CN209659346U - 基于NB-iot技术的A/D采集卡 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于NB‑iot技术的A/D采集卡，包括：NB‑iot通信模块，其包括：第一电源电路，为NB‑iot通信模块供电；485通信模块，与A/D信号采集模块通信；BC95通信电路，用于向外发送采集的数据；第一单片机信号处理电路，用于接收来自485通信模块的信号，并转发给BC95通信电路以向外发送采集的数据；及A/D信号采集模块，包括：第二电源电路，为A/D信号采集模块供电；A/D采集电路，包括若干A/D转换电路，485通信电路，将采集的数据传输至NB‑iot通信模块；第二单片机信号处理电路，用于处理来自A/D采集电路的数字量信号并通过485通信电路发送至NB‑iot通信模块。

Description

基于NB-iot技术的A/D采集卡

技术领域

本实用新型涉及物联网设备技术领域，特别涉及一种基于NB-iot技术的A/D采集卡。

背景技术

随着物联网概念的兴起，物联网技术逐渐开始应用于现代生活的很多领域。按照国际电信联盟(ITU)的定义，物联网技术既主要解决物品与物品(Thing to Thing，T2T)，人与物品(Human to Thing，H2T)，人与人(Human to Human，H2H)之间的互连。

和传统的互联网相比，物联网具有鲜明的特征：首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上可以部署海量的多种类型传感器，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。还有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。

物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。

因此，物联网一方面可以提高经济效益，大大节约成本；另一方面可以为全球经济的复苏提供技术动力。美国、欧盟等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国也正在高度关注、重视物联网的研究。在现有的技术基础上，设计一款多用途的物联网通信设备，实现低功耗特性，以适用于温湿度采集、气压采集及其他方面使用，可以为实现多组数据同时段的高效监测提供有效的技术支持，同时也可以助力物联网技术的发展和推广使用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于NB-iot技术的A/D采集卡，以实现提供一款多用途的物联网通信设备，实现低功耗特性，以适用于温湿度采集、气压采集及其他方面使用。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于NB-iot技术的A/D采集卡，包括NB-iot通信模块及A/D信号采集模块；所述NB-iot通信模块包括：

第一电源电路，用于为NB-iot通信模块的各部分供电；

485通信模块，用于与所述A/D信号采集模块进行通信；

BC95通信电路，用于向外发送采集的数据；

第一单片机信号处理电路，用于接收来自所述485通信模块的信号，并转发给所述BC95通信电路以向外发送采集的数据；

所述A/D信号采集模块包括：

第二电源电路，用于为A/D信号采集模块的各部分供电；

A/D采集电路，包括若干A/D转换电路，用于将不同的传感器输入的模拟量信号转换为数字量信号；

485通信电路，用于将采集的数据传输至所述NB-iot通信模块；

第二单片机信号处理电路，用于处理来自所述A/D采集电路的数字量信号并通过所述485通信电路发送至所述NB-iot通信模块。

较佳地，所述第二单片机信号处理电路包括STC15W4Kxxxx单片机及外围电路，其中，MCU_TX、MCU_RX为单片机的串口3，作为通信接口与所述485通信电路相连负责数据的发送与接收，P1口与A/D采集电路相连负责接收A/D采集电路所采集到的信号。

较佳地，所述A/D采集电路包括模拟开关、A/D转换芯片及外围电路，所述模拟开关用于进行输入信号的通道选择，所述A/D转换芯片的模拟输入端与所述模拟开关的输出端相连，用于获取输入的模拟量信号。

较佳地，所述485通信电路包括485芯片、光耦、电源隔离变压器、电磁数字信号隔离芯片及外围电路，所述电源隔离变压器用于实现电源的隔离并为所述485芯片供电，所述电磁数字信号隔离芯片用于实现高波特率的信号传输，所述光耦用于对所述485芯片的使能端进行隔离。

较佳地，所述第二电源电路包括：LM2596开关电源芯片及外围电路。

较佳地，所述第一单片机信号处理电路包括STM32L151C8T6单片机及外围电路，MCU_TX2、MCU_RX2为单片机的串口2，负责与所述BC95通信电路之间通信；MCU_TX3、MCU_RX3为单片机的串口3，用于通过所述485通信模块接收所述A/D信号采集模块发送出来的数据。

较佳地，所述BC95通信电路包括BC95芯片、SIM卡及RF天线，所述BC95芯片用于获取来自所述第一单片机信号处理电路的信号并控制所述RF天线向外发送信号，所述BC95芯片通过所述SIM卡接入网络。

较佳地，所述485通信模块包括485芯片，所述485芯片的端口485A、485B分别与所述A/D信号采集模块的对应端口进行通信。

较佳地，所述第一电源电路包括开关电源芯片，输入电压为DC12V-DC24V，输出电压为DC5V、输出电流为1A。

本实用新型具有以下有益效果：

实现了多用途的物联网通信设备，也实现了低功耗的特性；

可用于温湿度采集，气压采集以及其他方面的使用；

能够实现多组数据同时监测；

易于扩展其他的功能；

能够实现多种参数同时检测。

附图说明

图1为本实用新型基于NB-iot技术的A/D采集卡整体组成示意图；

图2为A/D信号采集模块的第二单片机信号处理电路图；

图3为A/D信号采集模块的A/D采集电路图；

图4为A/D信号采集模块的485通信电路图；

图5为A/D信号采集模块的电源电路图；

图6为NB-iot通信模块第一单片机信号处理电路图；

图7为NB-iot通信模块的BC95通信电路图；

图8为SIM卡电路图；

图9为NB-iot通信模块的485通信模块图；

图10为NB-iot通信模块的第一电源电路图。

具体实施方式

以下将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本实用新型的一部分实例，并不是全部的实例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

为了便于对本实用新型实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本实用新型实施例的限定。

本实施例提供了一种基于NB-iot技术的A/D采集卡，包括NB-iot通信模块及A/D信号采集模块；所述NB-iot通信模块包括：

第一电源电路，用于为NB-iot通信模块的各部分供电；

485通信模块，用于与所述A/D信号采集模块进行通信；

BC95通信电路，用于向外发送采集的数据；

第一单片机信号处理电路，用于接收来自所述485通信模块的信号，并转发给所述BC95通信电路以向外发送采集的数据；

所述A/D信号采集模块包括：

第二电源电路，用于为A/D信号采集模块的各部分供电；

A/D采集电路，包括若干A/D转换电路，用于将不同的传感器输入的模拟量信号转换为数字量信号，

485通信电路，用于将采集的数据传输至所述NB-iot通信模块；

第二单片机信号处理电路，用于处理来自所述A/D采集电路的数字量信号并通过所述485通信电路发送至所述NB-iot通信模块。

参考图1所示，在具体实施例中，A/D信号采集模块的输入信号为16路模拟量，由气压传感器产生，电压0-5V。输入的模拟信号由MCP3421A/D转换器转换位数字量后发送给单片机，单片机将接收到的信号通过计算转换为实际的压力值，然后通过串口3连接的485发送给NB-iot通信模块。

NB-iot通信模块与A/D信号采集模块之间通过485进行连接，接收到的信号通过串口发送给stm32单片机。BC95-B5芯片与stm32单片机之间通过串口进行数据发送与接收，stm32单片机将485电路接收到的信号通过串口2发送给BC95-B5芯片，BC95-B5通过读取SIM卡中的信息实现联网功能，然后将从stm32单片机接收到的信号通过RF天线发送到云端。

如图2所示，上述的第二单片机信号处理电路包括STC15W4Kxxxx单片机及外围电路。这里将A/D信号采集模块采用STC15W4K32S4单片机作为信号处理器，主要负责把A/D采集到的信号进行处理并通过串口发送出去。其中，MCU_TX、MCU_RX为单片机的串口3，作为通信接口与所述485通信电路相连负责数据的发送与接收，P1口与A/D采集电路相连负责接收A/D采集电路所采集到的信号。此外，JP6为程序下载接口，LED为通信指示灯，当有数据发送出去是指示灯亮起，无数据发送时则指示灯熄灭。

A/D采集电路的主要作用是将气压传感器产生的模拟信号转换为数字信号，并将转换后的信号通IIC总线传输给单片机。具体地，上述的A/D采集电路包括模拟开关、A/D转换芯片及外围电路，模拟开关用于进行输入信号的通道选择，A/D转换芯片的模拟输入端与所述模拟开关的输出端相连，用于获取输入的模拟量信号。如图3所示，JP2为信号输入端，ZD1、ZD2二极管为保护二极管，为了输入电压过高损坏原件。这里的模拟开关为74HC4052，是一个2路四选一模拟开关，可以有A、B、EN进行通道的选择。逻辑关系表1所示：

表1 74HC4052通道选择逻辑关系表

其中，74HC4052的FN接地，A、B接单片机的P26、P27引脚，单片机通过输出高低电平来改变输入通道的选择。

这里的A/D转换芯片为MCP3421，为一个18位的A/D转换芯片，该芯片为单通道低噪声、高精度、差分输入。MCP3421引脚功能如表2所示：

表2 MCP3421引脚功能表

MCP3421	符号	说明
			1	Vin+	正差分模拟输入脚
2	Vss	接地引脚
			3	SCL	IIC接口的串行时钟输入引脚
4	SDA	IIC接口双向串行数据引脚
			5	VDD	正电源引脚
6	Vin-	负差分模拟输入脚

正差分模拟输入脚Vin+接74HC4052的信号输出端，负差分模拟输入脚Vin-接地，芯片5V供电。单片机通过软件模拟IIC接口与MCP3421相连并读取MCP3421内的数据。单片机通过改变P26、P27引脚的高低电平依次读取通道1、5、9、13；2、6、10、14；3、7、11、14；4、8、12、16的A/D转换值；然后将读取到的A/D值转换为实际的气压值，并按照通道1-16进行重新排序，然后将数据通过单片机的串口3发送出去。

A/D信号采集模块采用隔离485的方式与外界进行通信。参考图4，485通信电路包括485芯片、光耦、电源隔离变压器、电磁数字信号隔离芯片及外围电路。电源隔离变压器用于实现电源的隔离并为485芯片供电，这里的电源隔离变压器采用B0505S，为一个5V转5V的电源隔离变压器。电磁数字信号隔离芯片用于实现高波特率的信号传输，这里采用ADUM3201，为一种电磁数字信号隔离芯片，与一般的光耦合隔离方式相比，ADUM3201具有更高的可靠性，可以实现更高波特率的信号传输。光耦用于对485芯片的使能端进行隔离，这里的EL357为光耦。其中，VD1二极管为485总线的保护二极管，避免信号收到外界的干扰。该485通信电路的主要作用是将单片机串口输出的TTL信号转换为485信号，可实现较远距离的信号传输，采用半双工的通信方式。

第二电源电路包括：LM2596开关电源芯片及外围电路。具体地，如图5所示，A/D信号采集模块的电源电路采用的是LM2596开关电源芯片，输入电压为DC12V-DC24V，输出电流3A，输出电压DC5V。VD2为防反接二极管，防止电源接反烧坏原件。

本实施例中，A/D信号采集模块工作过程如下：首先进行程序初始化，然后进行采集AD数据，再判断是否询问数据，如是，则发送数据。

如图6所示，本实施例中的第一单片机信号处理电路包括STM32L151C8T6单片机及外围电路。STM32L151C8T6芯片是STM32芯片家族超低功耗系类中的一员。其功能包括：数据处理，定时发送，数据检测报警，状态提示等4大功能，是NB-IOT部分的主要控制单元。其中，MCU_TX2、MCU_RX2为单片机的串口2，负责与BC95-BC芯片之间通信；MCU_TX3、MCU_RX3为单片机的串口3，用于通过485通信模块的接口接收A/D信号采集模块发送出来的数据。PA13、PA14为SWD接口，用于STM单片机程序的调试与烧录。MCU_TX1、MCU_RX1为stm32单片机的串口1，用于和PC机之间的通信与调试以及程序下载。PB8、PB9为MCU和网络状态指示灯，用于只是STM32单片机与BC95-B5芯片的工作状态。

如图1所示，BC95通信电路包括BC95芯片、SIM卡及RF天线，所述BC95芯片用于获取来自第一单片机信号处理电路的信号并控制RF天线向外发送信号，所述BC95芯片通过所述SIM卡接入网络。BC95是一款高性能、低功耗的NB-IoT系列模块，通过NB-IoT无线电通信协议(3GPP Re1-13)，BC95模块可与网络运营商的基础设备建立通信。

具体参考图7所示，BC95芯片的15脚为复位脚，通过开集驱动电路接单片机的PB0口，当PB0为高电平时此时RESET为低电平，延时0.2S左右的时间即可实现模块的复位。VBAT为BC95芯片的电源引脚，电源VBAT电压输入范围为3.1V～4.2V，典型值3.6V。模块在数传工作中，确保电源跌落不低于模块最低工作电压3.1V。为了确保更好的电源供电性能，在靠近模块VBAT输入端并联一个低ESR(ESR＝0.7Ω)的100uF的钽电容，以及100nF、100pF和22pF的滤波电容。芯片的29、30号脚为BC95的主串口与stm32单片机的串口2相连，用于接收stm32发送的数据。主串口可用于AT命令通信和数据传输，波特率为9600bps。它还可用于固件升级，固件升级的波特率为115200bps。该主串口在Active模式，Idle模式和PSM模式下均可工作。BC95芯片的53脚为RF天线接口，RF天线接口阻抗为50Ω。用信号的发送，将最终的数据发送至云端。

芯片的38-42号脚为USIM卡专用引脚与外部USIM卡相连，支持模块访问USIM卡。该USIM接口支持3GPP规范的功能。外部USIM卡通过模块内部的电源供电，仅支持3.0V供电。提供SIM卡识别的功能，与BC-95通信芯片电路合作，实现联网功能。SIM卡电路图如图8所示：VCC为USIM卡供电电源，由BC95芯片的USIM_VDD提供；GND为USIM卡专用地；RST为USIM卡复位脚、CLK为USIM卡时钟引脚、DATA为USIM卡的数据线；分别于BC95芯片的USIM_RST、USIM_CLK、USIM_DATA相连。在模块和外部USIM卡之间需要串联22欧姆的电阻用以抑制杂散EMI，增强ESD防护。在USIM_DATA，USIM_VDD，USIM_CLK和USIM_RST线上并联33pF电容用于滤除射频干扰。

本实施例的485通信模块包括485芯片，485芯片的端口485_A、485_B分别与A/D信号采集模块的对应端口进行通信。参考图9所示，这里采用单一电源+3.3V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平与485电平转换的功能。在本设计中，已达到一连多的目的，并满足较长距离通信的目的。485_A、485_B分别与A/D信号采集模块的485_A、485_B相连。NBiot通信模块为主机，A/D信号采集模块为从机，STM32单片机通过485发送接收指令给A/D信号采集模块，A/D信号采集模块判断是否为本机地址，如果是则发送数据。NBiot通信模块将接收到的数据发送给stm32单片机的串口3。

此外，上述的第一电源电路包括开关电源芯片，输入电压为DC12V-DC24V，输出电压为DC5V、输出电流为1A。参考图10，电源电路采用TD1509P5开关电源芯片，输入电压DC12V-DC24V，输出电压DC5V、电流1A；单片机、485、指示灯电路由XC6206供电，XC6206输入电压DC5V，输出电压DC3.3V、电流300mA。其中，F1为保险丝，D3、D4位防反接二极管，保护电路防止电源接反，D5为续流二极管。VD1、VD2为降压电路，单个二极管压降约0.7V，将5V电源降到3.6V给BC95-B5芯片供电。

本实施例中，NB-IOT通信模块程序运行流程如下：首先进行程序初始化，然后询问采集卡采集数据，再判断采集卡数据是否超限，进而判断是否报警，如超限报警，则数据发送一次定时归0，如未超限报警则进一步判断是否到达预定时限30分钟，如是，则数据发送一次定时归零。其中，程序初始化主要由485通信标准位归0，延时定时器初始化，LED指示灯初始化，串口1(BC95通信串口)初始化，串口2(485通信)初始化，串口3(调试串口)初始化，定时器4初始化，以及BC-95初始化等8部分组成。询问采集卡采集数据时，NB-IOT通信模块通过不同的命令，向采集卡询问数据。判断检测数据是否超限时，通过对采集卡发回数据的计算，判断是否超限；检验部分使用了前一次的检测结果做比较，防止重复报警；判断是否报警时，当时间或者警告标准，其中一个满足时报警。

本实施例中的A/D信号采集模块可以与多个不同或相同的传感器连接，以采集它们的数据，本领域技术人员可根据需要进行改动及扩展使用。本实施例提供的采集卡实现了多用途的物联网通信设备，也实现了低功耗的特性，可用于温湿度采集，气压采集以及其他方面的使用。多达64路的AD检测口，能够实现多组数据同时监测；该采集卡现在其主要运用在轨道交通的气压监测，未来还可以扩展其他的功能，实现同时检测。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，对本实用新型所做的变形或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于NB-iot技术的A/D采集卡，其特征在于，包括NB-iot通信模块及A/D信号采集模块；所述NB-iot通信模块包括：

第一电源电路，用于为NB-iot通信模块的各部分供电；

485通信模块，用于与所述A/D信号采集模块进行通信；

BC95通信电路，用于向外发送采集的数据；

第一单片机信号处理电路，用于接收来自所述485通信模块的信号，并转发给所述BC95通信电路以向外发送采集的数据；

所述A/D信号采集模块包括：

第二电源电路，用于为A/D信号采集模块的各部分供电；

A/D采集电路，包括若干A/D转换电路，用于将不同的传感器输入的模拟量信号转换为数字量信号；

485通信电路，用于将采集的数据传输至所述NB-iot通信模块；

第二单片机信号处理电路，用于处理来自所述A/D采集电路的数字量信号并通过所述485通信电路发送至所述NB-iot通信模块。

2.根据权利要求1所述的基于NB-iot技术的A/D采集卡，其特征在于，所述第二单片机信号处理电路包括STC15W4K32S4单片机及外围电路，其中，MCU_TX、MCU_RX为单片机的串口3，作为通信接口与所述485通信电路相连负责数据的发送与接收，P1口与A/D采集电路相连负责接收A/D采集电路所采集到的信号。

3.根据权利要求1所述的基于NB-iot技术的A/D采集卡，其特征在于，所述A/D采集电路包括模拟开关、A/D转换芯片及外围电路，所述模拟开关用于进行输入信号的通道选择，所述A/D转换芯片的模拟输入端与所述模拟开关的输出端相连，用于获取输入的模拟量信号。

4.根据权利要求1所述的基于NB-iot技术的A/D采集卡，其特征在于，所述485通信电路包括485芯片、光耦、电源隔离变压器、电磁数字信号隔离芯片及外围电路，所述电源隔离变压器用于实现电源的隔离并为所述485芯片供电，所述电磁数字信号隔离芯片用于实现高波特率的信号传输，所述光耦用于对所述485芯片的使能端进行隔离。

5.根据权利要求1所述的基于NB-iot技术的A/D采集卡，其特征在于，所述第二电源电路包括：LM2596开关电源芯片及外围电路。

6.根据权利要求1所述的基于NB-iot技术的A/D采集卡，其特征在于，所述第一单片机信号处理电路包括STM32L151C8T6单片机及外围电路，MCU_TX2、MCU_RX2为单片机的串口2，负责与所述BC95通信电路之间通信；MCU_TX3、MCU_RX3为单片机的串口3，用于通过所述485通信模块接收所述A/D信号采集模块发送出来的数据。

7.根据权利要求1所述的基于NB-iot技术的A/D采集卡，其特征在于，所述BC95通信电路包括BC95芯片、SIM卡及RF天线，所述BC95芯片用于获取来自所述第一单片机信号处理电路的信号并控制所述RF天线向外发送信号，所述BC95芯片通过所述SIM卡接入网络。

8.根据权利要求1所述的基于NB-iot技术的A/D采集卡，其特征在于，所述485通信模块包括485芯片，所述485芯片的端口485A、485B分别与所述A/D信号采集模块的对应端口进行通信。

9.根据权利要求1所述的基于NB-iot技术的A/D采集卡，其特征在于，所述第一电源电路包括开关电源芯片，输入电压为DC12V-DC24V，输出电压为DC5V、输出电流为1A。