CN212658963U - 多通道工业设备远程数据采集终端 - Google Patents

多通道工业设备远程数据采集终端 Download PDF

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CN212658963U CN202021807441.XU CN202021807441U CN212658963U CN 212658963 U CN212658963 U CN 212658963U CN 202021807441 U CN202021807441 U CN 202021807441U CN 212658963 U CN212658963 U CN 212658963U
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王显海
王腾
张科新
赵建辉
蔡文博
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Abstract

本实用新型公开了一种多通道工业设备远程数据采集终端，包括，用于对多通道数据采集模块输出的数字量信号进行采样的核心控制模块；用于采集被采集设备多路数字量信号的多通道数据采集模块；用于上传核心控制模块采样的数字量信号以及被采集设备自身信息的4G通信模块；用于存储未上传成功数据的外部存储模块；用于指示采集终端工作状态的工作状态指示模块；以及，用于记录并上传实时时间，数据采集时间和被采集设备断电时间的实时时钟功能模块。本实用新型实现了多通道的数字量信号和工业生产设备的设备通电和断电时间、SIM卡号、设备定位等参数信息的采集和传输，保证了数据传输的可靠性。

Description

多通道工业设备远程数据采集终端
技术领域
本实用新型涉及一种多通道工业设备远程数据采集终端，属于数据采集处理技术领域。
背景技术
随着工业互联网的迅速发展，人类社会进入了工业互联网时代，这将是一个人与人、人与机器、机器与机器全面互联的时代。在全球范围内，仅机器设备将有超过600亿台要接入到工业互联网，而且这些设备的安装环境往往具有复杂性。随着工业采集数据呈现多样化、复杂化、细致化的发展趋势，数据采集面临的突出问题也越来越明显：一是受制于传感器部署不足、装备智能化水平低，工业现场存在数据采集数量不足、类型较少、功能单一、精度不高等问题，无法支撑实时分析、智能优化和科学决策。无论是跨国公司，还是国内平台企业，都把数据采集体系建设作为工业互联网平台建设的基础之一。此外，在智能制造大背景下，无论是大型还是中小型制造企业，为了能以更低成本提高生产率和降低生产成本来提高其竞争力，企业必须提高对自身生产信息的收集和智能分析的效率。但每个企业的生产现场不同，这势必要求信息采集设备能方便地集成或嵌入到企业生产现场中。因此，工业互联网平台应用需要首要解决的问题是工业设备的接入和数据的采集问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种多通道工业设备远程数据采集终端，作为物联网的一个智能终端，集数据采集、存储和通信功能于一体。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：
本实用新型提供一种多通道工业设备远程数据采集终端，包括：
用于对多通道数据采集模块输出的数字量信号进行采样的核心控制模块；
用于采集被采集设备多路数字量信号的多通道数据采集模块；
用于上传核心控制模块采样的数字量信号以及被采集设备自身信息的4G通信模块；
用于存储未上传成功数据的外部存储模块；
用于指示采集终端工作状态的工作状态指示模块；
以及，
用于记录并上传实时时间，数据采集时间和被采集设备断电时间的实时时钟功能模块；
所述多通道数据采集模块，4G通信模块，外部存储模块，工作状态指示模块和实时时钟功能模块均与核心控制模块相连接。
进一步的，所述核心控制模块采用STM32F103RET6芯片。
进一步的，所述4G通信模块采用4G模组Air720G；所述4G模组Air720G以接插件式内置于 STM32F103RET6芯片上；所述4G模组Air720G与STM32F103RET6芯片通过UART连接。
进一步的，所述4G模组Air720G的电源还并联有一个钽电容和三个滤波电容。
进一步的，所述钽电容为100μF，所述三个滤波电容分别为100nF、33pF和10pF。
进一步的，所述多通道数据采集模块由5路数字量输入信号采集电路构成，5路数字量输入信号采集电路的结构相同；
所述数字量输入信号采集电路包括：一个二极管，两个分压电阻，一个光耦，输入端和输出端；
所述数字量输入信号采集电路的输入端并联一个二极管，输出端连接由两个分压电阻构成的分压电路，所述输出端通过光耦连接核心控制模块。
进一步的，所述多通道数据采集模块中，
1路数字量输入信号采集电路的IN2输入端连接被采集设备的待机信号输出端，COM端连接被采集设备的信号电源0V；
1路数字量输入信号采集电路的IN2输入端连接被采集设备的运行信号输出端，COM端连接被采集设备的信号电源0V；
1路数字量输入信号采集电路的IN2输入端连接被采集设备的报警信号输出端，COM端连接被采集设备的信号电源0V；
另外2路数字量输入信号采集电路的IN2输入端分别连接被采集设备动作部件开关的输出侧，COM 端连接被采集设备的信号电源+24VDC。
进一步的，所述二极管采用TVS4；所述光耦采用LTV-814S-TA1。
进一步的，所述外部存储模块采用FLASH芯片W25Q32JVSSIQ；
所述FLASH芯片W25Q32JVSSIQ与核心控制模块STM32F103RET6芯片之间通过SPI总线连接；
所述STM32F103RET6芯片的串行寄存器通过PB12端口与FLASH芯片W25Q32JVSSIQ的#CS端口连接，通过PB15端口与FLASH芯片W25Q32JVSSIQ的SI端口连接。
进一步的，所述工作状态指示模块采用四个LED灯。
本实用新型所达到的有益效果：
本实用新型提供一种基于STM32的多通道工业设备远程数据采集终端，该终端以STM32的增强型 STM32F103处理器构建系统的核心控制电路，实现了5路通道的数字量信号和工业生产设备的设备通电和断电时间、SIM卡号、设备定位等参数信息的采集和传输；该终端采用了4G通信模块和离线数据缓存机制，保证了数据传输的可靠性，数据丢包率低至0.31％；该终端配置严苛的滤波网络，具有良好的过流、过压和输入接反保护的能力。
附图说明
图1为本实用新型的多通道工业设备远程数据采集终端结构示意图；
图2为本实用新型核心控制模块和4G通信模块连接示意图；
图3为4G通信模块射频发射时的电压电流波形图；
图4为本实用新型实施例中4G通信模块的电源滤波网络；
图5为本实用新型实施例中多通道数据采集模块的数字量输入信号采集电路图；
图6为数字量输入信号采集电路采集运行信号连接示例；
图7为数字量输入信号采集电路采集节拍计数信号连接示例；
图8为本实用新型实施例中外部存储模块与核心控制模块连接示例；
图9为本实用新型实施例中工作状态指示模块电路结构。
具体实施方式
下面对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
本实用新型提供一种多通道工业设备远程数据采集终端，可用于工业设备远程监控和维护等应用。该采集终端可与物联网运营平台组成完整的设备数字化远程运维系统，集数据采集、存储和通信功能于一体。
参见图1，本实用新型的多通道工业设备远程数据采集终端，包括核心控制模块、多通道数据采集模块、4G通信模块、外部存储模块、工作状态指示模块和实时时钟(RealTime Clock,RTC)功能模块。
具体的，核心控制模块用于对多通道数据采集模块输出的数字量信号进行采样。
多通道数据采集模块用于采集被采集设备的待机信号、运行信号、报警信号，以及被采集设备的两路节拍计数信号。
4G通信模块用于将核心控制模块采样的数字量信号上传至上位机。
4G通信模块还用于上传被采集设备的其它信息至上位机，例如，设备编号、数据采集的时间点、地理位置、历史状态参数、设备上电信息、异常数据包、最近断电时间信息和SIM卡的集成电路卡识别码 (Integrate Circuit Card Identity，ICCID)卡号。
外部存储模块用于存储4G通信模块未上传成功的数据。
工作状态指示模块用于显示多通道工业设备远程数据采集终端的工作状态。
实时时钟功能模块用于从核心控制模块获取实时时间，数据采集时间和被采集设备断电时间，并上传至上位机。
作为一个优选的实施例，核心控制模块采用意法半导体公司的STM32F103RET6芯片，该芯片采用高性能的32位ARM Cortex-M3内核，通过应用内部锁相环(Phase LockedLoop，PLL)，工作频率最高可达 72MHz，内置512KB的闪存存储器及64KB的SRAM，丰富的存储资源使得该系列的芯片可以基本不用外扩SRAM就能完成普通的应用。该芯片采用2.0～3.6V的低压供电，降低了系统功耗，非常适合工业控制领域的应用。
作为一个优选的实施例，4G通信模块采用合宇通信的4G模组Air720G，以接插件式内置于主板上，保证模组选用的灵活性。Air720G采用LTE 3GPP Rel.9技术，支持最大下行速率150Mbps和最大上行速率 50Mbps，满足本终端的应用需求。Air720G模块能够向下兼容现存的GSM/GPRS网络，以确保在缺乏3G 和4G网络的偏远地区也能正常工作。Air720G内置丰富的网络协议，集成了多个工业标准接口，并支持多种操作系统下的USB驱动和软件功能，极大地拓展了其在数据卡、路由器、安防等M2M(Machine to Machine)领域的应用范围。
4G通信模块与主板(除4G通信模块外的其他所有模块构成)的接口图如图2所示。具体的，4G通信模块与主板通过连接插座JP1的19和20脚进行连接，用于控制4G通信模块的电源和复位；4G通信模块与主板通过连接插座JP2的1和2脚进行连接，用于4G通信模块的唤醒功能；4G通信模块与主板通过连接插座JP1的9和10脚进行连接，用于显示4G通信模块的工作状态，包括4G网络状态、4G通信模块工作状态和4G网络连接状态显示；主板与4G通信模块之间的通过UART进行数据通信。4G通信模块中的核心模组Air720G的供电电压为3.8V，4G通信模块与主板通过连接插座JP2的15脚进行连接，由主板 VCC控制信号控制5V降低得到3.8V的供电电压。
由于Air720G射频发射时会在短时间有一个较大电流的突发脉冲，如图3所示。这可能导致在电流突发脉冲阶段内，引起供电电压的跌落。因此，该模块的电源网络必须具备严苛的滤波网络。基于此，本终端采用的4G模组Air720G的电源VCC_3.8V并联一个低等效串联电阻(Equivalent Series Resistance,ESR) (ESR＝0.7Ω)的100μF的钽电容，以及100nF、33pF、10pF的滤波电容(0603封装)，确保在最大发射功率时大电流下不会产生太大的电压跌落。Air720G 4G通信模块的电源滤波网络如图4所示。
作为一个优选的实施例，多通道数据采集模块由5路数字量输入信号采集电路构成，5路数字量输入信号采集电路的结构相同，分别用于采集被采集设备的待机信号、运行信号、报警信号，以及被采集设备的两路节拍计数信号共5路数字量信号。图5为1路数字量输入信号采集电路图，由一个二极管，两个分压电阻和一个光耦构成。被采集设备的信号通过IN2和COM端输入，并且不需要区分信号电源正负极性，具有良好的过流、过压保护功能。输入端并联一个二极管，采用限压型双向瞬态抑制二极管TVS4，最大可承受的反向电压为36V，响应速度小于1ns，具有很强的防浪涌性能。输出端通过光耦U8连接核心控制模块STM32F103RET6芯片。两个分压电阻为光耦提供合适电压并限流保护光耦，针对工业设备用电24V，选取分压电阻分别为10KΩ和5.1KΩ。
对于用于采集被采集设备待机信号的数字量输入信号采集电路，IN2输入端连接被采集设备的待机信号输出端，COM端连接被采集设备的信号电源0V(COM为共地型)，即可记录被采集设备的待机信号。
对于用于采集被采集设备运行信号的数字量输入信号采集电路，IN2输入端(D12)连接被采集设备的运行信号输出端，COM端连接被采集设备的信号电源0V(COM为共地型)，即可记录被采集设备的运行信号。具体连接方法参考图6。
对于用于采集被采集设备报警信号的数字量输入信号采集电路，IN2输入端连接被采集设备的报警信号输出端，COM端连接被采集设备的信号电源0V(COM为共地型)，即可记录被采集设备的报警信号。
对于用于采集被采集设备两路节拍计数信号的数字量输入信号采集电路，被采集设备动作部件(一般为交流接触器或继电器)有多出的一组开关(没有需添加)，将设备的信号电源0V连接至开关的输入侧，开关的输出侧连接至IN2输入端(D14)，COM端连接被采集设备的信号电源+24VDC(COM为共源型)，即可记录被采集设备的节拍动作次数。具体连接方式参考图7。
本实施例中，光耦U8采用LTV-814S-TA1。
作为一个优选的实施例，外部存储模块选用华邦电子(Winbond)的FLASH芯片W25Q32JVSSIQ，它的容量为32Mb，满足数据包无法上传时将其存入FLASH芯片内的要求，待网络正常后重新传输数据包，为系统数据传输的稳定可靠提供保障。该类芯片提供的灵活性和性能远远超出普通的串行闪存器。该器件工作电压为3.6V，电流消耗低至4mA，能在－40℃～85℃正常工作。芯片支持50MBps的连续数据传输率及超过10万次数据读写操作，数据可保存20年。核心控制模块STM32F103RET6芯片与存储芯片 W25Q32JVSSIQ之间通过SPI总线进行通信。STM32F103的串行寄存器通过PB12端口向W25Q32的#CS 端口送入低电平的芯片片选信号，串行寄存器通过PB15向W25Q32的SI端口写入指令，W25Q32通过 SO端输出相应的数据。W25Q32引脚功能如表1所示，与STM32连接的电路图如图8所示。
表1 W25Q32的引脚列表
Pin 名称 功能
1 #CS 芯片片选信号
2 SO/SIO1 数据输出
3 #WP 写保护
4 GND 接地
5 SI/SIO0 数据输入
6 SCLK 串行时钟输入
7 #HOLD 保持输入
8 VCC 供电电源
作为一个优选的实施例，工作状态指示模块采用四个LED灯，用于显示采集终端的电源和工作是否正常，以及4G通信网络的状态和连接情况。工作状态指示模块的电路如图9所示。采集终端工作正常时 D5常亮，D15闪烁，它由STM32核心控制模块通过SYS_RUN信号进行控制。采集终端工作异常时，D15 常亮或常灭。D16和D17用来反映4G通信网络的状态和连接情况。工作状态指示灯的功能如表2所示。
表2工作状态指示灯的功状态表
Figure DEST_PATH_GDA0002902086100000051
采用本实用新型的数据采集终端安装于客户生产现场进行性能测试，通过web测试网页或设备助手 APP应用，查看终端上传的设备断电时间、SIM卡号、设备定位信息、终端编号、采集时间戳等信息，并对15台生产设备连续测试56小时，总计收集数据包2669包，统计并分析设备状态采集、状态时长统计、数据丢包率等信息。测试结果分析如表3所示，测试结果表明终端工作正常且稳定。
表3生产现场实际测试结果
序号 测试项目 测试结果
1 终端编号上传 正常
2 时间戳上传 正常
3 SIM卡号上传 正常
4 设备断电时间上传 正常
5 设备定位上传 正常
6 设备状态采集 设备状态采集100％准确
7 状态时长统计 时长统计误差0.48％
8 离线数据缓存 设备状态100％准确
9 数据丢包率 0.31％
10 通讯时延 0.44s
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技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.多通道工业设备远程数据采集终端，其特征在于，包括：
用于对多通道数据采集模块输出的数字量信号进行采样的核心控制模块；
用于采集被采集设备多路数字量信号的多通道数据采集模块；
用于上传核心控制模块采样的数字量信号以及被采集设备自身信息的4G通信模块；
用于存储未上传成功数据的外部存储模块；
用于指示采集终端工作状态的工作状态指示模块；
以及，
用于记录并上传实时时间，数据采集时间和被采集设备断电时间的实时时钟功能模块；
所述多通道数据采集模块，4G通信模块，外部存储模块，工作状态指示模块和实时时钟功能模块均与核心控制模块相连接。
2.根据权利要求1所述的多通道工业设备远程数据采集终端，其特征在于，所述核心控制模块采用STM32F103RET6芯片。
3.根据权利要求2所述的多通道工业设备远程数据采集终端，其特征在于，所述4G通信模块采用4G模组Air720G；所述4G模组Air720G以接插件式内置于STM32F103RET6芯片上；所述4G模组Air720G与STM32F103RET6芯片通过UART连接。
4.根据权利要求3所述的多通道工业设备远程数据采集终端，其特征在于，所述4G模组Air720G的电源还并联有一个钽电容和三个滤波电容。
5.根据权利要求4所述的多通道工业设备远程数据采集终端，其特征在于，所述钽电容为100μF，所述三个滤波电容分别为100nF、33pF和10pF。
6.根据权利要求1所述的多通道工业设备远程数据采集终端，其特征在于，所述多通道数据采集模块由5路数字量输入信号采集电路构成，5路数字量输入信号采集电路的结构相同；
所述数字量输入信号采集电路包括：一个二极管，两个分压电阻，一个光耦，输入端和输出端；
所述数字量输入信号采集电路的输入端并联一个二极管，输出端连接由两个分压电阻构成的分压电路，所述输出端通过光耦连接核心控制模块。
7.根据权利要求6所述的多通道工业设备远程数据采集终端，其特征在于，所述多通道数据采集模块中，
1路数字量输入信号采集电路的IN2输入端连接被采集设备的待机信号输出端，COM端连接被采集设备的信号电源0V；
1路数字量输入信号采集电路的IN2输入端连接被采集设备的运行信号输出端，COM端连接被采集设备的信号电源0V；
1路数字量输入信号采集电路的IN2输入端连接被采集设备的报警信号输出端，COM端连接被采集设备的信号电源0V；
另外2路数字量输入信号采集电路的IN2输入端分别连接被采集设备动作部件开关的输出侧，COM端连接被采集设备的信号电源+24VDC。
8.根据权利要求6所述的多通道工业设备远程数据采集终端，其特征在于，所述二极管采用TVS4；所述光耦采用LTV-814S-TA1。
9.根据权利要求2所述的多通道工业设备远程数据采集终端，其特征在于，所述外部存储模块采用FLASH芯片W25Q32JVSSIQ；
所述FLASH芯片W25Q32JVSSIQ与核心控制模块STM32F103RET6芯片之间通过SPI总线连接；
所述STM32F103RET6芯片的串行寄存器通过PB12 端口与FLASH芯片W25Q32JVSSIQ的 #CS端口连接，通过PB15端口与FLASH芯片W25Q32JVSSIQ的SI端口连接。
10.根据权利要求1所述的多通道工业设备远程数据采集终端，其特征在于，所述工作状态指示模块采用四个LED灯。
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CN116311703A (zh) * 2022-12-19 2023-06-23 腾柏新迅(上海)智能科技有限公司 一种智能指示灯装置和控制方法

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