CN213211312U - 一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，包括：采集器壳体和核心底板：所述采集器壳体通过螺栓固定设置核心底板，核心底板上安装接口板，接口板上设置有弹片式接线座和RJ45插座；采集器壳体上开有与弹片式接线座和RJ45插座相匹配的槽；采集器壳体侧壁上设置有直流电源插座、状态指示灯、SD卡槽、复位按键孔、拨码开关、RS232接口、USB接口、以太网接口、SIM卡槽、4G天线座、GPS天线座、WIFI天线座、LORA天线座、蓝牙天线座。便于采集器进行正常工作。

Description

一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器

技术领域

本实用新型涉及数据采集技术领域，具体涉及一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器。

背景技术

随着工业自动化水平的提高，数据采集的过程往往与工业控制环节联系在一起，形成一套完整的数据采集监控系统。很多业务部门如环保、气象、电力,工业自动化等行业以及科学研究领域如军事、海洋、水文和生态等，往往有大量分布广泛的现场数据需要被远程自动采集、存储和传输。基于物联网的传感测控网络日益普及，其关键环节在于数据获取和传输，正是通过数据采集器终端将海量环境数据汇聚起来并上传到网络，如表征各种物理信息的模拟电流电压信号，数字量信号，图像文件信息等，供后续数据分析、设备控制。而目前物联网数据采集器大多都针对某一具体领域或特定功能需求场景，实现特定的数据采集控制功能，如大范围地域水文监测与治理，农林生态监测，地质地理监测，管道线路监测、道路交通实时监测及能耗设备监测等采集控制器。针对某一特定领域或应用场景的数据采集器往往传感器硬件接口或软件协议固定，联网或组网方式单一，不能兼容或快速便捷的拓展应用到其他领域或场景，因此，部分厂商也尝试开发多功能通用数据采集器，比如有的增加传感器接口及通信协议，有的增加接入网通信方式，有的重点考虑低功耗应用等，一定程度上拓宽了采集器的应用范围，可在增加传感器接口和接入网方式的情况下又能实现低功耗功能的并未看到，能真正满足目前工控领域大部分场合和功能需求数据采集与监控的数据采集控制器在市场上尚不多见，因此一种能适用于大多数物联网监测控制场景和领域需求的通用低功耗物联网数据采集控制器具有很好的应用价值和市场前景。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，集成众多的标准传感器硬件接口和软件协议，如UART、RS485、RS232、CAN、SDI-12、脉冲、开关量等数字信号接口、0-5V电压/4-20mA电流模拟信号、RJ45网口等，支持以太网、WIFI、4G/3G等多种有线或无线接入网方式，在无网络信号覆盖的偏远区域，支持LORA私有网络长距离组网通信,同时采用低功耗设计，在无市电环境下支持锂电池长时间待机工作。

为解决上述的技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，包括：采集器壳体和核心底板：

所述采集器壳体通过螺栓固定设置核心底板，核心底板上安装接口板，接口板上设置有弹片式接线座和RJ45插座；

采集器壳体上开有与弹片式接线座和RJ45插座相匹配的槽；

采集器壳体侧壁上设置有直流电源插座、状态指示灯、SD卡槽、复位按键孔、拨码开关、RS232接口、USB接口、以太网接口、SIM卡槽、4G天线座、GPS天线座、WIFI天线座、LORA天线座、蓝牙天线座。

进一步的；所述核心底板包括低功耗电源管理转换电路、主控MCU、最小系统功能电路、数据采集控制接口驱动电路、SPI Flash和SD卡数据存储电路、数据及图像信号上传电路、LORA模块、调试接口电路和模式选择拨码开关电路；

主控MCU分别与低功耗电源管理转换电路、最小系统功能电路、数据采集控制接口驱动电路、SPI Flash和SD卡数据存储电路、数据及图像信号上传电路、无线LORA收发模块电路、调试接口电路和模式选择拨码开关电路连接。

进一步的；所述最小系统功能电路包括晶振、复位电路、SWD下载接口。

进一步的；所述低功耗电源管理转换电路与弹片式接线座、RJ45插座、直流电源插座、状态指示灯、SD卡槽、复位按键孔、拨码开关、RS232接口、USB接口、以太网接口、SIM卡槽、4G天线座、GPS天线座、WIFI天线座、LORA天线座、蓝牙天线座连接。

进一步的；所述数据采集控制接口驱动电路包括模拟量调理隔离电路、RS232接口收发电路、RS485接口收发电路、SDI-12接口收发电路、CAN接口收发电路、脉冲信号输入隔离电路、数字量输入隔离电路、数字量输出驱动电流、TCP/IP硬件协议栈电路和多端口网络交换机电路；

TCP/IP硬件协议栈电路与RJ45插座连接，RS485接口收发电路、SDI-12接口收发电路、模拟量调理隔离电路、数字量输入隔离电路、数字量输出驱动电流均与通用传感器接口板连接，通用传感器接口板设置在核心底板上。

进一步的；所述接口板上的弹片式接线座与核心底板上的数据采集控制接口驱动电路通过板间接插件连接。

进一步的；所述数据及图像信号上传电路包括4G模块、WIFI模块和以太网接口模块。

进一步的；所述调试接口电路包括RS232接口、蓝牙模块和USB三种。

进一步的；所述模式选择拨码开关电路与拨码开关连接；SPI Flash和SD卡数据存储电路包括SPI Flash、SD卡，SD卡设置在SD卡槽内。

进一步的；所述核心底板内设置有纽扣电池。

与现有技术相比，本实用新型的至少具有以下有益效果之一：

1、多种多样的接入网及组网方式，有线或无线，可通过公有网络或私有网络组网。接入网方式包括以太网、无线WIFI和4G，适用于公有网覆盖场景应用，室内或短距离通信可通过以太网或无线WIFI方式，室外或大面积应用场景可通过4G入网；在公有网未覆盖区域也可通过WIFI和LORA自组网络，短距离可通过WIFI局域网，长距离通过LORA自组网，采集器根据需求和应用场景可作为LORA节点或LORA网关使用，完全可满足大部分物联网监测控制场景和领域需求。现有物联网采集器通常只针对某一特定场景采用其中1到2种接入网方式。

2、丰富的传感器硬件接口和软件协议，传感器参数可现场或远程配置，传感器端口协议可远程修改。根据不同应用领域选择接入相应功能的传感器，传感器接口包括RS485、RS232、UART、SDI-12、CAN、脉冲、开关量等数字信号接口、0-5V电压/4-20mA电流模拟信号、RJ45网口等，相应传感器配置信息均可通过读卡器写入SD卡或通过相应远程云平台客户端设置，当需要修改传感器端口协议时可通过远程固件升级的方式实现。传统数据采集器往往针对某一特定领域和应用场景，接口类型较少，协议固定，且无法远程修改。

3、各种接口功能模块采用选装和复用的方式，在满足不同应用场景和功能领域需求的前提下，最大限度的利用了MCU有限的接口资源，有效的缩小了采集器总体结构尺寸，降低了产品成本。采集器核心底板硬件结构设计上除电源管理电路、MCU最小系统电路、存储电路、传感器接口驱动电路等通用功能电路外均采用独立模块化设计，各功能模块通过邮票孔或板件接插件设计，根据应用场景和功能需求选择焊接安装到核心底板上，然后通过相应的拨码开关实现软件模式选择。且相同功能模块共用MCU接口资源和结构空间，如数据上传方式中的以太网接口模块和WIFI模块共用一个SPI接口和空间，设备调试接口模块中的蓝牙和RS232模块共有同一个UART接口和空间，通用传感器接口中各路RS485和SDI-12共用同一个UART处理器资源。

4、系统级低功耗设计，硬件设计上采用高性能的低功耗MCU，高效率电源转换芯片，极低静态电流的电源开关控制器件以及较低工作电流的功能芯片及模块，软件上根据工作流程分时控制相应模块电路电源开断，待机状态关断所以功能模块电源，主控进入最低功耗Shutdown模式。采集控制器MCU采用ST公司的STM32L476低功耗处理器，Energybenchmark评分值达到业界领先的294 ULPMark™ CP score ，Shutdown模式电流约为300nA，各模块电源控制器件采用TI高性能MOSFET开关,静态电流小于10uA,采集控制器系统在低功耗模式下测试电流小于500uA，性能明显优于其同类多功能通用采集器。

5、采集器可适用于大部分应用场合和功能需求的数据采集与监控，如农业物联网领域实现农业生产环节中的环境温湿度，土壤温度、水分、肥力等众多传感器数据采集，以多种组网方式上传至云端服务器，经过相应分析处理后能进行喷灌、滴灌、补光、加温、换气、遮阳、补充CO2等具体控制操作，此领域传感器接口通常为UART、RS485、0-5V模拟输入、脉冲、开关量输入输出等；在水文水质监测领域实现水安全指标，包括浊度、余氯、溶解氧、PH、温度、COD、DO等水质相关参数监测，此领域传感器接口多为RS485,SDI-12和模拟量等，且常常地处野外，需要低功耗设计；在农林生态领域实现大范围林木长势远程监测，此领域多为偏远野外，没有网络覆盖，需要通过私有网络组网来传输采集数据；在地质地理灾害监测预警领域，通过应力传感器或图像传感器信息实现滑坡监测、泥石流监测、边坡监测、沉降监测、崩塌监测、地面塌陷监测、大坝监测、隧道监测、桥梁监测等，此领域往往需要图像传感器，接口一般为RJ45网口；在工业设备能耗监测领域实现电表、水表、气表、油表等能耗计量设备实时能耗数据的自动采集、分析处理、上报等功能，此领域传感器接口多为CAN和RS485等。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型核心底板的主控MCU连接示意图。

图中：采集器壳体（1）、核心底板（2）、接口板（3）、弹片式接线座（4）、RJ45插座（5）、直流电源插座（6）、状态指示灯（7）、SD卡槽（8）、复位按键孔（9）、拨码开关（10）、RS232接口（11）、USB接口（12）、以太网接口（13）、SIM卡槽（14）、4G天线座（15）、GPS天线座（16）、WIFI天线座（17）、LORA天线座（18）、蓝牙天线座（19）。

具体实施方式

图1-2所示，为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1：

一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，包括：采集器壳体1和核心底板2：

所述采集器壳体1通过螺栓固定设置核心底板2，核心底板2上安装接口板3，接口板3上设置有弹片式接线座4和RJ45插座5；

采集器壳体1上开有与弹片式接线座4和RJ45插座5相匹配的槽；

采集器壳体1侧壁上设置有直流电源插座6、状态指示灯7、SD卡槽8、复位按键孔9、拨码开关10、RS232接口11、USB接口12、以太网接口13、SIM卡槽14、4G天线座15、GPS天线座16、WIFI天线座17、LORA天线座18、蓝牙天线座19；核心底板2通过螺栓固定于采集器壳体1底部，接口板3通过板间接插件安装于核心底板2上部，接口板3通核心底板2供电，并通过板间连接器相互通信，接口板3上的弹片式接线座4和RJ45插座5在壳体1顶部相应位置开槽，用于传感器及执行器接线，壳体1正面板上包括直流电源插座6，状态指示灯7，SD卡槽8，恢复设置的复位按键孔9，模式选择拨码开关10，设备调试用RS232接口11和USB接口12，以太网接口13，SIM卡槽14，4G天线座15，GPS天线座16，WIFI天线座17，LORA天线座18，蓝牙天线座19。壳体1正面板上的卡槽及接线座与核心底板2上相应模块电路连接。采集控制器由外部12V直流电源供电，并配有备用纽扣电池，确保意外断电情况下RTC时钟准确性。

实施例2：

在实施例1的基础上，核心底板2包括低功耗电源管理转换电路、主控MCU、最小系统功能电路、数据采集控制接口驱动电路、SPI Flash和SD卡数据存储电路、数据及图像信号上传电路、LORA模块、调试接口电路和模式选择拨码开关电路；

主控MCU分别与低功耗电源管理转换电路、最小系统功能电路、数据采集控制接口驱动电路、SPI Flash和SD卡数据存储电路、数据及图像信号上传电路、无线LORA收发模块电路、调试接口电路和模式选择拨码开关电路连接；核心底板2内的低功耗电源管理转换电路、主控MCU、最小系统功能电路、数据采集控制接口驱动电路、SPI Flash和SD卡数据存储电路、数据及图像信号上传电路、LORA模块、调试接口电路和模式选择拨码开关电路；主控MCU连接的功能模块进行工作；无线LORA收发模块大大拓宽了采集器的应用场景范围，可在无网络信号覆盖区域进行数据采集传输，根据应用场景需求可用作LORA组网中的网关或节点，采集器作为LORA节点，可将采集器的各文本传感器数据通过无线LORA收发模块发送到LORA网关 ,当采集器作为LORA网关，可通过LORA收发模块将节点上发数据进一步处理或直接上传到云平台。上述各种接入网方式、调试方式以及工作模式的选择可通过模式选择拨码开关来设置。根据不同场景选择接入相应功能的传感器和执行器，相应传感器配置信息均可通过读卡器写入SD卡或通过远程下拉配置文件的方式实现，采集器支持远程固件升级可解决诸如系统故障、修改传感器接入端口协议等功能。

实施例3：

在实施例1-2的基础上，最小系统功能电路包括晶振、复位电路、SWD下载接口；便于最小系统功能电路饿晶振、复位电路、SWD下载接口连接并进行工作。

实施例4：

在实施例1-3的基础上，低功耗电源管理转换电路与弹片式接线座4、RJ45插座5、直流电源插座6、状态指示灯7、SD卡槽8、复位按键孔9、拨码开关10、RS232接口11、USB接口12、以太网接口13、SIM卡槽14、4G天线座15、GPS天线座16、WIFI天线座17、LORA天线座18、蓝牙天线座19连接；低功耗电源管理电路实现各功能模块电源转换及开关控制，模块将外部输入的12V直流电源进行高效转换，分别独立输出多路12V、5V、3.3V、2.5V电源为各功能模块供电，各路电源的开关由MCU的IO口控制MOSFET开关实现，当进行通用传感器数据采集的时候打开相应接口驱动电路供电电源和通用传感器接口板供电电源，采集结束后关闭电源，当进行图像信息采集时打开多口RJ45网络摄像接口板供电电源，图像采集结束后关闭电源，当进行数据上传时打开相应入网模块供电电源，上传结束后关闭电源，每个采集、处理、上传周期结束后主控MCU进入低功耗Shutdown模式，MCU采用STM32L4低功耗系列芯片，除主控MCU保持供电外，各功能模块电源均关断，从而实现低功耗控制

实施例5：

在实施例1-4的基础上，数据采集控制接口驱动电路包括模拟量调理隔离电路、RS232接口收发电路、RS485接口收发电路、SDI-12接口收发电路、CAN接口收发电路、脉冲信号输入隔离电路、数字量输入隔离电路、数字量输出驱动电流、TCP/IP硬件协议栈电路和多端口网络交换机电路； TCP/IP硬件协议栈电路与RJ45插座5连接，RS485接口收发电路、SDI-12接口收发电路、模拟量调理隔离电路、数字量输入隔离电路、数字量输出驱动电流均与通用传感器接口板连接，通用传感器接口板设置在核心底板2上；各接口电路均与对应板间连接插座相连，进行数据采集。

实施例6：

在实施例1-5的基础上，接口板3上的弹片式接线座4与核心底板2上的数据采集控制接口驱动电路通过板间接插件连接；接口板3上的弹片式接线座4与核心底板2上的数据采集控制接口驱动电路通过板间接插件连接，主要用于接入诸如输出0-5V电压或4-20mA电流信号的模拟量传感器，UART、RS232、RS485、SDI-12、CAN、脉冲信号，开关量等数字信号接口的传感器，以及用于连接继电器或电磁阀等执行器。接口板3上RJ45插座5与核心底板2上的多端口网络交换机电路通过板间接插件连接，用于接入网口类传感器，例如摄像头。为进一步增加接入传感器适用范围，传感器供电电压12V或5V可选，为增强系统可靠性，各传感器接口均设计短路保护功能。

实施例7：

在实施例1-6的基础上，数据及图像信号上传电路包括4G模块、WIFI模块和以太网接口模块；

实施例8：

在实施例1-7的基础上，调试接口电路包括RS232接口、蓝牙模块和USB三种；便于调试接口电路的RS232接口、蓝牙模块和USB进行工作。

实施例9：

在实施例1-8的基础上，模式选择拨码开关电路与拨码开关10连接；SPI Flash和SD卡数据存储电路包括SPI Flash、SD卡，SD卡设置在SD卡槽8内；便于工作。

实施例10：

在实施例1-9的基础上，核心底板2内设置有纽扣电池；纽扣电池的设置，使得核心底板2正常工作。

实施例11：

在实施例1-10的基础上，一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器在水文水质监测领域的应用，将采集控制器安装到污水处理厂排水口河流岸基，通过太阳能蓄电池供电，采集器搭载的传感器包括余氯传感器，电导率传感器，PH传感器，ORP传感器，浊度传感器以及摄像头，其中PH传感器输出信号为4-20mA模拟电流信号，摄像头为RJ45接口，其他传感器接口均为RS485，RS485传感器通信协议为标准Modbus协议；执行器包括电磁阀和水泵，采集器通过数字量隔离驱动接口控制水泵和电磁阀实现出水口水质取样和排水功能，采集器搭载4G入网模块。通过软件相关参数配置每天定时实现水质抽取采样，然后读取传感器数据和图像信息，并通过4G上传到水厂或水务主管部门的数据中心，上述任务结束后进入低功耗模式，实现水安全指标，包括浊度、余氯、溶解氧、PH、温度、DO等水质相关参数以及河流图像信息监测。

实施例12：

在实施例1-11的基础上，一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器在农林生态领域实现树木径向生长监测的应用。本实例应用由于地处大山深处，且监测范围较大，大部分地方无网络信号覆盖，所以采用分布式LORA网关+LORA节点的部署方式实现大范围树木径向生长监测，在各个监测点安装LORA节点采集器，LORA节点采集器搭载多个数字电位计实现树木径向生长信息采集，并定时采集的树干径向生长信息发送到LORA网关,LORA网关安装在4G信号较强的地方，如通信距离较远，需部署LORA中继来增加通信距离，当LORA网关接收到各节点发送的树木径向生长数据后，通过4G上传到云服务器平台，从而实现大范围树木生长情况远程监控。本实例中采集控制器作为LORA网关应用，除系统基本功能模块外只需选装LORA模块和4G模块。

尽管这里参照本实用新型的多个解释性实施例对本实用新型进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (10)

1.一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，其特征在于：包括：采集器壳体（1）和核心底板（2）：

所述采集器壳体（1）通过螺栓固定设置核心底板（2），核心底板（2）上安装接口板（3），接口板（3）上设置有弹片式接线座（4）和RJ45插座（5）；

采集器壳体（1）上开有与弹片式接线座（4）和RJ45插座（5）相匹配的槽；

采集器壳体（1）侧壁上设置有直流电源插座（6）、状态指示灯（7）、SD卡槽（8）、复位按键孔（9）、拨码开关（10）、RS232接口（11）、USB接口（12）、以太网接口（13）、SIM卡槽（14）、4G天线座（15）、GPS天线座（16）、WIFI天线座（17）、LORA天线座（18）、蓝牙天线座（19）。

2.根据权利要求1所述的一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，其特征在于：所述核心底板（2）包括低功耗电源管理转换电路、主控MCU、最小系统功能电路、数据采集控制接口驱动电路、SPI Flash和SD卡数据存储电路、数据及图像信号上传电路、LORA模块、调试接口电路和模式选择拨码开关电路；

主控MCU分别与低功耗电源管理转换电路、最小系统功能电路、数据采集控制接口驱动电路、SPI Flash和SD卡数据存储电路、数据及图像信号上传电路、无线LORA收发模块电路、调试接口电路和模式选择拨码开关电路连接。

3.根据权利要求2所述的一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，其特征在于：所述最小系统功能电路包括晶振、复位电路、SWD下载接口。

4.根据权利要求2所述的一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，其特征在于：所述低功耗电源管理转换电路与弹片式接线座（4）、RJ45插座（5）、直流电源插座（6）、状态指示灯（7）、SD卡槽（8）、复位按键孔（9）、拨码开关（10）、RS232接口（11）、USB接口（12）、以太网接口（13）、SIM卡槽（14）、4G天线座（15）、GPS天线座（16）、WIFI天线座（17）、LORA天线座（18）、蓝牙天线座（19）连接。

5.根据权利要求2所述的一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，其特征在于：所述数据采集控制接口驱动电路包括模拟量调理隔离电路、RS232接口收发电路、RS485接口收发电路、SDI-12接口收发电路、CAN接口收发电路、脉冲信号输入隔离电路、数字量输入隔离电路、数字量输出驱动电流、TCP/IP硬件协议栈电路和多端口网络交换机电路；

TCP/IP硬件协议栈电路与RJ45插座（5）连接，RS485接口收发电路、SDI-12接口收发电路、模拟量调理隔离电路、数字量输入隔离电路、数字量输出驱动电流均与通用传感器接口板连接，通用传感器接口板设置在核心底板（2）上。

6.根据权利要求1所述的一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，其特征在于：所述接口板（3）上的弹片式接线座（4）与核心底板（2）上的数据采集控制接口驱动电路通过板间接插件连接。

7.根据权利要求2所述的一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，其特征在于：所述数据及图像信号上传电路包括4G模块、WIFI模块和以太网接口模块。

8.根据权利要求2所述的一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，其特征在于：所述调试接口电路包括RS232接口、蓝牙模块和USB三种。

9.根据权利要求2所述的一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，其特征在于：所述模式选择拨码开关电路与拨码开关（10）连接；SPI Flash和SD卡数据存储电路包括SPIFlash、SD卡，SD卡设置在SD卡槽（8）内。

10.根据权利要求1所述的一种通用多接口低功耗物联网数据采集控制器，其特征在于：所述核心底板（2）内设置有纽扣电池。

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