CN209168389U - 一种传感器信号无线传输仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种传感器信号无线传输仪，包括控制模块、射频模块、传感器接口模块、电源管理模块、第一DC‑DC模块和第二DC‑DC模块。本实用新型传感器信号无线传输仪可以安装在传感器附近，例如与传感器安装在同一机器人上，使得传感器信号无线传输仪可以与传感器进行良好的通信，从而准确可靠地采集传感器数据。传感器信号无线传输仪可以与无线网关等上位机无线连接，因此可以很方便地应用到货运机器人、装配机械手等存在运动部件、难以进行实体布线等困难的工作环境中。本实用新型广泛应用于信息技术技术领域。

Description

一种传感器信号无线传输仪

技术领域

本实用新型涉及信息技术技术领域，尤其是一种传感器信号无线传输仪。

背景技术

近年来，随着物联网的推广普及，传感器的应用越来越广泛。很多传感器离上位机比较远，信号传输线比较长，导致信号在传输的过程中衰减，甚至在传输的过程中受干扰，从而影响系统的稳定。另外有线传输，增加布线困难，导致施工周期长，增加系统建设成本。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种传感器信号无线传输仪。

本实用新型所采取的技术方案是：

一种传感器信号无线传输仪，包括控制模块、射频模块、传感器接口模块、电源管理模块、第一DC-DC模块和第二DC-DC模块；

所述控制模块分别与射频模块、电源管理模块和传感器接口模块连接；所述射频模块用于接收和发送无线信号；所述传感器接口模块用于连接到传感器；

所述电源管理模块分别与第一DC-DC模块和第二DC-DC模块连接；所述第一DC-DC模块连接到主用电源，所述第二DC-DC模块连接到备用电源；所述电源管理模块用于为控制模块、射频模块和传感器接口模块供电。

进一步地，所述传感器接口模块包括电压型接口单元、电流型接口单元和串口型接口单元，所述电压型接口单元、电流型接口单元和串口型接口单元均与控制模块连接；所述电压型接口单元用于连接到电压输出型传感器，所述电流型接口单元用于连接到电流输出型传感器，所述串口型接口单元用于连接到串口输出型传感器。

进一步地，所述电压型接口单元包括第一受控电源端、第一电压转换端和第一电流转换端，所述第一受控电源端、第一电压转换端和第一电流转换端均用于与电压输出型传感器的对应端口连接；

所述电流型接口单元包括第二受控电源端、第二电压转换端和第二电流转换端，所述第二受控电源端、第二电压转换端和第二电流转换端均用于与电流输出型传感器的对应端口连接；

所述串口型接口单元包括串口输入端，所述串口输入端用于与串口输出型传感器的对应端口连接。

进一步地，所述射频模块包括蓝牙单元、LORA单元和GSM单元，所述蓝牙单元、LORA单元和GSM单元均与控制模块连接。

进一步地，所述GSM单元为GSM 3G/4G兼容单元。

本实用新型的有益效果是：本实用新型传感器信号无线传输仪可以安装在传感器附近，例如与传感器安装在同一机器人上，使得传感器信号无线传输仪可以与传感器进行良好的通信，从而准确可靠地采集传感器数据。传感器信号无线传输仪可以与无线网关等上位机无线连接，因此可以很方便地应用到货运机器人、装配机械手等存在运动部件、难以进行实体布线等困难的工作环境中。

进一步地，通过设置第一DC-DC模块和第二DC-DC模块，传感器信号无线传输仪可以使用互为主备的双电源供电，提高可靠性。通过设置多个接口单元，传感器信号无线传输仪可以适配现有的各种传感器。

附图说明

图1为传感器信号无线传输系统的原理图；

图2为本实用新型传感器信号无线传输仪的结构框图。

具体实施方式

本实施例中，传感器信号无线传输仪可以作为传感器信号无线传输系统的一部分。

所述传感器信号无线传输系统，参照图1，包括传感器信号无线传输仪、无线网关和后台监控系统；所述传感器信号无线传输仪连接到传感器，所述传感器信号无线传输仪通过无线网关与后台监控系统连接；所述传感器信号无线传输仪用于采集传感器数据并上传到无线网关；所述无线网关用于将接收到的传感器数据上传到后台监控系统；所述后台监控系统用于对传感器数据进行分析，并根据分析结果进行预警。

所述传感器信号无线传输仪包括控制模块、射频模块、传感器接口模块、电源管理模块、第一DC-DC模块和第二DC-DC模块；优选地，射频模块可以包括蓝牙单元、LORA单元和GSM单元，GSM单元可以是GSM 3G/4G兼容单元；控制模块可以选择其中一个或多个单元，将通过传感器接口模块采集到的传感器数据发送出去。相应地，参照图1，无线网关可以包括蓝牙接收器、LORA接收器和GSM基站，它们分别与射频模块中的蓝牙单元、LORA单元和GSM单元对应，从而使得无线网关接收相应的信号。

参照图1，后台监控系统可以由数据库、服务器、交换机和计算机终端等搭建而成，后台监控系统本质上属于一个局域网，其可以通过服务器接收无线网关传送过来的传感器数据，并通过计算机终端对传感器数据进行分析和显示。后台监控系统可以根据对传感器数据的分析结果进行预警，其具体为：当判断某个传感器的数据异常时，联动警报系统，向工作人员发出警报信号。

在实际生产环境中，传感器通常安装在机器人或者流水线等位置，而传感器信号无线传输仪可以安装在传感器附近，例如与传感器安装在同一机器人上，使得传感器信号无线传输仪可以与传感器进行良好的通信。无线网关可以安装在厂房的固定位置，一个无线网关可以同时与多个传感器信号无线传输仪配合工作。后台监控系统可以安装在远端。传感器信号无线传输仪与无线网关之间是无线连接的，这使得本实施例中的系统可以很方便地应用到货运机器人、装配机械手等存在运动部件、难以进行实体布线等困难的工作环境中。

本实施例中的传感器信号无线传输系统，将用于采集传感器数据的传感器信号无线传输仪、起信号中继作用的无线网关以及后台监控系统分离设置，并应用无线通信技术，避免了布线困难的缺点，可以减少系统建设成本，降低施工周期。

图2为本实用新型中传感器信号无线传输仪的结构框图，如图2所示：

所述控制模块分别与射频模块、电源管理模块和传感器接口模块连接；所述射频模块用于接收和发送无线信号；所述传感器接口模块用于连接到传感器；

所述电源管理模块分别与第一DC-DC模块和第二DC-DC模块连接；所述第一DC-DC模块连接到主用电源，所述第二DC-DC模块连接到备用电源；

所述电源管理模块用于在控制模块设定的供电模式下，向射频模块和传感器接口模块供电。

本实施例中，第一DC-DC模块和第二DC-DC模块的功能均为将直流电源所提供的电压转换成合适的直流电压，从而向控制模块、传感器接口模块和射频模块等用电器件供电。可以将第一DC-DC模块作为主用，将第二DC-DC模块设为备用。电源管理模块对控制模块进行持续供电，而电源管理模块可以根据控制模块设定的供电模式，对传感器接口模块和射频模块进行不同形式的供电。

优选地，所述供电模式具体包括主用电源持续供电模式、主用电源休眠供电模式和备用电源休眠供电模式；

在所述主用电源持续供电模式下，电源管理模块接通第一DC-DC模块并向射频模块和传感器接口模块持续供电；

在所述主用电源休眠供电模式下，当未接收到控制模块的触发信号时，电源管理模块暂停向射频模块和传感器接口模块供电，当接收到控制模块的触发信号时，电源管理模块接通第一DC-DC模块并向射频模块和传感器接口模块供电；

在所述备用电源休眠供电模式下，当未接收到控制模块的触发信号时，电源管理模块暂停向射频模块和传感器接口模块供电，当接收到控制模块的触发信号时，电源管理模块接通第二DC-DC模块并向射频模块和传感器接口模块供电。

在主用电源持续供电模式下，传感器信号无线传输仪中的所有电路都处于通电工作状态。

在所述主用电源休眠供电模式下，只有在接收到控制模块的触发信号时，电源管理模块才接通第一DC-DC模块并向射频模块和传感器接口模块供电，在未接收到控制模块的触发信号时，射频模块和传感器接口模块处于不通电的空闲状态。

在所述备用电源休眠供电模式下，只有在接收到控制模块的触发信号时，电源管理模块才接通第二DC-DC模块并向射频模块和传感器接口模块供电，在未接收到控制模块的触发信号时，射频模块和传感器接口模块处于不通电的空闲状态。

所述触发信号是控制模块在需要启动射频模块和传感器接口模块时发出的。主用电源休眠供电模式和备用电源休眠供电模式可以在不需要启动射频模块和传感器接口模块时暂停向射频模块和传感器接口模块供电，使得传感器信号无线传输仪处于低功耗状态，提高传感器信号无线传输仪的续航能力。当控制模块需要启动射频模块和传感器接口模块时可以立即唤醒射频模块和传感器接口模块。

进一步作为优选的实施方式，所述传感器接口模块包括电压型接口单元、电流型接口单元和串口型接口单元，所述电压型接口单元、电流型接口单元和串口型接口单元均与控制模块连接；所述电压型接口单元用于连接到电压输出型传感器，所述电流型接口单元用于连接到电流输出型传感器，所述串口型接口单元用于连接到串口输出型传感器。

通过设置三种接口单元，传感器信号无线传输仪可以适配现有的各种类型的传感器。

优选地，所述控制模块被配置为：在同一时间内与电压型接口单元、电流型接口单元和串口型接口单元中的两者接通。通过这样的设置，传感器信号无线传输仪可以支持两路传感器同时输入。

优选地，电压型接口单元、电流型接口单元和串口型接口单元的输入电压范围为0-10V，输入电流范围为0-20mA。

优选地，电压型接口单元、电流型接口单元和串口型接口单元均自带过压过流保护电路。

进一步作为优选的实施方式：

所述电压型接口单元包括第一受控电源端、第一电压转换端和第一电流转换端，所述第一受控电源端、第一电压转换端和第一电流转换端均用于与电压输出型传感器的对应端口连接；

所述电流型接口单元包括第二受控电源端、第二电压转换端和第二电流转换端，所述第二受控电源端、第二电压转换端和第二电流转换端均用于与电流输出型传感器的对应端口连接；

所述串口型接口单元包括串口输入端，所述串口输入端用于与串口输出型传感器的对应端口连接。

进一步作为优选的实施方式，所述射频模块用于在控制模块设定的通信模式下，通过蓝牙单元、LORA单元和GSM单元中的至少一个接收和发送无线信号。本实施例中，存在单独LORA通信、单独蓝牙通信、单独GSM通信、LORA+蓝牙通信、LORA+GSM通信、蓝牙+GSM通信和LORA+蓝牙+GSM通信等多种通信模式。

进一步作为优选的实施方式，所述控制模块通过以下步骤对射频模块的通信模式进行设定：

检测射频模块与无线网关的通信距离；

根据所述通信距离确定要启用的单元；

根据要启用的单元确定相应的通信模式，并将射频模块配置为该通信模式。

对于近距离的通信，可以选择蓝牙射频工作模式，可以通过手机APP实时查看系统的采集数据，能及时发现问题，消除隐患。

当系统部署在比较偏僻或者距离超过2000米的范围，可以采用GSM-3G/4G的功能，该模式免去系统网络的部署，建设简单，同时支持移动、联通、电线制式卡，只要有网络许可的SIM卡就可以进行网络通信。

当数据采集端离监控端在50-2000米的范围内，可以开启Lora通信模式。该模式采用扩频通信方式，可以有效抵抗干扰，同时采用AES128通信加密算法，让传输的数据更加安全可靠。Lora功耗低，通信距离远，同时支持自组网，维护方便。

LoRa是一种新型的基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术(Long Range，简称LoRa)。其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm，与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比，最高的接收灵敏度改善了20db以上，这确保了网络连接可靠性。

它使用线性调频扩频调制技术，即保持了像FSK(频移键控)调制相同的低功耗特性，又明显地增加了通信距离，同时提高了网络效率并消除了干扰，即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰，因此在此基础上研发的集中器/网关(Concentrator/Gateway)能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。

线性扩频已在军事和空间通信领域使用了数十年，因为其可以实现长通信距离和干扰的鲁棒性，而LoRa是第一个用于商业用途的低成本实现。随着LoRa的引入，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。这一技术改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量、低成本的通讯系统。

LORA网络协议支持广播模式和应答模式，同时支持12字节固定密码+4字节配置密码。设备地址2个字节，支持0-65535个设备。有两个数据通道，设备发送的数据经过加密传输，同时发送之前进行载波监听，检测到系统有其他设备在发送的时候，切换备用通道。如果备用通道也有设备在发，则连续监听3秒，如果3秒监听空闲失败，设备进入休眠，并且修改正常睡眠时间为发送失败睡眠时间，让设备在设定的发送失败睡眠时间快速起来，再次发送。

优选地，所述控制模块还可以根据各单元的信号强度，通过以下步骤对射频模块的通信模式进行设定：

检测蓝牙单元、LORA单元和GSM单元的信号强度；

根据所述信号强度确定要启用的单元；

根据要启用的单元确定相应的通信模式，并将射频模块配置为该通信模式。

优选地，可以将蓝牙单元、LORA单元和GSM单元中信号中强度超过各自通信协议合格阈值的单元确定为要启用的单元，也可以根据各自的信号强度对蓝牙单元、LORA单元和GSM单元的当前通信质量进行评级，将其中评级最高的一个或两个单元确认为要启用的单元。

例如，当确定蓝牙单元为要启用的单元时，控制模块将视频模块配置为单独蓝牙通信模式；当确定LORA单元和GSM单元为要启用的单元时，控制模块将视频模块配置为LORA+GSM通信模式。

通过根据通信距离、信号强度而对通信模式进行灵活配置，可以充分利用蓝牙、LORA和GSM三种不同协议的优点。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但对本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种传感器信号无线传输仪，其特征在于，包括控制模块、射频模块、传感器接口模块、电源管理模块、第一DC-DC模块和第二DC-DC模块；

所述控制模块分别与射频模块、电源管理模块和传感器接口模块连接；所述射频模块用于接收和发送无线信号；所述传感器接口模块用于连接到传感器；

所述电源管理模块分别与第一DC-DC模块和第二DC-DC模块连接；所述第一DC-DC模块连接到主用电源，所述第二DC-DC模块连接到备用电源；所述电源管理模块用于为控制模块、射频模块和传感器接口模块供电。

2.根据权利要求1所述的一种传感器信号无线传输仪，其特征在于，所述传感器接口模块包括电压型接口单元、电流型接口单元和串口型接口单元，所述电压型接口单元、电流型接口单元和串口型接口单元均与控制模块连接；所述电压型接口单元用于连接到电压输出型传感器，所述电流型接口单元用于连接到电流输出型传感器，所述串口型接口单元用于连接到串口输出型传感器。

3.根据权利要求2所述的一种传感器信号无线传输仪，其特征在于：

所述电压型接口单元包括第一受控电源端、第一电压转换端和第一电流转换端，所述第一受控电源端、第一电压转换端和第一电流转换端均用于与电压输出型传感器的对应端口连接；

所述电流型接口单元包括第二受控电源端、第二电压转换端和第二电流转换端，所述第二受控电源端、第二电压转换端和第二电流转换端均用于与电流输出型传感器的对应端口连接；

所述串口型接口单元包括串口输入端，所述串口输入端用于与串口输出型传感器的对应端口连接。

4.根据权利要求3所述的一种传感器信号无线传输仪，其特征在于，所述射频模块包括蓝牙单元、LORA单元和GSM单元，所述蓝牙单元、LORA单元和GSM单元均与控制模块连接。

5.根据权利要求4所述的一种传感器信号无线传输仪，其特征在于，所述GSM单元为GSM3G/4G兼容单元。