CN211824531U - 一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪 - Google Patents

Abstract

一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪，包括电源模块、微处理器模块、起振模块、拾振模块、窄带物联网通讯模块、选通开关、显示屏、按键和多路传感器，其中：电源模块由锂电池配合缓冲电容组成，可适用于板上不同电流的使用需求；窄带物联网通讯模块由通讯芯片及SIM卡组成，用于传输数据及控制指令，起振模块用于接收微处理器模块产生的方波信号，并经由光耦将方波电压幅值升高，再经由选通开关选择的多路传感器中的一路振弦式传感器接入而其他传感器保持断开状态。因采用了窄带物联网通讯模块，可实时的传输数据及控制指令；精简的电路优化以及多通道复用的设计可以完成多传感器数据采集的任务。

Description

一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪

技术领域

本实用新型涉及振弦式数据采集仪技术领域，具体涉及一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪。

背景技术

振弦式传感器以紧绷的金属弦作为敏感元件，多用于建筑、道路、水利等工程检测领域，可以检测到结构体的微小位移或者形变。

现有的大多数工程由于工期时间长，需要在合适的地点长时间对结构体的健康进行检测。而传统的振弦式传感器采集仪多为单通道采集，对多个传感器同时进行采集时需要布置多台采集仪；传统的振弦式传感器采集仪也并没有考虑低功耗的使用需求，需要定时补充能耗；并且其数据采集分析及参数调整都需要人员现场手动操作，极影响使用体验。

如公开号为CN209280029U的“基于窄带物联网通信的工程结构物监测数据单通道采集系统”，其仅通过CPU模块和窄带物联网即NB-LoT模块自身功耗低的特性来节省功耗；公开号为CN201707028U的实用新型“采用无线传感器网络技术的低功耗振弦式应变采集装置”中，虽然采取了非测量时系统进入休眠模式和SD卡存储数据降低通讯功耗等方法来降低功耗，但在测量模式下并未采取措施降低功耗。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述的技术缺陷，提供了一种适用于窄带物联网的超低功耗多通道振弦式数据采集仪。

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪，包括电源模块、微处理器模块、起振模块和拾振模块，所述微处理器模块与窄带物联网通讯模块信号连接，所述窄带物联网通讯模块用于传输数据及控制指令，所述微处理器模块与起振模块信号连接，所述起振模块与选通开关信号连接，所述选通开关与拾振模块信号连接，所述拾振模块与微处理器模块信号连接；所述起振模块用于接收微处理器模块产生的方波信号，并经由光耦将方波电压幅值升高，再经由选通开关选择的多路传感器中的一路振弦式传感器接入而其他传感器保持断开状态，传感器的返回信号经过拾振模块处理后返回至微处理器模块。

优选地，还包括显示屏和按键，所述显示屏和按键均与微处理器模块信号连接，用于实时显示测频结果、电池电压、通讯状态；所述按键包括开关按键、复位按键、调试用的通道选择按键。

优选地，所述电源模块包括配有缓冲电容的聚合物锂电池和开关MOS管开关。所述起振模块和选通开关通过升压芯片的输出供电，所述微处理器模块、拾振模块和窄带物联网通讯模块通过电源模块直接供电。所述MOS管开关用于控制各个部分电源通断。

优选地，所述微处理器模块包括单片机和外围电路，所述单片机通过外围电路分别与电源模块、微处理器模块、起振模块、拾振模块和窄带物联网通讯模块电性连接，所述单片机内设有非易失性存储器。

优选地，所述起振模块包括升压芯片以及高速光耦芯片，用于直接将单片机的激励信号转化为频率合适的起振信号。

优选地，所述拾振模块包括第一级前端调理及放大电路、第二级带通滤波电路、第三级可调放大电路、第四级波形转换电路；内部仅包含一套信号处理电路，用于对多通道传感器信号进行处理。

优选地，所述窄带物联网通讯模块通过带有电平转换的收发线与单片机连接，用于云端控制，进行数据和指令的实时收发。

优选地，所述选通开关为高速多通道单刀单掷模拟开关。

本实用新型提供了一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪。具备以下有益效果：采用适用于物联网的窄带物联网通讯模块，可以实时的传输数据及控制指令；微处理器模块的平均电流为微安级别，整体软硬件低功耗设计保证使用一节容量为9000mAh的锂电池即可连续工作超过两年；精简的电路优化以及多通道复用的设计可以完成多传感器数据采集的任务。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1 本实用新型的内部连接框图；（图中虚线框表示电源选通模块可以对框内所有模块选通是否供电，以满足特定需求）

图中标号说明：

1、电源模块；2、微处理器模块；3、起振模块；4、拾振模块；5、窄带物联网通讯模块；6、选通开关；7、显示屏；8、按键；9、多路传感器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清晰、完整地描述。

如图1所示，一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪，包括电源模块1、微处理器模块2、起振模块3和拾振模块4，所述微处理器模块2与窄带物联网通讯模块5信号连接，所述窄带物联网通讯模块5用于传输数据及控制指令，所述微处理器模块2与起振模块3信号连接，所述起振模块3与选通开关6信号连接，所述选通开关6与拾振模块4信号连接，所述拾振模块4与微处理器模块2信号连接；所述起振模块3用于接收微处理器模块2产生的方波信号，并经由光耦将方波电压幅值升高，再经由选通开关6选择的多路传感器9中的一路振弦式传感器接入而其他传感器保持断开状态，传感器的返回信号经过拾振模块4处理后返回至微处理器模块2。

在本实施例中，还包括显示屏7和按键8，所述显示屏7用于实时显示测频结果、电池电压、通讯状态，并且在低功耗模式下可完全关闭；所述按键8包括开关按键、复位按键、调试用的通道选择按键。

在本实施例中，所述电源模块1包括配有缓冲电容的聚合物锂电池和开关MOS管开关；所述起振模块3和选通开关6通过升压芯片的输出供电，所述微处理器模块2、拾振模块4和窄带物联网通讯模块5通过电源模块1直接供电；正常测量模式下，MOS管开关用于控制各个部分电源通断，其对每一个部件结构都可以直接选择是否供电，在低功耗待机模式下，切断除单片机外的其他模块电源供给。在本实施例中的电源模块的供电电压为2.0-4.0V，可以直接连接2V至5V的电源使用而无需稳压模块，减少了电压转换带来的能量损耗；在电源模块1中未使用稳压芯片，从而去除了稳压芯片带来的10%-30%的电池能量损耗。

在本实施例中，所述微处理器模块2包括PIC单片机和外围电路，所述单片机通过外围电路分别与电源模块1、微处理器模块2、起振模块3、拾振模块4和窄带物联网通讯模块5电性连接，所述PIC单片机内设有非易失性存储器。其中低功耗单片机可以实现5000条以内的数据存储，本且其中为避免外接晶振需要的额外能耗，单片机自带的快速振荡器，从而休眠时采用单片机自带的低功耗振荡器，降低了采用外部晶振带来的功耗。

在本实施例中，所述起振模块3包括升压芯片以及高速光耦芯片，用于直接将微处理器模块2的激励信号转化为频率合适的起振信号，减少了外部对于信号质量的干扰。

所述拾振模块4包括：第一级前端调理及放大电路，其可选用AD8422；第二级带通滤波电路，可通过电阻电容的选择，设置带通区域约为300Hz到6000Hz；第三级可调放大电路，本申请设计为两级反向放大电路相连，每一级放大10倍，共放大一百倍，两级反向之后，可以保证输出信号仍然是正向且同相位的；第四级波形转换电路，本实施例可选用使用TI公司生产的TLV7031，设置门限为400mV左右，内部自带5mV的滞回区间，可以稳定的将正弦波转换为方波，便于后续单片机对方波的上升沿进行检测，并且由于芯片自带的滞回区间，无需增加电路结构即可实现很好的波形转换，满足整体的精度要求；内部仅包含一套信号处理电路，用于对多通道传感器信号进行处理。可以实现1mV以下信号的精准放大，且由于起振模块3的有效激励，每路传感器一次激励即可以采集多达20组的测量数据，以保证后续数据处理有足够的样本。

并且本申请中的起振模块3及拾振模块4的电路数量仅为一个，并由两对MOS管构成两个模拟开关，分别来控制起振模块3和拾振模块4的电源供给，通过微处理器模块2控制输出到两对MOS管上的电平依次打开起振模块3和拾振模块4，即在起振时关闭拾振模块4，在拾振时关闭起振模块3，达到测量时的功耗最优。

在本实施例中，所述窄带物联网通讯模块5通过带有电平转换的收发线与单片机连接，通过插入的SIM卡接入运营商网络，通过云端可查看数据采集仪发送的信息，并可从云端发送指令给数据采集仪；从而能够实现远程实时上传测频结果或者调整测量数据采集仪的测量参数。本申请中的窄带物联网通讯模块5可选用L620芯片，其电路是按照芯片手册的推荐电路设计的，通过UART或者SPI协议与单片机通讯，以保证其适用于现在流行的物联网架构。

在本实施例中，所述选通开关6为高速多通道单刀单掷模拟开关；可选用选用ADI公司生产的高速思路SPST开关芯片ADG1611或ADG1612，用于选通接入信号处理电路的传感器。由于这些开关具有超低导通电阻特性，对于低导通电阻、低失真性能至关重要的数据采集和增益开关应用堪称理想解决方案；CMOS结构确保功耗极低，因而这些开关非常适合便携式和电池供电仪表；通过设计选通开关6选通各路传感器进行测量，以简化硬件开销。

在使用时，将传感器按通道接入数据采集仪并通过电源模块1接通电源，在本实施例中默认的传感器频率范围是500Hz到5000Hz，可根据实际情况进行调整。先通过微处理器模块2首先检查存储器中有无参考频率，若没有，则进行全过程测频，起始频率为缺省值，否则按参考频率进行测频，起始频率为参考频率。

一次测频过程简述如下：测频开始后，根据起始频率，微处理器模块2控制定时器产生频率可调的方波信号，该信号作为起振模块3光耦的输入，经由光耦将方波电压幅值升高，微处理器模块2同时控制选通开关4，保证指定通道的传感器被接入而其他传感器保持断开状态。当激励一段时间后，开启拾振模块5电源，传感器返回的信号经由拾振模块5处理，具体过程为；信号先经过第一级前端调理和放大，再经过第二级带通滤波，然后经过第三级放大，最后被转换为方波输出给微处理器模块2。微处理器模块2采用等精度测频法原理进行测量，根据使用的时钟频率换算出传感器频率，完成一次频率测量；在一次激振后，微处理器模块2进行多次测量，测量结果均被保存至存储器中，可选择上传所有测量结果或者上传经微处理器模块2内置算法处理后的单个测量结果。测量完成后，微处理器模块2根据通讯协议，将测得的数据和电池电压一起由窄带物联网模块6发送至服务器。

本实用新型可设置为定时自动测量，由单片机内置看门狗定时，到达预设时间后，唤醒微处理器模块2启动测量和通讯程序，其余时间均处于低功耗待机状态。并且本实用新型支持多通道传感器测量，正常测量过程中电流不超过0.1A，功率不超过0.3W，且在完成初次测量后，后续测量过程每路传感器仅需约1秒。发送时虽然峰值电流可达到1A，但持续时间很短。低功耗待机时，整个电流电流在微安级别。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪，其特征在于：包括电源模块（1）、微处理器模块（2）、起振模块（3）和拾振模块（4），所述微处理器模块（2）与窄带物联网通讯模块（5）信号连接，所述窄带物联网通讯模块（5）用于传输数据及控制指令，所述微处理器模块（2）与起振模块（3）信号连接，所述起振模块（3）与选通开关（6）信号连接，所述选通开关（6）与拾振模块（4）信号连接，所述拾振模块（4）与微处理器模块（2）信号连接；

所述起振模块（3）用于接收微处理器模块（2）产生的方波信号，并经由光耦将方波电压幅值升高，再经由选通开关（6）选择的多路传感器（9）中的一路振弦式传感器接入而其他传感器保持断开状态，传感器的返回信号经过拾振模块（4）处理后返回至微处理器模块（2）。

2.根据权利要求1所述的一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪，其特征在于：还包括显示屏（7）和按键（8），所述显示屏（7）和按键（8）均与微处理器模块（2）信号连接，用于实时显示测频结果、电池电压、通讯状态；所述按键（8）包括开关按键、复位按键、调试用的通道选择按键。

3.根据权利要求1所述的一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪，其特征在于：所述电源模块（1）包括配有缓冲电容的聚合物锂电池和开关MOS管开关；所述起振模块（3）和选通开关（6）通过升压芯片的输出供电，所述微处理器模块（2）、拾振模块（4）和窄带物联网通讯模块（5）通过电源模块（1）直接供电；所述MOS管开关用于控制各个部分电源通断。

4.根据权利要求1所述的一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪，其特征在于：所述微处理器模块（2）包括单片机和外围电路，所述单片机通过外围电路分别与电源模块（1）、微处理器模块（2）、起振模块（3）、拾振模块（4）和窄带物联网通讯模块（5）电性连接，所述单片机内设有非易失性存储器。

5.根据权利要求1所述的一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪，其特征在于：所述起振模块（3）包括升压芯片以及高速光耦芯片，用于直接将单片机的激励信号转化为起振信号。

6.根据权利要求1所述的一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪，其特征在于：所述拾振模块（4）包括第一级前端调理及放大电路、第二级带通滤波电路、第三级可调放大电路、第四级波形转换电路；内部仅包含一套信号处理电路，用于对多通道传感器信号进行处理。

7.根据权利要求1所述的一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪，其特征在于：所述窄带物联网通讯模块（5）通过带有电平转换的收发线与单片机连接，用于云端控制，进行数据和指令的实时收发。

8.根据权利要求1所述的一种适用于物联网的振弦式传感器数据采集仪，其特征在于：所述选通开关（6）为高速多通道单刀单掷模拟开关。

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