CN212259345U

CN212259345U - 一种基于5g技术的物联网智能采集网关

Info

Publication number: CN212259345U
Application number: CN202021227829.2U
Authority: CN
Inventors: 陈洪军
Original assignee: Chengdu Ditoo Information Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Ditoo Information Technology Co ltd
Priority date: 2020-06-29
Filing date: 2020-06-29
Publication date: 2020-12-29
Anticipated expiration: 2030-06-29

Abstract

本实用新型提出了一种基于5G技术的物联网智能采集网关，与多个传感器、物联网云平台、手机APP、调节执行器连接，所述物联网智能采集网关包括数据采集子站、终端控制显示模块、指令执行模块、通讯模块、无线终端DTU；本实用新型通过与5G传输模块和通讯模块，实现了数据采集后应用5G技术实现云端控制的同时，结合通讯传输子单元实现本地终端的数据采集传输与控制。

Description

一种基于5G技术的物联网智能采集网关

技术领域

本实用新型属于数据采集领域，具体地说，涉及一种基于5G技术的物联网智能采集网关。

背景技术

智能网关，也叫工业物联网智能网关、无线数据采集网关、通讯采集网关，无线网关，工业通讯网关，无线传感管理主机，工业以太网串口智能网关，RS485串口Modbus RTU智能网关，属于无线传感器网络产品。

智能网关适用于水、气、汽管网监测；EMS（能源管理系统）信号采集、传输；市政供、排水管网、管沟监测；地下管廊环境监测。生产制造、加工企业生产过程信号采集、数据传输；MES(制造执行系统)信号采集、数据传输；危化场所环境监测。大气环境监测信号采集、数据传输；农业大棚环境监测信号采集、数据传输；养殖环境监测信号采集、数据传输；医药、食品仓储环境监测信号采集、数据传输。

第五代移动通信技术（5th generation mobile networks或5th generationwireless systems、5th-Generation，简称5G）是最新一代蜂窝移动通信技术，是4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统后的延伸。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。基于5G技术的发展，在物联网领域，针对5G技术进行数据的采集与传输也是发展的趋势。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术在5G领域应用的不足，提出了一种基于5G技术的物联网智能采集网关，通过与5G传输模块和通讯模块，实现了数据采集后应用5G技术实现云端控制的同时，结合通讯传输子单元实现本地终端的数据采集传输与控制。

本实用新型具体实现内容如下：

本实用新型提出了一种基于5G技术的物联网智能采集网关，与多个传感器、物联网云平台、手机APP、调节执行器连接，所述物联网智能采集网关包括数据采集子站、终端控制显示模块、指令执行模块、通讯模块、无线终端DTU；

所述通讯模块包括第一通讯传输子单元、第二通讯传输子单元、第三通讯传输子单元、通讯传输路由节点；

所述数据采集子站包括连接有第一通讯传输子单元的物联网数据采集模块、与物联网数据采集模块连接的5G传输模块；所述物联网数据采集模块与多个传感器连接；

所述终端控制显示模块与第二通讯传输子单元连接；所述指令执行模块与第三通讯传输子单元连接；

所述第一通讯传输子单元与第二通讯传输子单元通讯连接；

所述5G传输模块依次与物联网云平台、手机APP、无线终端DTU连接；

所述通讯传输路由节点分别与物联网云平台、无线终端DTU、终端控制显示模块、第三通讯传输子单元连接；

所述指令执行模块与调节执行器连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述第一通讯传输子单元、第二通讯传输子单元、第三通讯传输子单元结构一致，都包括第一主控芯片STM32F103RCT6、JTAG调试接口、启动端选择接口、LED指示模块、基于SX1278芯片的LoRa模块；所述JTAG调试接口、启动端选择接口、LED指示模块都与第一主控芯片STM32F103RCT6连接，所述LoRa模块包括射频电路以及与射频电路连接的复位时钟电路、外部接口电路、射频供电电源电路；所述LoRa模块通过外部接口电路与第一主控芯片STM32F103RCT6连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述与物联网数据采集模块连接的第一通讯传输子单元还包括第一RS232接口电路、RS232预留接口电路；所述LED指示模块、RS232接口电路、RS232预留接口电路与第一通讯传输子单元的第一主控芯片STM32F103RCT6连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述终端控制显示模块包括液晶屏显示器、熄屏熄屏开关；所述液晶屏显示器、熄屏熄屏开关和第二通讯传输子单元的第一主控芯片STM32F103RCT6连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述物联网数据采集模块包括数据采集主控电路、数据采集SD卡存储电路、JTAG调试电路、第二RS485接口电路、第二RS232接口电路、数据采集电路；

所述数据采集主控电路包括第二主控芯片STM32F103RCT6以及与第二主控芯片STM32F103RCT6连接的晶体振荡电路、滤波电路、按键复位电路、纽扣电池备用电源电路、BOOT启动方式选择电路；

所述数据采集SD卡存储电路、JTAG调试电路、第二RS485接口电路、第二RS232接口电路、数据采集电路都与第二主控芯片STM32F103RCT6连接，且所述第二RS485接口电路与所述5G传输模块连接；所述第二RS232接口电路与第一RS232接口电路连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述数据采集电路包括采集芯片SP3485、挂载在采集芯片SP3485的8路RS485接口、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电容C25；

所述8路RS485接口的1号接线端都与采集芯片SP3485的6号A接线端连接；所述8路RS485接口的2号接线端都与采集芯片SP3485的7号接线端连接；所述8路RS485接口的3号接线端都连接12V的电源；所述8路RS485接口的4号接线端都接地；

所述电阻R23连接在采集芯片SP3485的6号A接线端和采集芯片SP3485的7号B接线端之间；所述电阻R22连接在采集芯片SP3485的6号A接线端和采集芯片SP3485的8号VCC接线端之间；所述电阻接地后与采集芯片SP3485的7号B接线端连接；所述电容C25接地后与采集芯片SP3485的8号VCC接线端连接；

所述采集芯片SP3485的4号DI接线端与第二主控芯片STM32F103RCT6的16号TX2接线端连接；采集芯片SP3485的2号RE接线端和3号DE接线端与第二主控芯片STM32F103RCT6的33号RS485_RE4接线端连接；采集芯片SP3485的1号RO接线端与第二主控芯片STM32F103RCT6的17号RX2接线端连接；

所述8路RS485接口分别与各种传感器连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述物联网数据采集模块还包括数据采集主控电源电路；所述数据采集主控电源电路为由芯片LM2596构成的供电电源电路，分别与物联网数据采集模块中各模块的电源输入接口端连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述5G传输模块包括5G传输处理电路、以及与5G传输处理单元连接的5G通信电路和第一RS485接口电路；

所述5G传输处理电路包括第三主控芯片STM32F103RCT6以及与第三主控芯片STM32F103RCT6连接的晶体振荡电路、滤波电路、按键复位电路、纽扣电池备用电源电路、BOOT启动方式选择电路；

所述5G通信电路包括5G通讯芯片Sierra MC7455 CAT6 5G，以及与5G通讯芯片Sierra MC7455 CAT6 5G连接的5G主/辅天线接口、USIM卡接口电路、电平转换电路、USB通信接口供电电路、电源转换处理电路、核心外围电路、网络状态指示LED电路、GPS天线接口；

所述5G通讯芯片Sierra MC7455 CAT6 5G与第三主控芯片STM32F103RCT6通过USART接口连接；

所述5G通讯芯片Sierra MC7455 CAT6 5G与物联网云平台通过EDP协议连接；

所述第一RS485接口电路与第二RS485接口电路连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述5G传输处理电路还包括USB下载电路、JTAG测试接口、预留SPI接口、触摸屏接口；所述USB下载电路、JTAG测试接口、预留SPI接口、触摸屏接口分别与第三主控芯片STM32F103RCT6连接。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述物联网云平台与手机APP通过Http协议进行通讯连接。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

（1）采用5G传输模块，实现了更快速的数据传输；

（2）适应各种场景的传感器采集，根据应用场景不同选择不同的传感器；

（3）实现本地和云端的多端控制。

附图说明

图1为本实用新型整体模块结构连接示意图；

图2为本实用新型LoRa模块的SX1278芯片部分电路图；

图3为本实用新型LoRa模块中与SX1278芯片连接的射频收发部分电路图；

图4为本实用新型LoRa模块的通信接口电路示意图；

图5为本实用新型中使用到的STM32F103RCT6芯片最小系统构成的电路示意图；

图6为本实用新型数据采集电路示意图；

图7为本实用新型数据采集主控电源电路示意图；

图8为本实用新型数据采集SD卡存储电路示意图；

图9为本实用新型使用到的JTAG调试电路示意图；

图10为本实用新型中使用到的RS232接口电路示意图；

图11为本实用新型中使用到的RS485接口电路示意图；

图12为本实用新型液晶屏显示器电路示意图；

图13为本实用新型液晶屏显示器的驱动电路示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例1：

本实用新型提出了一种基于5G技术的物联网智能采集网关，如图1所示，与多个传感器、物联网云平台、手机APP、调节执行器连接，所述物联网智能采集网关包括数据采集子站、终端控制显示模块、指令执行模块、通讯模块、无线终端DTU；

所述第一通讯传输子单元与第二通讯传输子单元通讯连接；

所述指令执行模块与调节执行器连接。

工作原理：物联网数据采集模块与多个采集信号的传感器连接，并通过通讯传输子单元与终端控制显示模块建立连接进行显示，并实现本地的控制显示，同时物联网数据采集模块还通过5G传输模块将数据信息传输给物联网云平台，进行网络数据传输，同时物联网云平台还与用户的手机APP连接，由手机APP通过无线终端DTU将控制指令传输给路由节点，通讯传输路由节点可以接收来自物联网云平台、终端控制显示模块和无线终端DTU发送来的控制指令，并将控制指令通过与指令执行模块连接的通讯传输子单元发送至指令执行模块，指令执行模块根据接收到的指令控制调节执行器对需要调节的参数进行调节。根据应用的场景不同，多种传感器的选择不同，且调节执行器的选择也不同。所述调节执行器未在图1中示出。

实施例2：

本实用新型在上述实施例1的基础上，如图2、图3、图4、图5、图12、图13所示，为了更好地实现本发明，进一步地，所述第一通讯传输子单元、第二通讯传输子单元、第三通讯传输子单元结构一致，都包括第一主控芯片STM32F103RCT6、JTAG调试接口、启动端选择接口、LED指示模块、基于SX1278芯片的LoRa模块；所述JTAG调试接口、启动端选择接口、LED指示模块都与第一主控芯片STM32F103RCT6连接，所述LoRa模块包括射频电路以及与射频电路连接的复位时钟电路、外部接口电路、射频供电电源电路；所述LoRa模块通过外部接口电路与第一主控芯片STM32F103RCT6连接。

所述与物联网数据采集模块连接的第一通讯传输子单元还包括第一RS232接口电路、RS232预留接口电路；所述LED指示模块、RS232接口电路、RS232预留接口电路与第一通讯传输子单元的第一主控芯片STM32F103RCT6连接。

所述终端控制显示模块包括液晶屏显示器、熄屏熄屏开关；所述液晶屏显示器、熄屏熄屏开关和第二通讯传输子单元的第一主控芯片STM32F103RCT6连接，液晶屏显示器的电路示意图如图12所示，其驱动电路如图13所示。

工作原理：在LoRa模块方面使用的是标准的LoRa调制核心电路，如图2、图3、图4所示，除了未示出的供电电源电路外，LoRa调制核心电路还包括复位时钟电路、射频电路、外部接口电路，其中图3的电感L2的输入端与SX1278芯片的27号PA_BOOST接线端连接，电感L3的输入端与SX1278芯片的28号RFO_LF接线端连接；电感L1不与电容C29电容C28连接的一端与接地并联的电容C35、电容C7、电容C8连接；电感L12、电感L13的输入端与SX1278芯片的1号RFI_LF接线端连接；

在射频电路部分，采用射频开关PE4259来控制收发，将支路分开。发射端，用电感电容组成的匹配电路加一个声表面滤波器，中心频率为433.92MHz，然后再进入射频开关；接收端直接用电感电容匹配电路，且添加隔直电容。射频开关后端还加了一个3阶的π型滤波器，有助于去除发射的2次谐波、3次谐波和杂散，并且同时滤除接收的干扰信号。SX1278芯片的MISO、MOSI、SCK、NSS管脚为SPI接口的4条通信线，第一主控芯片STM32F103RCT6通过SPI接口与射频IC通信，可实现对其通信参数、读写FIFO以及相关寄存器进行配置。DIO0-DIO5为6组数字I0，当有异步事件发生时，通过各IO数据线对第一主控芯片STM32F103RCT6进行中断。器件的复位引脚NRESET直接用第一主控芯片STM32F103RCT6的IO口来控制，低电平有效。晶体振荡电路采用32MHz工业级无源晶振。考虑到模块的发射效率，依据行业标准，在进行PCB设计时设置了502的阻抗匹配。

终端驱动通过第一主控芯片STM32F103RCT6读写SX1278的寄存器，即可实现射频的收发功能。第一主控芯片STM32F103RCT6与射频IC的接线方式简单，仅仅需要将其SPI接口和DIOO~DIO5中断信号线与第一主控芯片STM32F103RCT6连接即可。为了在后续使用过程中能够方便对LoRa模块进行参数配置，在设计时直接将MCU与射频IC进行了模块化集成，预留出MCU的USART串口，进而实现对SX1278的参数设置以及数据的收发。LoRa模块的通信接口电路如图4所示。

终端控制显示模块与物联网数据采集模块各自连接有一个通讯传输子单元，两个通讯传输子单元之间通过各自的LoRa模块建立连接，终端控制显示模块与通讯传输子单元连接的主控芯片连接，并使用通讯传输子单元的主控芯片与通讯传输路由节点建立连接；而物联网数据采集模块通过RS232接口与通讯传输子单元建立连接。

本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实用新型在上述实施例1-2任一项的基础上，如图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11所示，所述物联网数据采集模块包括数据采集主控电路、数据采集SD卡存储电路、JTAG调试电路、第二RS485接口电路、第二RS232接口电路、数据采集电路；

所述8路RS485接口分别与各种传感器连接；

所述数据采集主控电源电路为由芯片LM2596构成的供电电源电路，分别与物联网数据采集模块中各模块的电源输入接口端连接。

工作原理：物联网数据采集模块通过RS485接口与5G传输模块建立数据网路传输连接；如图5所示，主控芯片STM32F103RCT6的最小系统主要由晶体振荡电路、滤波电路、按键复位电路、纽扣电池备用电源电路、BOOT启动方式选择电路构成。其中，两个22pF电容C8、C9与8MHz晶振Y2，构成外部高速时钟，通过MCU内部的PLL锁相环倍频作用，即可得到最大72MHz的时钟频率，选取1MQ电容R5，并在晶振两端用于增益裕量。电容C5、C6与32.768KHz的晶振Y1构成外部低速时钟，主要用于RTC时钟源。BOOT主要是用于启动模式的选择，目前支持主闪存存储器、系统存储器、内置SRAM这三种启动方式。通过跳线帽操作BOOTO与BOOT1引脚的电平变化实现启动模式选择，默认情况下这两个引脚均设置为低电平，也就是从主闪存存储器启动。

MCU的VCC和GND的电源输入管脚均加入了0.1uF的电容C1、C14、C15、C17，对电压波纹进行滤除。1N4148高速开关二极管D1、D2与电容C2构成了纽扣电池电路，主要用于RTC实时时钟的供电，1N4148起到了单向导通隔离的作用。电阻R10、电容C16以及按键RESRT1组成了STM32的按键复位电路，主要用于系统上电复位以及宕机状态下的手动复位。

而与传感器连接的数据采集电路采用符合RS485串行协议的SP3485芯片，通过8路RS485接口挂载到SP3485的非逆变驱动器输入或输出A端口以及SP3485的逆变驱动器输入或输出B端口，实现数据采集的多通道设计。

本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。

实施例4：

本实用新型在上述实施例1-3任一项的基础上，为了更好地实现本实用新型，进一步地，所述5G传输模块包括5G传输处理电路、以及与5G传输处理单元连接的5G通信电路和第一RS485接口电路；

所述5G传输处理电路包括第三主控芯片STM32F103RCT6以及与第三主控芯片STM32F103RCT6连接的晶体振荡电路、滤波电路、按键复位电路、纽扣电池备用电源电路、BOOT启动方式选择电路、USB下载电路、JTAG测试接口、预留SPI接口、触摸屏接口；

所述第一RS485接口电路与第二RS485接口电路连接。

本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于5G技术的物联网智能采集网关，与多个传感器、物联网云平台、手机APP、调节执行器连接，其特征在于，包括数据采集子站、终端控制显示模块、指令执行模块、通讯模块、无线终端DTU；

所述第一通讯传输子单元与第二通讯传输子单元通讯连接；

所述指令执行模块与调节执行器连接。

2.如权利要求1所述的一种基于5G技术的物联网智能采集网关，其特征在于，所述第一通讯传输子单元、第二通讯传输子单元、第三通讯传输子单元结构一致，都包括第一主控芯片STM32F103RCT6、JTAG调试接口、启动端选择接口、LED指示模块、基于SX1278芯片的LoRa模块；所述JTAG调试接口、启动端选择接口、LED指示模块都与第一主控芯片STM32F103RCT6连接，所述LoRa模块包括射频电路以及与射频电路连接的复位时钟电路、外部接口电路、射频供电电源电路；所述LoRa模块通过外部接口电路与第一主控芯片STM32F103RCT6连接。

3.如权利要求2所述的一种基于5G技术的物联网智能采集网关，其特征在于，所述与物联网数据采集模块连接的第一通讯传输子单元还包括第一RS232接口电路、RS232预留接口电路；所述LED指示模块、RS232接口电路、RS232预留接口电路与第一通讯传输子单元的第一主控芯片STM32F103RCT6连接。

4.如权利要求3所述的一种基于5G技术的物联网智能采集网关，其特征在于，所述终端控制显示模块包括液晶屏显示器、熄屏熄屏开关；所述液晶屏显示器、熄屏熄屏开关和第二通讯传输子单元的第一主控芯片STM32F103RCT6连接。

5.如权利要求3所述的一种基于5G技术的物联网智能采集网关，其特征在于，所述物联网数据采集模块包括数据采集主控电路、数据采集SD卡存储电路、JTAG调试电路、第二RS485接口电路、第二RS232接口电路、数据采集电路；

6.如权利要求5所述的一种基于5G技术的物联网智能采集网关，其特征在于，所述数据采集电路包括采集芯片SP3485、挂载在采集芯片SP3485的8路RS485接口、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电容C25；

所述8路RS485接口分别与传感器连接。

7.如权利要求6所述的一种基于5G技术的物联网智能采集网关，其特征在于，所述物联网数据采集模块还包括数据采集主控电源电路；所述数据采集主控电源电路为由芯片LM2596构成的供电电源电路，分别与物联网数据采集模块中各模块的电源输入接口端连接。

8.如权利要求7所述的一种基于5G技术的物联网智能采集网关，其特征在于，所述5G传输模块包括5G传输处理电路、以及与5G传输处理单元连接的5G通信电路和第一RS485接口电路；

所述5G通信电路包括5G通讯芯片Sierra MC7455 CAT6 5G，以及与5G通讯芯片SierraMC7455 CAT6 5G连接的5G主/辅天线接口、USIM卡接口电路、电平转换电路、USB通信接口供电电路、电源转换处理电路、核心外围电路、网络状态指示LED电路、GPS天线接口；

所述第一RS485接口电路与第二RS485接口电路连接。

9.如权利要求8所述的一种基于5G技术的物联网智能采集网关，其特征在于，所述5G传输处理电路还包括USB下载电路、JTAG测试接口、预留SPI接口、触摸屏接口；所述USB下载电路、JTAG测试接口、预留SPI接口、触摸屏接口分别与第三主控芯片STM32F103RCT6连接。

10.如权利要求1所述的一种基于5G技术的物联网智能采集网关，其特征在于，所述物联网云平台与手机APP通过Http协议进行通讯连接。