CN209514864U - 物联网智能采集单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于物联网技术领域，具体涉及一种具有解析多种传感器私有协议的远程采集设备；具体技术方案为：物联网智能采集单元，包括主板，主板上设有通信模块、MCU、电源模块和多个传感器模块，通信模块上连有通信接口，通信接口上设有电源接口、地线接口、UART通信接口、SPI通信接口、GPI通信接口和复位接口，多个传感器模块上连有传感器接口，在一台设备中集成标准通信模块接口，可供多种通信模块任意插拔连接，主板上还布置有与电源模块连接的太阳能蓄电池、外部直流供电设备和锂电池，根据现场环境，灵活切换供电方式，而不必更换设备。

Description

物联网智能采集单元

技术领域

本实用新型属于物联网技术领域，具体涉及物联网智能采集单元。

背景技术

当今，通信信息技术飞速发展，伴随着芯片技术调高与价格降低，智能终端以前所未有的速度深入社会各领域。信息化、自动化技术在各行业得到广泛应用，在物联网技术推动下，万物互联、大数据时代正在逐渐靠近。作为物联网采集端、通信网、数据平台之一的采集端是物联网的基础，低成本高效率获得数据是物联网能否普及的前提。

现有采集端设备存在以下不足：

1、通信模式单一，常用通信方式有以太网、GPRS、LoRa、NBiot、WIFI等，现有设备只集成了其中一种或两种，根据不同环境需求需要采用对应的设备，造成设备种类多，生产成本高，采购方需要提前确定准确的通信环境；部分厂家试图在一个设备中集成多种通信，但由于一台设备通常只使用一种通信方式，造成其他通信模块闲置浪费，为避免这种情况，部分厂家只焊接需要的通信模块，但是，不同的通信模块需要烧写不同的程序，造成生产环节复杂化，导致混淆出错。

2、可采集传感器种类单一，市场上常见传感器硬件接口有RS485、RS422、RS232、UART TTL、4~20mA 、0~5V、高低电平数字口、SPI、I2C等，不同厂家不同类型有各自的私有软件通信协议，由于硬件接口不通用，私有协议需要专用的解析程序处理，导致每一类传感器都需要专用的采集设备才能识别，对研发生产厂家成本和用户采购造成障碍；部分厂家试图在一个设备中集成多种硬件接口和软件程序，但由于一台设备通常只采集一种传感器，造成其他硬件接口闲置浪费，大量的解析程序增加了软件开发难度，运行时出错率更高。

3、供电方式单一，市场上常见设备供电方式包括220V交流供电、直流电源供电、内部一次性锂电池、内部可充电电池和太阳能板加可充电电池供电等方式。

4、现有设备程序大多无操作系统，使用裸机运行的方式，内部程序依靠程序员建立的逻辑框架调度，各模块间通信主要由全局变量完成，导致各功能程序间耦合度高，每次添加删除功能程序模块都需对全局的相关部分做修改，这种裸机程序虽然程序简单，降低硬件要求和成本，但不便于修改扩展。随着芯片生产技术的提高，电路硬件成本的差异几乎可以忽略，时间成本愈发重要，能否快速开发、快速扩展成为企业的首要目标，显然，现有程序结构不具备这一特征。

5、软件平台功能单一，现有采集设备一部分采用单机版电脑软件对设备进行配置采集，一部分采用单机版手机app，大部分采用串行通信类接口直接与电脑版串口调试类软件交互，配置过程及内容不利于保存共享，且需要专业人员才能操作，导致普通用户使用困难。

实用新型内容

为解决现有技术存在的技术问题，本实用新型提供了一种智能数据采集端，本采集端具有以太网、GPRS、LoRa、NBiot、WIFI等五种通信模式，具有RS485、RS422、RS232、UARTTTL、4~20mA 、0~5V、高低电平数字口、SPI、I2C等传感器硬件接口，具有解析不同厂家传感器私有协议的远程采集设备。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：物联网智能采集单元，包括主板，主板上分为设备区、电源区和供电区，设备区置于主板的上部，电源区置于主板的中部，供电区置于主板的下部，合理布置各个区域。

设备区内布置有通信模块、MCU和多个传感器模块，MCU置于通信模块与多个传感器模块之间，通信模块上连有通信接口，通信接口上设备电源接口、地线接口、UART通信接口、SPI通信接口、GPI通信接口和复位接口，多个传感器模块上连有传感器接口。在一台设备中集成标准通信模块接口，可供多种通信模块任意插拔连接，单片机内存储所有通信模块程序，根据配置参数，启动对应的通信程序，在不集成所有传感器硬件接口及私有通信协议的前提下，实现各厂家各类传感器的正常采集。

电源区内布置有电源模块，供电区内布置有与电源模块连接的太阳能蓄电池、外部直流供电设备和锂电池，根据现场环境，灵活切换供电方式，而不必更换设备。

本实用新型与现有技术相比，具体有益效果体现在：

一、本实用新型可根据现场通信环境与用户需求插接启用相应的通信模块，增加了设备基板的通用性，降低了设备生产成本，各通信模块采用相同的硬件接口，增加了切换的通用性；实现了以太网、GPRS、LoRa、NBiot和WIFI通信功能，硬件采用2.00mm双排20针标准接口方便插接，接触可靠。各通信模块程序以独立的文件存储，有唯一的2字节长度编码，用户根据实际需要，将模块的编码配置进设备eeprom，设备每次启动后根据所配置的模块编码启动对应的通信程序，以线程的形式运行，降低了各模块耦合度。

二、传感器采集硬件接口标准化、模块化，几乎覆盖了所有常见传感器，极大地增强了设备的适应性，降低了硬件复杂度。对于新类型传感器，硬件只需开发传感器接口模块，便于扩展，加快开发速度。传感器接口上可接流量计、压力计、液位计、水质、温湿度、光照、氧气、二氧化碳、一氧化碳、天然气、煤气、GPS/北斗、陀螺仪、霍尔、干簧管、雨量等传感器。

三、本实用新型内设可切换的电源选项，极大地方便了用户使用，可根据现场环境选择，传感器的使用范围极广，从高空至地面，从陆地至江河湖海，从室内到室外，从设备内部到外围现场，从低功耗到常供电，从大型机械到微信机器人，由于各场景对传感器功能性能需求不同，对应的电源也不同，太阳能、电池和外部直流5V可满足绝大部分场景。

四、本实用新型将程序功能任务化，启动过程标准化，便于新通信模块和传感器模块程序开发，开发人员只需将相应程序开发完保存为独立的.c好.h文件，给模块编号，通过配置界面将模块配置为相应的任务或槽，设备在上电启动后会自动启动该程序。该功能程序模块几乎不与其他模块和系统框架程序产生任何耦合，大大降低了程序复杂度，使得开发新通信或传感器模块的时间缩短至几天甚至几小时内，省去大量的重复劳动，极大地提高了企业研发效率，降低了研发成本，适应了物联网行业快速研发、快速部署的要求，提高了企业竞争力。

五、本实用新型利用云平台远程存储、异地访问的优势，可使用电脑或手机通过web登录，以页面的方式进行配置，简单易操作，且系统保存操作记录。软件平台部署在云端，有专业的软硬件维护工程师，故障率大大降低，同时便于维护升级，无论在何处，互联网覆盖的任何地方都可使用平台功能。

附图说明

图1为本实用新型的工作原理图。

图2为本实用新型的结构原理图。

图3为通信接口的硬件接口图。

图4为通信接口的电路原理图。

图5为传感器接口的硬件接口图。

图6为三路电源电路的原理简化图。

图7为本实用新型通信任务启动顺序图。

图8为本实用新型的通信任务配置图。

图9为本实用新型的传感器任务配置图。

图中，1为主板，2为设备区，21为通信模块，22为MCU，23为传感器模块，24为通信接口，25为传感器接口，3为电源模块，4为供电区，41为太阳能蓄电池，42为外部直流供电设备，43为锂电池。

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2所示，物联网智能采集单元，包括主板1，主板1上分为设备区2、电源区和供电区4，设备区2置于主板1的上部，电源区置于主板1的中部，供电区4置于主板1的下部，合理布置各个区域。

如图3和图4所示，设备区2内布置有通信模块21、MCU22和多个传感器模块23，MCU22置于通信模块21与多个传感器模块23之间，通信模块21上连有通信接口24，通信接口24上设备电源接口、地线接口、UART通信接口、SPI通信接口、GPI通信接口和复位接口，电源接口上连接电源线为通信模块21提供电源，电源接口可通过主板1电源控制电路来控制通断，实现通信模块21低功耗模式配置。SPI、UART等单片机通信外设可被任意通信模块21使用，搭配部分GPIO引进可实现通信模块21复位、模式控制、中断触发等功能。

如图5所示，多个传感器模块23上连有传感器接口25。在一台设备中集成标准通信模块21接口，可供多种通信模块21任意插拔连接，单片机内存储所有通信模块21程序，根据配置参数，启动对应的通信程序，在不集成所有传感器硬件接口及私有通信协议的前提下，实现各厂家各类传感器的正常采集。

通信接口24可接以太网、GPRS、LoRa、NBiot、WIFI等通信类型模块，对于每一种类型，根据不同厂家不同集成层次形成不同功能类型的具体通信模块21，每一种模块按编码规则分配一个2字节代码，用于设备参数配置和程序启动。

通信硬件标准接口为2.00mm双排20针贴片排母，通信模块21端使用2.00mm双排20针贴片排针，方便插拔，接触可靠。

通信接口24上可连接流量计、压力计、液位计、水质、温湿度、光照、氧气、二氧化碳、一氧化碳、天然气、煤气、GPS/北斗、陀螺仪、霍尔、干簧管、雨量等传感器。

如图2和图6所示，电源区内布置有电源模块3，供电区4内布置有与电源模块3连接的太阳能蓄电池41、外部直流供电设备42和锂电池43，太阳能蓄电池41为太阳能板加内部可充电电池，锂电池43为3.6V一次性锂电池43，外部直流供电设备42的供电电压为5V，根据实际需要选择其中一种，灵活切换供电方式，而不必更换设备。

当设备安装在郊区，无法获得220V交流电，且设备功耗较大时采用太阳能供电方式，外部太阳能电池板将太阳能转换为电能存储在蓄电池中供设备使用，当设备采集上传频率较低功耗小时，采用锂电池43供电，降低项目成本。当有220V交流电时，使用外部电源适配器提供直流5V电源供设备使用。

如图1所示，采集设备采集传感器数据通过通信模块21上传至云服务器，用户通过手机或电脑访问云服务器，获得需要的信息，也可对采集端工作参数进行配置。

如图7所示，程序按模块功能编号划分为不同文件。为了实现各通信模块21程序和各传感器采集模块程序有序编写、存储与运行，各模块程序以文件方式存储、模块以任务方式运行、运行任务按槽管理。

如图8和图9所示，程序总共设8个任务，一个启动配置升级任务、一个通信任务、6个传感器采集任务，各通信模块21和传感器模块23都是经过编号和测试的模块，一个硬件模块对应一个相同编号的程序模块，因此，设备上电启动后，首先启动通信任务，过程为：读取eeprom通信配置参数，根据通信模块21编号调用对应的通信模块21程序建立起通信任务；再次启动配置升级任务，经过设备注册、时间设置、设备参数读取等过程后进入循环接受远程命令模式；最后启动传感器任务，读取用户设置的传感器数量，依次读取对应传感器配置内容，建立传感器任务；至此，系统开始正常运行。

界面配置，用户根据实际需求，需要配置通信方式和传感器数量及种类。

用户配置内容包括俩部分，一部分为通信模块21，另一部分为传感；通信模块21内容包括通信模块21类型号（一种通信模块21对应一个编号，编号为2字节16进制数）、心跳包周期、目标网络IP和端口等网络参数；传感器配置任务包括，传感器数量与每种传感器编号、采集周期、是否低功耗模式及其他参数；如果设备实际插接传感器不足6个，按实际数量配置，按从1至6的槽号依次往后排。这种标准化的配置模式符合生活习惯，便于用户掌握。

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 (1)

1.物联网智能采集单元，其特征在于，包括主板（1），所述主板（1）上分为设备区（2）、电源区和供电区（4），所述设备区（2）置于主板（1）的上部，所述电源区置于主板（1）的中部，所述供电区（4）置于主板（1）的下部；

所述设备区（2）内布置有通信模块（21）、MCU（22）和多个传感器模块（23），所述MCU（22）置于通信模块（21）与多个传感器模块（23）之间，所述通信模块（21）上连有通信接口（24），所述通信接口（24）上设备电源接口、地线接口、UART通信接口、SPI通信接口、GPI通信接口和复位接口，多个传感器模块（23）上连有传感器接口（25）；

所述电源区内布置有电源模块（3）；

所述供电区（4）内布置有与电源模块（3）连接的太阳能蓄电池（41）、外部直流供电设备（42）和锂电池（43）。