CN210864374U - 一种智能接口单元设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能接口单元设备，包括壳体、PCB板、盖板和紧固螺丝，所述壳体和盖板能够组合形成一个盒状整体，PCB板设置于盒状整体内部，壳体和盖板上设置有与紧固螺丝相适配的孔洞。智能接口单元设备输入接口实现了对前端接入各类气象传感器设备的自适应功能；通过设计建立标准化传感器管理配置库，实现了各种气象传感器简便配置与灵活接入。设备结构采用了独立的模块快插拔式设计等优点。

Description

一种智能接口单元设备

技术领域

本实用新型涉及一种智能接口单元设备。

背景技术

气象数据资料的采集对掌握天气变化有很重要的作用，长期准确的气象资料是研究全球气候变化和生态环境质量的重要保障。随着国内外各传感器技术的发展和成熟，可供选择的传感器日益增多，各种自动气象站、气候站、气象数据采集处理系统等得到了发展。数据采集作为自动气象站的核心，其主要功能是数据采样、数据处理、数据存储及数据传输，它的测量精度、稳定性、可靠性和灵活性直接决定着系统测量性能。随着大气观测自动气象站的改进和提高要求，气象数据采集部分朝着强实时、多要素、高精度方向发展。

目前国内大多采用的数据集成主要存在以下三个问题：一是传感器接口类型多，通信协议规范化难度大。系统采集处理种地面气象要素，涉及的传感器厂商多，需要接入的传感器类型多，涉及的协议包括RS232/485、TTL、modbus、CAN、格雷码、网络等，规范化难度大。二是气象数据种类多，信息集中处理效率低。系统需要接入的传感器类型多，信息量大，时效性要求高，采集周期不一，全部集中到系统数据采集器中，会增加气象数据采集器的工作量，降低信息处理效率；三是传感器配置不灵活，可靠性不高。系统不能满足用户的实际配置需求，不能够根据保障任务，动态调整设备布局和传感器配置；不能能够适应未来技术的发展，现有传感器集成模式，不能实现不同厂家气象传感器的灵活接入。

实用新型内容

为解决现有技术的问题，需要解决传感器变更对数据采集器的数据处理压力，缓解通信链路、供电单元等的冲击，增强多要素气象数据采集的可靠性。

本实用新型提供了，一种智能接口单元设备，包括壳体(1)、PCB板(2)、盖板(3)和紧固螺丝(4)，所述壳体(1)和盖板(3)能够组合形成一个盒状整体，PCB板(2)设置于盒状整体内部，壳体(1)和盖板(3)上设置有与紧固螺丝(4)相适配的孔洞。

所述PCB板(2)上设置有微处理器(5)、数据存储模块(6)、时钟模块(7)、接口保护模块(8)、输入接口(9)、输出接口(10)、供电模块(11)、传感器供电模块(12)、模拟采样模块(13)和数字信号整形模块(14)。

所述输入接口(9)分别与接口保护模块(8)和传感器供电模块(12)相连接，接口保护模块(8)分别与模拟采样模块(13)和数字信号整形模块(14)相连接，数据存储模块(6)、时钟模块(7)、模拟采样模块(13)、数字信号整形模块(14)均与微处理器(5)相连接，输出接口(10)与微处理器(5)相连接，输出接口(10)为外部气象数据采集器提供气象数据，供电模块(11)电源输出为板上所有模块电路提供供电电源。

所述模拟采样模块(13)为4～20mA模拟采样模块。

支持温度、湿度、气压、风速、风向、降水、大气电场、能见度、天气现象和跑道状态等种类的气象传感器根据自身信号输出类型通过输入接口(9)的接线端子正确接入智能接口单元设备，经接口保护模块(8)的防雷、短路、过载多级保护后相对应的进入4～20mA模拟采样模块(13)和数字信号整形模块(14)。

所述传感器供电模块(12)采用DC-DC隔离电源隔离保护设计，单独为气象传感器提供供电电源，气象传感器工作异常时不影响智能接口设备正常工作，微处理器(5)可控制气象传感器供电模块(12)开启/关断，也能够监控接入的气象传感器工作状态。

时钟模块(7)为微处理器(5)提供系统时钟，由微处理器(5)负责采集、处理模拟采样模块(13)和数字信号整形模块(14)及微处理器(5)外设接口等接入的气象传感器数据，并将数据转换成统一通信协议存储至数据存储模块(6)再通过输出接口(10)传输至后端的气象数据采集器；供电模块(11)为智能接口单元设备的各个模块电路提供供电电源。

所述紧固螺丝(4)有四个，分别设置于盖板(3)的四角本系统创新性地提出智能接口单元设备设计，在数据采集和预处理层面进行分布式处理，在气象传感器输出端引接智能接口单元设备对传感器采集的数据预处理，由智能接口单元设备转换为统一接口形式，提供规范统一的通信协议输出格式传输至自动站(地面气象自动观测系统)的气象数据采集器。

智能接口单元设备输入接口丰富实现了对前端接入设备(各类气象传感器)的自适应功能；设计建立标准化传感器管理配置库，通过快捷简单的配置设定，实现了各种气象传感器简便、灵活接入。

智能接口单元设备可以智能识别前端接入的传感器种类并将原始数据转换成系统标准的通信协议。

智能接口单元设备支持集成传感器器差标定，改善了传感器标定的灵活性，方便气象传感器产品的维修与更换。

本发明是在分析气象站、自动气象站、地面气象自动观测系统发展趋势、总结现有气象数据采集系统特点的基础上，前瞻性地提出了一种可应用在各种集成多要素气象观测站点上的传感器自适应、智能化的智能接口单元设备，该设备适合各种气象环境，可以作为通用的气象站采集系统与气象传感器之间的智能转换模块，可大大提供自动气象站数据采集器的可靠性。本发明的智能接口单元设备作为一个分处理设备，能够体现自动气象站系统模块化设计的理念，有利于形成统一行业的标准、接口方式、通讯协议等，这将极大提升我国气象设(装)备的扩充能力及更新换代能力。同时，对设备的器差标定、维护和保障也变得更为简单便捷。

本发明采用分布式处理方式，在智能接口单元和气象数据采集器执行了多级数据质量控制，减少气象数据采集器的数据处理压力，智能接口单元适应不同厂家气象传感器的灵活接入，无论在老旧设备改造升级，还是为了新的气象站研制项目中，都具有潜在的应用前景。本发明在气象站、自动气象站、地面气象自动观测系统中应用方面具有较大的技术优势，顺应了气象数据采集发展的强实时、多要素、高精度趋势。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本实用新型原理图。

图2是本实用新型结构示意图。

图3是本实用新型电路模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

如图1本发明实施的技术方案原理框图所示，在气象传感器和气象数据采集器之间设计了智能接口单元设备。智能接口可以智能识别前端接入的传感器种类或通过配置接入模拟输出方式的气象传感器并将这些传感器原始数据转换成系统标准统一的通信协议传输至系统气象数据采集器，气象数据采集器完成气象数据的接收、处理、存储、上传。

如图2所示，智能接口单元设备结构采用了独立的模块快插拔式设计；模块结构部件包括壳体1、PCB板2、盖板3和紧固螺丝4等组成。

PCB板2上设置有微处理器5、数据存储模块6、时钟模块7、接口保护模块8、输入接口9、输出接口10、供电模块11、传感器供电模块12、4～20mA模拟采样模块13和数字信号整形模块14，如图3所示。

智能接口单元设备负责采集各传感器的测量数据，并传输至气象数据采集器，传感器数据量较大且实时性要求较高。这就要求微处理器具有较高的主频和稳定性，综合以上因素，可采用国产或进口32位GD32E103/STM32F103系列微处理器及与其它高精度ADC采样芯片组合。智能接口单元设备内置的嵌入式软件完成输入端气象传感器数据高速采样，嵌入式软件设计滤波算法模块实现气象传感器数据的初步质量控制，为气象数据采集器集中数据处理运算减轻负荷。

时钟模块采用DS3231高精度实时时钟(RTC)，具有集成的温补晶振(TCXO)和晶体，通过I2C接口与微处理器通讯提供精确外部时钟，RTC能保存秒、分、时、星期、日期、月和年信息。

数据存储模块采用BL24C16A型号EEPROM存储器，存储器与微处理器GD32E103之间通过I2C接口通讯，存储器容量16Kb(2K x 8)，工作电压1.7V～5.5V。

智能接口单元设备输入接口芯片设计采用TP75176、TP3232、TJA1057GT/3三种，能支持RS-485、RS-232、CAN、modbus、TTL等协议的气象传感器接入。

接口保护模块设计采用NSi8142W0隔离芯片、电阻、电容和二极管等器件构成的保护电路。

4～20mA模拟采样模块由150Ω采样电阻和运算放大器组成，将输入的电流信号转换为电压信号再经过高精度ADC模数转换传输至微处理器进行数据处理，该模块电路实现了气象传感器输出类型为模拟信号的输入。

数字信号整形模块由光耦电路、施密特触发器组成，将风传感器等模拟信号波形整形为微处理器能够处理的方波波形，由于施密特触发器具有滞回特性，故该信号整形模块电路抗干扰能力强，工作可靠性高。

智能接口单元设备实现了对前端接入气象传感器设备的自适应和配置接入功能，智能接口单元设备对采集的气象传感器数据预处理并转换为标准统一的通信协议，传输至自动站(地面气象自动观测系统)的气象数据采集器。

智能接口单元设备输入接口实现了对前端接入各类气象传感器设备的自适应功能；通过设计建立标准化传感器管理配置库，实现了各种气象传感器简便配置与灵活接入。

设备结构采用了独立的模块快插拔式设计等优点。

设备可以智能识别前端接入的传感器种类并将原始数据转换成系统标准的通信协议。

设备至少支持温度、湿度、气压、风速、风向、降水、大气电场、能见度、天气现象、跑道状态等气象要素传感器的智能接入。

本实用新型提供了一种智能接口单元设备，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种智能接口单元设备，其特征在于，包括壳体(1)、PCB板(2)、盖板(3)和紧固螺丝(4)，所述壳体(1)和盖板(3)能够组合形成一个盒状整体，PCB板(2)设置于盒状整体内部，壳体(1)和盖板(3)上设置有与紧固螺丝(4)相适配的孔洞。

2.根据权利要求1所述的一种智能接口单元设备，其特征在于，所述PCB板(2)上设置有微处理器(5)、数据存储模块(6)、时钟模块(7)、接口保护模块(8)、输入接口(9)、输出接口(10)、供电模块(11)、传感器供电模块(12)、模拟采样模块(13)和数字信号整形模块(14)；

所述输入接口(9)分别与接口保护模块(8)和传感器供电模块(12)相连接，接口保护模块(8)分别与模拟采样模块(13)和数字信号整形模块(14)相连接，数据存储模块(6)、时钟模块(7)、模拟采样模块(13)、数字信号整形模块(14)均与微处理器(5)相连接，输出接口(10)与微处理器(5)相连接。

3.根据权利要求2所述的一种智能接口单元设备，其特征在于，所述模拟采样模块(13)为4～20mA模拟采样模块。

4.根据权利要求3所述的一种智能接口单元设备，其特征在于，气象传感器根据自身信号输出类型通过输入接口(9)的接线端子正确接入智能接口单元设备，经接口保护模块(8)的防雷、短路、过载多级保护后相对应的进入4～20mA模拟采样模块(13)和数字信号整形模块(14)。

5.根据权利要求4所述的一种智能接口单元设备，其特征在于，所述传感器供电模块(12)采用DC-DC隔离电源隔离保护设计，单独为气象传感器提供供电电源。

6.根据权利要求5所述的一种智能接口单元设备，其特征在于，所述时钟模块(7)为微处理器(5)提供系统时钟，由微处理器(5)负责采集、处理模拟采样模块(13)和数字信号整形模块(14)及微处理器(5)外设接口接入的气象传感器数据，并将数据转换成统一通信协议存储至数据存储模块(6)再通过输出接口(10)传输至后端的气象数据采集器；供电模块(11)为智能接口单元设备的各个模块电路提供供电电源。

7.根据权利要求6所述的一种智能接口单元设备，其特征在于，所述紧固螺丝(4)有四个，分别设置于盖板(3)的四角。

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