CN215767175U - 一种基于nfc双向数据传输技术的综合传感装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了传感器领域的一种基于NFC双向数据传输技术的综合传感装置，包括综合传感器单元与手持管理终端，所述综合传感器单元为壳体结构，并在壳体内部分为安装腔与功能腔；所述功能腔中安装有控制主板与NFC天线板，控制主板通过所述NFC天线板与手持管理终端双向数据传输；所述安装腔中设有用于采集环境数据的传感器采集板，功能腔与安装腔之间密封填充有导电介质。本实用新型适用于普通场所和特殊环境，体积小，不需要上位机便可实现数据的高速传输，具有传输速度快、抗干扰性强等优点。

Description

一种基于NFC双向数据传输技术的综合传感装置

技术领域

本实用新型涉及环境检测领域，具体是一种基于NFC双向数据传输技术的综合传感装置。

背景技术

环境监测就是以环境分析为基础，通过给影响环境质量的各种因素进行测定，来研究环境的质量变化。

目前我国的环境监测体制仍旧有着各种漏洞和问题，例如：监测的项目不足够深入，没有监测足够全面的内容、监测的领域不够广泛等、且目前市场上的环境监测仪大都是在常压下对环境污染情况进行监测，而在如导弹内部这种密闭、正压并且对结构、尺寸有特殊要求的环境下，现有的环境检测仪在使用条件和数据传输方面都不能满足使用环境的要求。针对此，申请人提出了一种可应用在特殊环境下的综合传感检测仪。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能够监测在特定尺寸、特殊环境要求下的温度、湿度、压差及振动的四合一综合传感检测仪，体积小，数据传输量大，传输速率可达11520bit/s。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于NFC双向数据传输技术的综合传感装置，包括综合传感器单元与手持管理终端，所述综合传感器单元为壳体结构，并在壳体内部分为安装腔与功能腔；所述功能腔中安装有控制主板与NFC天线板，控制主板通过所述NFC天线板与手持管理终端双向数据传输；所述安装腔中设有用于采集环境数据的传感器采集板，功能腔与安装腔之间密封填充有导电介质。

作为一种实施方式，所述壳体结构包括依次连接的后盖、中空部与探头部，所述导电介质填充在探头部内部并将探头部分为第一腔体与第二腔体，所述导电介质的外围通过烧结玻璃绝缘密封。

作为一种实施方式，所述传感器采集板位于在第一腔体内并通过导电介质支撑固定，所述第二腔体内安装有与控制主板电连接的转接板，所述传感器采集板与转接板通过导电介质电连接。

作为一种实施方式，所述后盖的材质为透波材料。

作为一种实施方式，所述后盖内部固定有电池，且后盖与中空部为快拆结构，中空部与探头部密封固连。

有益效果：本实用新型是针对密闭、正压、特殊结构尺寸等特殊环境而设计的一种集温度、湿度、气压及振动的四合一监测系统，并采用了一种新型NFC双向数据传输技术进行数据的存储、读取，体积小，不需要上位机便可实现数据的高速传输，具有传输速度快、抗干扰性强等优点。本实用新型还具有普适性，能够应用在一般的要求不高的使用场所。

附图说明

图1为本实用新型综合传感器单元的局部剖视图；

图2为本实用新型综合传感器单元的整体外部示意图；

图3为本实用新型探头部的结构尺寸图；

图4为本实用新型探头部的结构示意图；

图5为本实用新型探头部的内部透视图；

图6为本实用新型探头部第一螺纹接头一侧的端面图；

图7为本实用新型后盖的结构示意图；

图8为本实用新型中空部的结构示意图；

图9为本实用新型后盖与中空部的连接示意图；

图10为本实用新型综合传感器单元的电气装置与探头部的连接示意图；

图11为本实用新型综合传感器单元的电气原理框图；

图12为本实用新型综合传感器单元的电气装置的连接示意图；

图13为本实用新型电源模块的控制电路原理图。

图中：1-防护圈；2-探头部；201-第一螺纹接头；202-凸缘；203-第二螺纹接头；3-中空部；4-后盖；5-控制主板；6-NFC天线板；7-电池；8-电池座；9-转接板；10-氟橡胶O型圈；11-玻璃烧结部；12-传感器采集板；13-防水透气膜；14-灯带；15-第一腔体；16-第二腔体；17-弧度槽。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术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。

本实施方式提供的一种基于NFC双向数据传输技术的综合传感装置，主要由手持管理终端和综合传感器单元组成。其中综合传感器单元可以充当一般的传感器应用在普通场所，也可以应用在与外界环境存在内外压差的场所，如弹筒、充气阀门周围环境的气压检测等，同时集成了温度、湿度、振动的检测功能。

手持管理终端主要由三防加固平板电脑和NFC天线构成，终端管理软件运行在手持管理终端上。综合传感器单元内由控制主板5、传感器采集板12、NFC天线板6及结构件组成。控制主板5上设计有压力传感器、温度传感器、湿度传感器、振动传感器、电池1个；传感器采集板12上设计有温度传感器、湿度传感器和压力传感器。如图2所示，综合传感器单元外形尺寸约为50mmX50mm(含螺孔约为50mmX68mm)，因此体积小巧，能够监测在对尺寸要求高、特殊环境要求下的温度、湿度、压差及振动信息。

以应用在弹筒环境为例，综合传感器单元安装在筒壁充气活口处，弹筒与外界环境存在气压差，下面对综合传感装置的结构件组成进行说明。

如图1所示，综合传感器单元包括依次连接的后盖4、中空部3以及探头部2，三者连接为一个具有耐蚀性的壳体。壳体可以用于保护内部布置的控制主板5、传感器采集板12、NFC天线板6等。由于综合传感器单元通过探头部2螺纹连接在筒壁充气活口处，因此还可以起到密封充气活口的作用，防止弹筒与外界的气压差发生变化。。

探头部2的结构如图4所示，探头部2包括相固连的第一螺纹接头201、凸缘202以及第二螺纹接头203，其中第一螺纹接头201用于与筒壁连接，为了保证密封效果，第一螺纹接头201上还设有防护圈1，第二螺纹接头203用于与中空部3连接。为了便于实现电路连接，第二螺纹接头203、第一螺纹接头201均设有腔体且通过凸缘202相互连通。如图5-6所示，为了便于称呼，第一螺纹接头201的内腔称为第一腔体15，第二螺纹接头203的内腔称为第二腔体16。第二腔体16与中空部3、后盖4共同构成功能腔，第一腔体15作为安装腔，用于与筒壁连接。

第一腔体15中设置传感器采集板12，第二腔体16中安装固定转接板9，两块功能电路板卡平行，之间采用导电介质进行通讯。导电介质优选采用7芯，用于与探头部2的尺寸相适配，并且导电介质还具有一定的刚度，用以支撑传感器采集板12，将传感器采集板12固定在第一腔体15中。本实施例中第一腔体15与第二腔体16内的导电介质为1mm直径复合镀金材料，外围烧结5mm玻璃绝缘密封，使导电介质密封填充在第一腔体15与第二腔体16之间，既具有良好的密封性，又可以承托传感器采集板12的重量，使传感器采集板12直接焊接在导电介质的导电芯上，便于安装的同时，由于具有一定的承重能力，因此也无需对传感器采集板12设置单独的安装结构。

导电介质通过玻璃烧结部11直接烧结在两个腔体之间，摒弃了现有技术中一般采用的密封连接器，不仅同样达到了密封导电的效果，还简化了结构，使得探头部2特别适用于尺寸要求小的场合，如图3所示，探头部2整体长宽约为50mm*50mm。而且传感器采集板12用于与弹筒内部的连接接口在第一螺纹接头201的端面显示，当第一螺纹接头201与筒壁连接时，传感器采集板12可以将弹筒内的环境信息通过探头部2传输到控制主板5。上述公开表明探头部2具有使电气信号无阻碍传输，以及保证弹筒的内外气密性良好的效果。

后盖4的结构如图7所示，作为一种可选的实施方式，后盖4与中空部3连接的一端内侧壁上开设有弧度槽17，便于与中空部3压紧配合固定，另一端设有透明的灯带14区域，便于电气装置中的指示灯透光，方便观察。如图8-9所示，中空部3采用快拆结构，其一端与弧度槽17对应压紧固定，另一端设有螺纹，用于与第二螺纹接头203连接。当电池7电量不足需要更换时，旋转后盖4中间部分，即可将中空部3与后盖4连体打开，方便电池7的维持与更换。在更换时，由于探头部2始终固定在筒壁上，因此弹筒的密封性不受更换电池7影响。另外，中空部3与第二螺纹接头203的螺纹连接处设有氟橡胶O型圈10，还设有白色的防水透气膜13，可以隔绝空气与水汽，减少对第二腔体16内器件的腐蚀。

由于综合传感装置的使用环境复杂，优选地，后盖4采用环氧树脂材料，这种材质相对密度在1.5～2.0之间，只有碳钢的1/4～1/5，但是拉伸强度却较高，强度可以与高级合金钢相比，具有较强的耐腐蚀性，在侵蚀性较强的海洋和其他复杂环境下广泛应用，最主要的是透波性质好，电磁波收发时产生的损耗小。在满足上述性能的情况下，后盖4也可采用其他可透波材料，如有机玻璃等。优选地，探头部2与中空部3主要采用316不锈钢，具有较强的抗腐蚀性能。进一步地，在后盖4、探头部2、中空部3的表面做防护处理，一般采用烤漆工艺。后盖4端部的灯带14部分出于观察需要，不做烤漆处理。

参见图10-12，NFC天线板6、控制主板5、转接板9安装在功能腔，传感器采集板12位于安装腔共四个板卡，其中NFC天线板6为通信板并水平设置，控制主板5呈竖直状态连接在NFC天线板6与转接板9之间，电池7通过电池座8固定在控制主板5的表面，板卡的位置布置以及电池7的安装方式有利于空间小型化的实现。

如图11所示，控制主板5上设有STM32L152RET6 ARM芯片及其外围最小电路，还设有2片Nand Flash、电源管理电路、传感器板卡数据采集电路、筒外压力采集电路以及供电电路。为了使空间紧凑、小型化，各板卡之间直接采用焊接导线的方式实现电连接，而不采用接插件的形式，既避免了插件触点可能导致的接触不良，又有效降低了空间的内部尺寸。各电路依照Q/RK3715-2017规范要求进行防护处理，以保证综合传感单元内部电气符合三防要求。同时，各板卡与壳体之间采用环氧树脂黏合的方式，尽量少的减少螺丝安装，以避免在恶劣情况如强盐雾环境下螺丝生锈导致板卡松动等隐患。

STM32L152RET6 ARM芯片为32位低功耗ARM芯片，内核为CORTEX-M3，频率为32MHz，该芯片在stop模式下可以达到560nA，并且还可以支持16个外部中断唤醒。两片Nand Flash分别用于存储综合传感器单元属性数据与各传感器模块状态数据，Nand Flash容量为64Kbit和120Mbit。芯片连接有低功耗时钟定时器IC，在环境数据监测模式时可用于定时唤醒传感器采集数据，同时为数据提供时间戳，振动传感器、温度传感器、湿度传感器、压力传感器等采集到振动、温度、湿度及压力等数据后打上时间戳存入到内部Flash中，终端管理软件读取后可根据时间对数据进行排序管理及分析。

控制主板5主要指标如下：

①接口：温度传感器接口1路；湿度传感器接口1路；压力传感器接口1路；振动传感器接口1路，串口1路，用于NFC模块；直流供电接口2路；中断接口1路。

②供电：直流3.6V。

③存储容量：属性64Kbit；数据120Mbit。

④唤醒频率：3小时～24小时可设置。

⑤压力传感器：精度：±4mbar(0.4kPa)；范围：20kPa～120kPa；分辨率：0.04mbar(RMS)(4Pa)。

传感器采集板12主要指标如下：

①供电：直流2.0V～3.9V。

②温度传感器：精度：±0.5℃；范围：-45℃～+80℃；分辨率：0.1℃(RMS)。

③湿度传感器：精度：2％；范围：1％～99％；分辨率：0.2％(RMS)。

④压力传感器：精度：±4mbar(0.4kPa)；范围：20kPa～120kPa；分辨率：0.04mbar(RMS)(4Pa)。

由于传感器采集板12与控制主板5分别处于密封连接的安装腔与功能腔中，传感器采集板12与控制主板5中的压力传感器分别检测弹筒的内部压力与外界环境压力，综合传感器单元从而检测得到弹筒与外界环境的内外压差值。

综合传感器单元与手持管理终端通过NFC天线板6相互通讯(近场通讯)，NFC通讯时需要提前唤醒综合传感器单元，唤醒方式可采用15-150KHz低频唤醒方式，手持管理终端间隔发送唤醒频率，当读取数据时靠近综合传感器单元后，自动唤醒传感器以读取内部数据。

本实施例提供的NFC天线板6集成NFC收发模块与天线为一体，具有以下指标：

①频率：13.56MHz；②驻波：优于2；③增益：3dBi；④阻抗：50Ω；⑤工作温度：-45℃～80℃。

NFC天线板6与后盖4配合使用，由于后盖4采用具有良好透波特性的环氧树脂材料，因此可以实现NFC和125KHz低频无线信号穿透，相对于现有技术中如对轮胎其气压检测时需使用的信号传输线，这里采用的无线传输方式明显更为优越。NFC天线板6、传感器采集板12及控制主板5的性能指标高，共同配合可以使综合传感装置在恶劣的环境下依然能够完成数据传输，并且数据干扰小。

本实施方式的电池7优选采用锂亚硫酰氯电池供电方案，电池7规格可选为14250型电池。锂亚硫酰氯电池圆柱型电池每节电压标称为3.6V/节,工作温度为-60℃～+85℃。年自放电率≤1％；贮存寿命10年以上，可以小电流连续放电10年或更长，瞬间能够以高倍率或脉冲负载提供大电流，且电压极其平稳。

综合传感器单元在不同工作模式下，耗电量不同。在更换电池7后，综合传感器单元默认切换到室内贮存模式，在运输模式下，由于采样间隔较短，综合传感器单元处于连续工作状态，对电池7电量消耗极大，故一般可在切换到功率运输模式前和在公路运输模式结束之后，更换一块全新电池7。

如图13所示，供电电路包括电池7、稳压器、MCU(控制主板5上的芯片)、唤醒电路等，温度传感器、湿度传感器、压力传感器及振动传感器均与MCU连接，唤醒电路定时触发唤醒MCU，MCU记录读取温度、湿度、压力、振动传感器的数据并记录到Nand Flash中。MCU被唤醒后进入连续工作状态，或根据振动采样间隔间歇性地进入采样记录振动的状态，不再进入待机状态。

经计算，综合传感器单元在运输模式和贮存模式下的功耗及工作时长计算如下：

①电池LS14250电池容量：1200mAH；

②MCU正常工作功耗：14mA、待机:2UA；

③NAND FLASH功耗：4mA；

④振动传感器功耗ADXL345功耗：23UA；

⑤NFC模块功耗：17mA；

⑥其他温度、湿度、压力传感器功耗大概<10Ua；

⑦AS3933唤醒芯片：2.3uA。

1)运输模式工作时长计算

运输模式时，只需要振动传感器与MCU单独工作即可，运动模式综合传感器单元功耗设为Pr，则：Pr＝MCU正常工作功耗+振动传感器功耗+NAND FLASH功耗+NFC读取功耗。

由于NFC读取功耗在运输模式时可忽略不计，故运输模式主要功耗为振动传感器加MCU功耗为：Pr＝14mA+23UA+4mA＝18.23mA；

根据运输模式时连续不间断采样，则最大工作时长为：1200Mah/18.23mA＝65.8h。

2)贮存模式工作时长计算

贮存工作模式时振动传感器不工作，且NFC读取时间间隔较长。设贮存时功耗为Ps，则：

Ps＝贮存采集功耗+NFC数据读取功耗。

贮存采集功耗：温湿度、气压采集，两小时采集一次，一次工作两秒钟。

传感器采集数据一天功耗：24s×14.10MA＝338.4mAs

待机时功耗：4.3uA×3600s×24h＝371.5mAs

则贮存采集一天功耗＝338.4mAs+371.5mAs＝709.9mAs

NFC数据读取功耗计算：

①数据容量

温度：4Byte；湿度：4Byte；气压：4Byte；扩展：4Byte；帧头：2Byte；帧尾：2Byte；总计：20Byte。

②一天数据存储量：12×20＝240Byte。

③NFC通讯波特率：115200bps。

④NFC通讯时长：240÷(115200÷8)＝0.016s。

⑤NFC通讯功耗：(17+14+4)mAs×0.016s＝0.583mAs。

一天总功耗：338.4mAs+371.5mAs+0.583mAs＝710.4mAs。

则贮存工作模式时总工作时长为：1200×3600÷710.4÷365＝16.67年

如采集周期由2小时一次更换为6小时一次，则使用时长可更长，表明本实施例提供的综合传感监测具有良好的使用寿命，实用性强。

本实施例提供的手持控制终端由三防平板电脑和NFC通讯天线组成，NFC通讯天线通过航空插头与三防平板电脑连接，NFC通讯天线主要完成唤醒综合传感器单元及完成NFC方式数据交互。综合传感器单元与手持管理终端采用双主机设计思路，也即综合传感器单元与手持管理终端都可以通过指令在主机设备与从机设备之间切换，当其中一个为主机设备而另一个为从机设备时，即可建立通信连接进行数据传输。如手持控制终端读取数据时就是主机设备，综合传感器单元此时为从机设备。而当综合传感器发id时就可通过指令切换为主机设备，手持控制终端作为从机设备。由于将基础通讯设备开发转移到了协议开发上，不使用上位机即可实现高速连续的数据传输，数据传输量大，传输速率可达11520bit/s，而且满足了小体积的设计要求。经实验，该综合传感检测仪的平均故障间隔时间平均故障间隔时间(MTBF)≥10000h。并且在室内存贮模式下，单独采集温度、湿度和压力状态工作模式下，每次采集间隔时长不小于2小时，连续工作时间大于等于1年。相对于现有技术，本实施例的综合传感装置在小体积的基础上实现了基于NFC通讯方式的大数据传输，实用性得到了极大地提高。

数据管理软件通过读取传感器数据完成数据管理与分析功能，数据管理软件主要功能如下：

a)具有下载综合传感器数据功能。综合传感器单元可监测筒的振动情况并对大于门限值的振动(缺省门限值为2g，用户可自行设置)进行记录。由手持管理终端通过NFC通信方式从综合传感器单元读取上述所记录的值并在手持管理终端上显示、贮存。

b)在线显示传感器采集的温度、压力、湿度、实时大气压等环境信息。由手持管理终端通过NFC通信从综合传感器单元读取实测气压值并在手持管理终端上显示、贮存，测量误差不大于±0.5Kpa；从综合传感器单元读取实测湿度值并在手持管理终端上显示、贮存，测量误差不大于±4％RH；从综合传感器单元读取实测温度值并在手持管理终端上显示、贮存，测量误差不大于±0.5℃。综合传感单元采集筒内气压、湿度、温度、筒外气压的频次可由手持管理终端进行配置(缺省值为室内采集频次为2h一次，室外采集频次为6h一次)。

c)具有环境历史数据分析功能。手持管理终端在每次读取实测数据后，自动保存筒内气压、筒内外压差、湿度、温度实测数据及告警历史数据；手持管理终端还可将贮存的筒内压力、湿度、温度、筒内外压差、筒的振动告警数据通过RS232口上传至用户计算机。

d)可管理多个传感器。振动监测传感器的开启与关闭可由手持管理终端控制，手持管理终端可以对传感单元中的数据进行删除或全部清除以及对传感单元进行恢复出厂设置。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于NFC双向数据传输技术的综合传感装置，其特征在于，包括综合传感器单元与手持管理终端，所述综合传感器单元为壳体结构，并在壳体内部分为安装腔与功能腔；所述功能腔中安装有控制主板与NFC天线板，手持控制终端内设有NFC天线，所述综合传感器单元与手持管理终端通过所述NFC天线板与NFC天线进行双向数据传输；所述安装腔中设有用于采集环境数据的传感器采集板，功能腔与安装腔之间密封填充有导电介质。

2.根据权利要求1所述的一种基于NFC双向数据传输技术的综合传感装置，其特征在于，所述壳体结构包括依次连接的后盖、中空部与探头部，所述导电介质填充在探头部内部并将探头部分为第一腔体与第二腔体，所述导电介质的外围通过烧结玻璃绝缘密封。

3.根据权利要求2所述的一种基于NFC双向数据传输技术的综合传感装置，其特征在于，所述传感器采集板位于在第一腔体内并通过导电介质支撑固定，所述第二腔体内安装有与控制主板电连接的转接板，所述传感器采集板与转接板通过导电介质电连接。

4.根据权利要求2所述的一种基于NFC双向数据传输技术的综合传感装置，其特征在于，所述后盖的材质为透波材料。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于NFC双向数据传输技术的综合传感装置，其特征在于，所述传感器采集板上安装有温度传感器、湿度传感器与压力传感器；所述控制主板上安装有压力传感器、温度传感器、湿度传感器与振动传感器。

6.根据权利要求1所述的一种基于NFC双向数据传输技术的综合传感装置，其特征在于，所述综合传感器单元、手持管理终端均在主机设备与从机设备状态之间切换，当其中一个为主机设备，另一个为从机设备时，综合传感器单元与手持管理终端进行通信连接。

7.根据权利要求2或4所述的一种基于NFC双向数据传输技术的综合传感装置，其特征在于，所述后盖内部固定有电池，且后盖与中空部为快拆结构，中空部与探头部密封固连。

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