CN211744737U - 一种基于物联网的多通道农业传感器采集仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于物联网的多通道农业传感器采集仪，包括微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块、数据存储器和电源模块，电源模块中，第一电池通过电源保护模块连接供电模块，供电模块连接采集仪其他各模块；数据收发器具有多个数据接口，数据收发器通过数据接口与各类农业传感器相连接，微处理器模块连接并控制采集仪其他各模块，数据存储器存储有农业传感器的采集数据；微处理器模块通过无线通信模块获取NTP服务器的实时时间，实时时钟模块存储有该实时时间；微处理器模块通过无线通信模块无线连接云服务器和云平台。本实用新型能够可靠地对底层农业传感器数据进行采集和上传显示。

Description

一种基于物联网的多通道农业传感器采集仪

技术领域

本实用新型涉及智能农业技术领域，特别涉及一种基于物联网的多通道农业传感器采集仪。

背景技术

随着物联网的不断发展，人们的工作和生活都发生了翻天覆地的变化，面对农业行业大部分仍未实现智能化的现状，物联网正是带动农业走向自动化、信息化、智能化的关键一环。

现有技术还依旧停留在依靠农民经验来进行土壤状况勘测，人工勘测不仅浪费人力资源而且效率低下。这种人工操作和现场巡检的方式也十分不便，特别是在偏远地区，导致人工成本非常高。因此从长远角度看，减少人工成本实现智能化农业是一个在即将迎来5G大时代背景下的优质选择。

市面上关于智能农业方面的实现实时监控农作物生长信息的产品大体是封装的一体化产品，商家们都将底层传感器(农业传感器)、传感器采集仪、显示网页进行捆绑来整套售卖，产品不够灵活，无法支持二次开发，价格也昂贵。并且对于外界恶劣的环境也没有保护措施，如此一来，也大大增加了智能农业的成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于物联网的多通道农业传感器采集仪，该采集仪能够可靠地对底层农业传感器数据进行采集和上传显示，并且支持二次开发。

本实用新型的目的通过下述技术方案实现：一种基于物联网的多通道农业传感器采集仪，其特征在于，包括：微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块、数据存储器和电源模块，其中，

电源模块具有第一电池、电源保护模块和供电模块，第一电池通过电源保护模块连接供电模块，供电模块连接微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块和数据存储器并为这些模块供电；

数据收发器具有多个不同规格的数据接口，数据收发器通过数据接口与各类农业传感器相连接，微处理器模块连接并控制数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块和数据存储器，数据存储器存储有数据收发器所连接的农业传感器的采集数据；

微处理器模块通过无线通信模块获取NTP服务器的实时时间，实时时钟模块存储有该实时时间以同步本地时间与网络时间；

微处理器模块通过无线通信模块无线连接云服务器和云平台。

优选的，电源模块还具有充电模块，充电模块包括第二电池和充电控制电路，第二电池连接充电控制电路，充电控制电路通过电源保护模块连接供电模块。

更进一步的，充电控制电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、三极管和场效应管，微处理器模块的主控芯片的一个控制引脚通过第一电阻连接三极管的基极，第二电池的正极通过第二电阻连接三极管的集电极和通过第三电阻连接场效应管的源极，三极管的发射极接地，场效应管的栅极连接三极管的集电极，第二电池的负极连接场效应管的漏极和电源保护模块。

更进一步的，微处理器模块采用STM32L4系列芯片作为主控芯片，连接第一电阻的控制引脚为CHARGE_CTL引脚；场效应管采用SM4435芯片；第一电池采用可充电锂电池，第二电池为太阳能电池和/或蓄电池。

更进一步的，电源保护模块包括气体放电管、压敏电阻、TVS二极管、保险丝、共模电感、第一二极管、第二二极管、第一电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和电源开关，其中，

第二电池的负极连接第一二极管的阳极，第一二极管的阴极连接第一电池和气体放电管的一端，气体放电管的其他端接地；气体放电管和压敏电阻并联，压敏电阻的一端连接第一二极管的阴极以及通过第一电感连接TVS二极管的一端，压敏电阻的另一端和TVS二极管的另一端均接地；保险丝一端连接第一电感和TVS二极管，另一端连接电源开关的动端和连接第一电容的一端，第一电容的另一端接地，电源开关的其中一个不动端连接第二二极管的阳极；

共模电感具有位于初级侧的第一接口和第二接口，位于次级侧的第三接口和第四接口，第一接口和第三接口位于同一端，第二接口和第四接口位于相对的另一端，第二二极管的阴极连接第一接口，第三接口和第四接口分别接地，第二接口连接供电模块中的DC/DC降压电路，并且通过串联的第二电容和第三电容接地，第四电容与串联的第二电容和第三电容并联，第四电容一端连接第二电容和供电模块中的DC/DC降压电路，另一端接地。

更进一步的，采集仪还具有保护外壳，微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块、数据存储器和电源模块均安装在保护外壳内，电源开关的操作按键设置在保护外壳表面，数据收发器的各个数据接口显露于保护外壳且通过线缆连接与农业传感器相连接。

更进一步的，电源模块还具有连接电源保护模块和微处理器模块的电源检测模块，电源检测模块由稳压管、第四电阻和第五电阻构成，其中，电源保护模块的电源开关中有连接保险丝的动端通过第四电阻连接并联的第五电阻和稳压管，稳压管的阳极和第五电阻的输出端接地，第四电阻的输出端连接稳压管的阴极，并且第四电阻的输出端和稳压管的阴极均连接微处理器模块中主控芯片的ADC引脚。

优选的，采集仪还具有网络链接状态指示灯、传感器采集状态指示灯、数据发送指示灯，网络链接状态指示灯、传感器采集状态指示灯和数据发送指示灯分别连接微处理器模块，保护外壳上对应设置有三个指示灯安装孔，网络链接状态指示灯、传感器采集状态指示灯和数据发送指示灯分别安装在三个指示灯安装孔并显露在保护外壳表面。

优选的，供电模块具有用于对电源保护电路输出的电压进行初级降压的DC-DC降压电路和用于对初级降压后的电压进行二次降压和稳压的LDO稳压电路，DC-DC降压电路连接电源保护电路和LDO稳压电路，LDO稳压电路连接微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块和数据存储器。

优选的，数据收发器采用ADM3485E芯片；无线通信模块采用NB-IoT模块或者LoRa模块。

本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本实用新型基于物联网的多通道农业传感器采集仪设计了电源保护模块，能够防止外部高压和大电流对采集仪内部各模块的损坏，延长采集仪寿命，提高采集仪工作的可靠性。其数据收发器由于具有多个数据接口，能够实现多通道传感器数据传输，也有利于二次开发使用。微处理器模块能够通过无线通信模块获取NTP服务器的实时时间，并将实时时间存储在实时时钟模块中进行本地时间与网络时间的同步，以此实现定时控制、定时采集和精准控制，并且，还能够通过无线通信模块与云服务器和云平台无线通信，实现底层农业传感器数据的上传显示，有益于拓展采集仪的功能。

(2)本实用新型采集仪具有保护外壳，微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块、数据存储器和电源模块均收容在保护外壳内，因此，保护外壳能够起到防止在暴雨雷电的天气下采集仪进水，避免影响采集仪工作的作用。

(3)本实用新型采集仪采取低功耗设计思路，选择各种类型的低功耗芯片和设计休眠断电机制，以达到采集仪时间续航的目的。

(4)本实用新型采集仪具有充电模块和电源检测模块，充电模块能够保证采集仪在低电量模式下还能可靠地工作，电源检测模块能够检测电池电压，以便及时发现电池已经处于低电量状态，在低电量情况下给予电池充电或者更换电池，也方便在上层通过分析长期的电池电能数据判断出电池所剩的寿命。

附图说明

图1是本实用新型基于物联网的多通道农业传感器采集仪的连接示意图。

图2是图1采集仪中电源模块的示意图。

图3是图2电源模块中充电控制电路的电路图。

图4是图2电源模块中电源保护模块的电路图。

图5是图2电源模块中电源检测模块的电路图。

图6是图1采集仪的工作流程图。

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。

实施例

本实施例公开了一种基于物联网的多通道农业传感器采集仪2，如图1所示，包括：保护外壳、微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块、数据存储器和电源模块，微处理器模块连接并控制数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块、数据存储器和电源模块。微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块、数据存储器和电源模块均安装在保护外壳内。

数据收发器具有多个不同规格的数据接口，各个数据接口显露于保护外壳且可通过线缆与农业传感器1相连接，用于获取多种农业传感器所采集的数据，从而实现多通道传输农业传感器数据。

本实施例的数据收发器采用ADM3485E芯片。ADM3485E是一款RS-485/RS-422芯片，而农业传感器大多为RS-485接口，遵循RS-485的通信标准，因此可以采集大部分传感器的数据。

农业传感器1包括空气类传感器、水产类传感器、土壤类传感器，空气类传感器例如有温度传感器、湿度传感器、光照传感器、大气压传感器、二氧化碳传感器、风速传感器、风向传感器；水产类传感器例如有PH值传感器、水温传感器、溶解氧传感器，土壤类传感器例如有温度传感器、湿度传感器、电导率传感器。根据功能不同，各类传感器放置在不同的地方。

保护外壳的材质可为铝，外形可根据微处理器模块的pcb板形状与数据收发器的数据接口设计，保护外壳能够起到防止在暴雨雷电的天气下采集仪进水，避免影响采集仪工作的作用。

本实施例的微处理器模块采用STM32L4系列芯片作为主控芯片，功耗低且具有休眠断电机制，有利于采集仪的续航使用。

数据存储器存储有数据收发器所连接的农业传感器的采集数据，可在网络信号不好导致通信失败之后网络恢复时，将上传失败的农业传感器数据再次上传。

微处理器模块通过控制无线通信模块采用NTP(网络时间协议)来获取NTP服务器的实时时间，并将实时时间存储在实时时钟模块中，实时时间用于进行本地时间与网络时间的同步。实时时钟模块每隔一段时间，便会重新同步本地时间与网络时间，以保证本地时间的准确性。实时时钟模块可以提供多闹钟功能，闹钟时间到达时产生触发信号来实现定时控制、定时采集和精准控制等。

微处理器模块通过无线通信模块无线连接云服务器和云平台，无线通信模块将底层所采集到的农业传感器数据上传至云服务器3进行保存和上传至云平台4进行显示。本实施例的无线通信模块采用NB-IoT模块或者LoRa模块。NB-IoT模块为优选方案，具有体积较小，功耗低，自带PSM(省电模式)，并且成本低，覆盖范围广度大的优点。LoRa模块作为备选方案，结构简单，数据保密性更优。

本实施例的采集仪应用于物联网云系统之中，当NB-IoT进入IDLE状态可以接收上层数据，根据上层数据的指示确定工作模式，因此可以实现自动控制、定时控制、远程控制等多种模式或多模式的混合控制模式。

在本实施例中，数据收发器可预留空闲数据接口，便于连接其他外部设备，并且采集仪的无线通信功能可以方便后续开发出的相关显示网站或者手机客户端、小程序向采集仪获取相关数据进行处理、远程控制采集仪和远程配置传输数据所用的IP地址，因此本实施例采集仪可以支持二次开发。

如图2所示，电源模块具有第一电池、充电模块、电源保护模块、供电模块和电源检测模块。其中，第一电池和充电模块通过电源保护模块连接供电模块，电源保护模块连接电源检测模块，电源检测模块连接微处理器模块。供电模块连接微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块和数据存储器并为这些模块供电。第一电池采用大容量的可充电锂电池，保证微处理器模块可长时间续航。

其中，充电模块包括第二电池和充电控制电路，第二电池连接充电控制电路，充电控制电路通过电源保护模块连接供电模块，可以防止供电模块在低电量情况下不能为农业传感器供电，实现长时间、不间断的农业传感器数据采集。第二电池为太阳能电池和/或蓄电池。

在本实施例中，可以选择用充满电的蓄电池进行供电，也可以选择在阳光充足的时候，用太阳能电池供电，也可以是选择其中一个电池供电，另一个电池处于充电状态，当供电的电池电量低时，另一个充电的电池即可以继续供电。

如图3所示，充电控制电路包括第一电阻R32、第二电阻R30、第三电阻R29、三极管Q6和场效应管U13，微处理器模块的主控芯片的一个控制引脚CHARGE_CTL通过第一电阻R32连接三极管Q6的基极，第二电池的正极CHA-BAT+通过第二电阻R30连接三极管的集电极和通过第三电阻R29连接场效应管U13的源极，三极管的发射极接地，场效应管的栅极连接三极管的集电极，第二电池的负极CHA-BAT-连接场效应管的漏极和电源保护模块。控制引脚CHARGE_CTL可以用来决定是否充电。本实施例的场效应管采用SM4435芯片。

如图4所示，电源保护模块为基于压敏电阻和气体放电管的单相并联式抗雷击浪涌电路，具体包括气体放电管Z4、压敏电阻R15、TVS二极管Z3、保险丝F1、共模电感FL1、第一二极管D5、第二二极管D6、第一电感L2、第一电容C37、第二电容C34、第三电容C38、第四电容C35和电源开关S7，电源开关的操作按键设置在采集仪的保护外壳表面。

其中，第二电池J3的负极CHA-BAT-连接第一二极管的阳极，第一二极管的阴极连接第一电池J2和气体放电管的一端，气体放电管的其他端接地；气体放电管和压敏电阻并联，压敏电阻的一端连接第一二极管的阴极以及通过第一电感连接TVS二极管的一端，压敏电阻的另一端和TVS二极管的另一端均接地；保险丝一端连接第一电感和TVS二极管，另一端连接电源开关的动端和连接第一电容的一端，第一电容的另一端接地，电源开关的其中一个不动端连接第二二极管的阳极。

共模电感具有位于初级侧的第一接口和第二接口，位于次级侧的第三接口和第四接口，第一接口和第三接口位于同一端，第二接口和第四接口位于相对的另一端，第二二极管的阴极连接第一接口，第三接口和第四接口分别接地，第二接口连接供电模块中的DC/DC降压电路，并且通过串联的第二电容和第三电容接地，第四电容与串联的第二电容和第三电容并联，第四电容一端连接第二电容和供电模块中的DC/DC降压电路，另一端接地。

由于最常见的电子设备危害不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通讯线路中感应的电流浪涌引起的，因此本实施例设置了气体放电管、压敏电阻、TVS二极管、保险丝、共模电感等器件进行防高压和泄流，以保证在户外受到雷击、静电、浪涌电流等时不会损坏采集仪的内部器件。

气体放电管可选用型号3R090A-5S的陶瓷气体放电管，可以防止电压瞬变对元器件带来的损伤。采用压敏电阻并联，可以延长陶瓷气体放电管的使用寿命，在压敏电阻短路失效后与电源供电电路分离，不会引起失火。F1是24V/1.5A的保险丝，可以防止后续电路短路将短路电路断开，达到保护电路的功能。采用了复合对称电路，共模、差模全保护，可以有效地达到防雷击的效果。

供电模块具有DC-DC降压电路和LDO(线性低压差)稳压电路，DC-DC降压电路连接LDO稳压电路，LDO稳压电路连接微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块和数据存储器。电源保护电路连接DC-DC降压电路，并且电源保护电路输出的电压Vin首先经过DC-DC降压电路进行初级降压，再经过稳定高精度的LDO稳压电路进行二次降压和稳压，得到不同等级的电压源，为不同的模块提供不同的电压源。

如图5所示，电源检测模块由3.3V的稳压管D7、第四电阻R37和第五电阻R39构成，用来测量电源电量。本实施例的稳压管采用ISMA5913BT3G稳压二极管。电源保护模块的电源开关中有连接保险丝的动端BA_IN通过第四电阻连接并联的第五电阻和稳压管，第四电阻的输出端连接稳压管的阴极，稳压管的阳极和第五电阻的输出端接地。

第四电阻的输出端和稳压管的阴极连接微处理器模块中主控芯片的ADC引脚ADC_IN1，以此将输出的低电压进行模数转换，得到模拟电压的数字值，因此可以检测电池电压来换算成电池所剩余的电量，以便及时发现电池已经处于低电量状态，在低电量情况下给予电池充电或者更换电池，也可以在上层(云服务器和云平台)通过分析长期的电池电能数据判断出电池所剩的寿命。

在本实施例中，采集仪还具有网络链接状态指示灯、传感器采集状态指示灯、数据发送指示灯，网络链接状态指示灯、传感器采集状态指示灯和数据发送指示灯分别连接微处理器模块，保护外壳上对应设置有三个指示灯安装孔，网络链接状态指示灯、传感器采集状态指示灯和数据发送指示灯分别安装在三个指示灯安装孔并显露在保护外壳表面。网络链接状态指示灯用于显示入网情况，传感器采集状态指示灯用于显示传感器的采集情况，数据发送指示灯用于显示传感器数据的发送情况。入网成功后，网络链接状态指示灯常亮，如若入网失败，网络链接状态指示灯闪烁显示；每采集到一次传感器数据，传感器采集状态指示灯闪烁0.1s；每发送成功一次传感器数据，数据发送指示灯闪烁0.1s。

如图6所示，本实施例多通道农业传感器采集仪的工作过程如下：

采集仪上电启动，开始初始化配置参数，无线通信模块建立网络链接，若建立失败则会重新建立，网络链接建立成功后，实时时钟模块便进行本地时间与网络时间的同步；

完成同步后，微处理器模块定时发送指令来获取农业传感器的当前数据值，在发送传感器数据指令之后，等待传感器的返回；

当接收到传感器返回的十六进制传感器数据之后，对传感器数据进行处理，计算出十进制的数值，并与各部分传感器数据格式进行拼接，拼接完成字符串后，将字符串上传至云服务器和云平台；

若数据上传成功，在无指令操控时，采集仪处于自动控制或空闲状态，在该状态下，微处理器模块和无线通信模块进入休眠或断电模式，以减少能耗；并且，在第一电池电量不足，农业传感器电量低时，通过充电模块来为农业传感器供电。

若数据上传失败，微处理器模块先将当前的传感器数据存储在数据存储器中，然后检查网络的链接情况，依照网络的连接情况来决定是重建网络还是继续上传数据。

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)

1.一种基于物联网的多通道农业传感器采集仪，其特征在于，包括：微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块、数据存储器和电源模块，其中，

电源模块具有第一电池、电源保护模块和供电模块，第一电池通过电源保护模块连接供电模块，供电模块连接微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块和数据存储器并为这些模块供电；

数据收发器具有多个不同规格的数据接口，数据收发器通过数据接口与各类农业传感器相连接，微处理器模块连接并控制数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块和数据存储器，数据存储器存储有数据收发器所连接的农业传感器的采集数据；

微处理器模块通过无线通信模块获取NTP服务器的实时时间，实时时钟模块存储有该实时时间以同步本地时间与网络时间；

微处理器模块通过无线通信模块无线连接云服务器和云平台。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的多通道农业传感器采集仪，其特征在于，电源模块还具有充电模块，充电模块包括第二电池和充电控制电路，第二电池连接充电控制电路，充电控制电路通过电源保护模块连接供电模块。

3.根据权利要求2所述的基于物联网的多通道农业传感器采集仪，其特征在于，充电控制电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、三极管和场效应管，微处理器模块的主控芯片的一个控制引脚通过第一电阻连接三极管的基极，第二电池的正极通过第二电阻连接三极管的集电极和通过第三电阻连接场效应管的源极，三极管的发射极接地，场效应管的栅极连接三极管的集电极，第二电池的负极连接场效应管的漏极和电源保护模块。

4.根据权利要求3所述的基于物联网的多通道农业传感器采集仪，其特征在于，微处理器模块采用STM32L4系列芯片作为主控芯片，连接第一电阻的控制引脚为CHARGE_CTL引脚；场效应管采用SM4435芯片；第一电池采用可充电锂电池，第二电池为太阳能电池和/或蓄电池。

5.根据权利要求2所述的基于物联网的多通道农业传感器采集仪，其特征在于，电源保护模块包括气体放电管、压敏电阻、TVS二极管、保险丝、共模电感、第一二极管、第二二极管、第一电感、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和电源开关，其中，

第二电池的负极连接第一二极管的阳极，第一二极管的阴极连接第一电池和气体放电管的一端，气体放电管的其他端接地；气体放电管和压敏电阻并联，压敏电阻的一端连接第一二极管的阴极以及通过第一电感连接TVS二极管的一端，压敏电阻的另一端和TVS二极管的另一端均接地；保险丝一端连接第一电感和TVS二极管，另一端连接电源开关的动端和连接第一电容的一端，第一电容的另一端接地，电源开关的其中一个不动端连接第二二极管的阳极；

共模电感具有位于初级侧的第一接口和第二接口，位于次级侧的第三接口和第四接口，第一接口和第三接口位于同一端，第二接口和第四接口位于相对的另一端，第二二极管的阴极连接第一接口，第三接口和第四接口分别接地，第二接口连接供电模块中的DC/DC降压电路，并且通过串联的第二电容和第三电容接地，第四电容与串联的第二电容和第三电容并联，第四电容一端连接第二电容和供电模块中的DC/DC降压电路，另一端接地。

6.根据权利要求5所述的基于物联网的多通道农业传感器采集仪，其特征在于，采集仪还具有保护外壳，微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块、数据存储器和电源模块均安装在保护外壳内，电源开关的操作按键设置在保护外壳表面，数据收发器的各个数据接口显露于保护外壳且通过线缆连接与农业传感器相连接。

7.根据权利要求5所述的基于物联网的多通道农业传感器采集仪，其特征在于，电源模块还具有连接电源保护模块和微处理器模块的电源检测模块，电源检测模块由稳压管、第四电阻和第五电阻构成，其中，电源保护模块的电源开关中有连接保险丝的动端通过第四电阻连接并联的第五电阻和稳压管，稳压管的阳极和第五电阻的输出端接地，第四电阻的输出端连接稳压管的阴极，并且第四电阻的输出端和稳压管的阴极均连接微处理器模块中主控芯片的ADC引脚。

8.根据权利要求1所述的基于物联网的多通道农业传感器采集仪，其特征在于，采集仪还具有网络链接状态指示灯、传感器采集状态指示灯、数据发送指示灯，网络链接状态指示灯、传感器采集状态指示灯和数据发送指示灯分别连接微处理器模块，保护外壳上对应设置有三个指示灯安装孔，网络链接状态指示灯、传感器采集状态指示灯和数据发送指示灯分别安装在三个指示灯安装孔并显露在保护外壳表面。

9.根据权利要求1所述的基于物联网的多通道农业传感器采集仪，其特征在于，供电模块具有用于对电源保护电路输出的电压进行初级降压的DC-DC降压电路和用于对初级降压后的电压进行二次降压和稳压的LDO稳压电路，DC-DC降压电路连接电源保护电路和LDO稳压电路，LDO稳压电路连接微处理器模块、数据收发器、无线通信模块、实时时钟模块和数据存储器。

10.根据权利要求1所述的基于物联网的多通道农业传感器采集仪，其特征在于，数据收发器采用ADM3485E芯片；无线通信模块采用NB-IoT模块或者LoRa模块。

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