的串口通信模块，用于接收并处理数据的传感器主控模块，用于采集数据的ADC模块，用于数据无线接收与发送的传感器LoRa模块和用于数据无线接收与发送的传感器WiFi模块，所述串口通信模块包括RS485接口和RS232接口；所述传感器WiFi模块与传感器主控模块的USART1串口相连，传感器LoRa模块与传感器主控模块的SPI2接口相连，ADC模块与传感器主控模块的SPI1接口相连，RS485接口与传感器主控模块的USART2串口相连，RS232接口与传感器主控模块的UART4串口相连，传感器电源模块为传感器主控模块、传感器WiFi模块、传感器LoRa模块和ADC模块供电；
所述网关设备包括用于提供电源的网关电源模块、用于数据无线接收与发送的网关WiFi模块、用于与以太网建立通信的以太网通信模块、用于数据无线接收与发送的网关LoRa模块和用于接收并处理数据的网关主控模块，所述网关WiFi模块与网关主控模块的USART1串口相连，网关LoRa模块与网关主控模块的SPI2接口相连，以太网通信模块与网关主控模块相连，网关电源模块为主控模块、以太网通信模块、网关LoRa模块和网关WiFi供电。
2.根据权利要求1所述的无线测力传感器系统，其特征在于，所述传感器主控模块采用STM32F103RCT6芯片。
3.根据权利要求1所述的无线测力传感器系统，其特征在于，所述ADC模块采用ADS1255芯片，具有两个独立的I/O引脚。
4.根据权利要求1所述的无线测力传感器系统，其特征在于，所述RS485接口采用MAX3485E芯片。
5.根据权利要求1所述的无线测力传感器系统，其特征在于，所述RS232接口采用MAX232ACSE芯片。
6.根据权利要求1所述的无线测力传感器系统，其特征在于，所述传感器电源模块包括两路降压转换电路，所述降压转换电路采用DC/DC降压芯片MP2494或低压差线性稳压芯片AMS1117-3.3，当采用DC/DC降压芯片MP2494时输出电压范围为0.8-15V；当采用低压差线性稳压芯片AMS1117-3.3时输出为3.3V稳定电压。
7.根据权利要求1所述的无线测力传感器系统，其特征在于，所述以太网通信模块采用百兆级以太网芯片DP83848CVV，与网关主控模块通过RMII方式进行通信。
8.根据权利要求1所述的无线测力传感器系统，其特征在于，所述网关电源模块采用DC/DC降压芯片LM2576。
9.根据权利要求1-8任意一项权利要求所述的无线测力传感器系统，其特征在于，所述传感器LoRa模块和网关LoRa模块均采用ZN470SX-M芯片，组网方式为星型网络组网，最多连接200个节点设备，并且具有PCB天线。
10.根据权利要求1-8任意一项权利要求所述的无线测力传感器系统，其特征在于，所述传感器WiFi模块和网关WiFi模块均采用WiFi芯片ESP8266接入无线局域网。
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| CN115519548A (zh) * | 2022-11-29 | 2022-12-27 | 海南狮子鱼深海技术有限公司 | 一种机械臂传感器采集板 |
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