CN215912226U - 一种无线数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种无线数据采集系统，涉及物联网技术领域，以解决传感器部署过于单一的问题。所述无线数据采集系统包括至少一个边缘计算网关，边缘计算网关与至少一个数据采集终端通信连接，数据采集终端与至少一个传感器相连接。数据采集终端用于接收传感器所采集的采集数据，并将采集数据无线传输至边缘计算网关。且所有边缘计算网关均与云平台通信连接，边缘计算网关用于接收采集数据，并将采集数据无线传输至云平台，进而能够将传感器无线化，从而实现传感器组网过程中的大规模部署。本实用新型提供的一种无线数据采集系统用于传感器组网的部署过程中。

Description

一种无线数据采集系统

技术领域

本实用新型涉及物联网技术领域，尤其涉及一种随机加密的超低功耗无线数据采集系统。

背景技术

随着物联网信息技术的快速发展,广域网络的应用已经普及，针对低功耗、广覆盖、多接入、低成本的物联网应用场景的需求也在不断增加。

但在目前的传感器部署及组网过程中，传感器所采集的数据采用有线方式进行传输，进而导致传感器的部署过于单一，降低了大规模部署的可行性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种无线数据采集系统，将传感器无线化，实现传感器组网过程中的大规模部署。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种无线数据采集系统，所述采集系统包括至少一个边缘计算网关；

所述边缘计算网关与至少一个数据采集终端通信连接；

所述数据采集终端与至少一个传感器相连接；所述数据采集终端用于接收所述传感器所采集的采集数据，并将所述采集数据无线传输至所述边缘计算网关；

所有所述边缘计算网关均与云平台通信连接；

所述边缘计算网关用于接收所述采集数据，并将所述采集数据无线传输至所述云平台。

可选的，所述数据采集终端包括第一处理单元和第一无线通信单元；

所述第一处理单元与至少一个所述传感器相连接；所述第一处理单元用于接收所述传感器所采集的采集数据，并将所述采集数据通过所述第一无线通信单元无线传输至所述边缘计算网关。

可选的，所述边缘计算网关包括第二处理单元和第二无线通信单元；

所述第二处理单元用于接收所述采集数据，并将所述采集数据通过所述第二无线通信单元无线传输至所述云平台。

可选的，所述第一处理单元通过第一接口适配单元与至少一个所述传感器相连接；所述第一接口适配单元包括RS232通信接口、RS485通信接口、模拟量接口和数字量接口；所述传感器通过与其输出信号相匹配的接口与所述第一处理单元相连接。

可选的，所述数据采集终端还包括第一电源；所述第一电源分别与所述传感器、所述第一处理单元和所述第一无线通信单元电连接；所述第一电源用于分别为所述传感器、所述第一处理单元和所述第一无线通信单元供电。

可选的，所述数据采集终端还包括第一电源管理单元；

所述第一电源管理单元一端与所述第一电源电连接，另一端与所述传感器电连接；所述第一电源管理单元用于调整所述第一电源的输出电压，为不同类型的所述传感器提供工作电压。

可选的，所述第一处理单元还用于将所述采集数据进行组帧，得到数据帧，并将所述数据帧通过所述第一无线通信单元无线传输至所述边缘计算网关。

可选的，所述数据采集终端还包括1拖N数据线；所述1拖N数据线位于所述第一接口适配单元和所述传感器之间；所述1拖N数据线一端与所述第一接口适配单元相连接，另一端与所述传感器相连接。

可选的，所述边缘计算网关还包括第二电源和第二电源管理单元；所述第二电源与所述第二电源管理单元电连接；所述第二电源管理单元分别与所述第二处理单元、所述第二无线通信单元电连接。

可选的，所述边缘计算网关还包括数据存储单元；所述数据存储单元用于存储未被及时传输的采集数据。

与现有技术相比，本实用新型所提供的无线数据采集系统包括至少一个边缘计算网关，边缘计算网关与至少一个数据采集终端通信连接，数据采集终端与至少一个传感器相连接。数据采集终端用于接收传感器所采集的采集数据，并将采集数据无线传输至边缘计算网关。且所有边缘计算网关均与云平台通信连接，边缘计算网关用于接收采集数据，并将采集数据无线传输至云平台，进而传感器不再采用有线方式进行数据传输，能够降低数据传输过程中的信号衰减，且由于数据传输线的省略还能将传感器部署在任何位置，即能够将传感器无线化，从而实现传感器组网过程中的大规模部署。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为本实用新型实施例中所提供的一种无线数据采集系统的结构示意图。

图2为本实用新型实施例中所提供的数据采集终端的结构示意图。

图3为本实用新型实施例中所提供的边缘计算网关的结构示意图。

附图标记：

1-数据采集终端；2-边缘计算网关；3-云平台；11-第一处理单元；12-第一无线通信单元；13-第一接口适配单元；14-第一电源；15-第一电源管理单元；21-第二处理单元；22-第二无线通信单元；23-第二接口适配单元；24-第二电源；25-第二电源管理单元；26-数据存储单元。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

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“安装”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据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：

请参见图1，本实施例用于提供一种无线数据采集系统，该采集系统包括至少一个边缘计算网关2。边缘计算网关2与至少一个数据采集终端1通信连接。

数据采集终端1与至少一个传感器相连接。数据采集终端1用于接收传感器所采集的采集数据，并将采集数据无线传输至边缘计算网关2。

所有边缘计算网关2均与云平台3通信连接。边缘计算网关2用于接收采集数据，并将采集数据无线传输至云平台3。

本实施例所提供的无线数据采集系统，其由边缘计算网关2和数据采集终端1组成，数据采集终端1与边缘计算网关2之间组成局域网，边缘计算网关2和云平台3之间组成广域网，进而采用局域网与广域网相结合的方式，利用数据采集终端1将传感器所采集的采集数据无线传输至边缘计算网关2，利用边缘计算网关2将采集数据无线传输至云平台3，省略了数据传输线，实现了传感器采集数据的无线化传输。通过局域网与广域网相结合和传感器采集数据无线化传输的方式，使得整个无线数据采集系统能够以简易的星型部署，即整个系统采用星型组网，支持大规模部署，实现了大规模感知设备无线化部署，节约大量工程施工成本。另外，现有技术中采用有线方式传输传感器所采集的采集数据时，在一些离数据接收站较远的应用场景中，由于采集数据本身信号较弱，且数据传输线距离较长，会导致信号衰减程度过大，从而将会导致数据出错的风险，而本实施例采用无线传输的方式能够很好的解决数据出错的问题。

请参见图2，数据采集终端1包括第一处理单元11和第一无线通信单元12。

第一处理单元11与至少一个传感器相连接。具体的，第一处理单元11通过第一接口适配单元13与至少一个传感器相连接。第一接口适配单元13可以包括RS232通信接口、RS485通信接口、模拟量接口和数字量接口，第一接口适配单元13用于适配多种传感器的接入，进而本实施例所提供的数据采集终端1能够对多种类型的传感器所采集的数据进行采集，通用性好。传感器通过与其输出信号相匹配的接口与第一处理单元11相连接，进而向第一处理单元11传输其所采集的采集数据。

第一处理单元11所能连接的传感器类型包括但不限于温湿度传感器、光照传感器、土壤PH传感器和土壤EC传感器。作为一种可选的实施方式，本实施例的数据采集终端1还包括1拖N数据线，1拖N数据线位于第一接口适配单元13和传感器之间，1拖N数据线一端与第一接口适配单元13相连接，另一端与传感器相连接。第一处理单元11通过1拖N数据线能够利用一个接口同时与多个传感器相连接。举例而言，本实施例通过1拖N数据线外接3个传感器，分别是市购空气温度、湿度、光照三合一传感器，市购土壤PH值传感器和市购土壤温度、湿度、EC值三合一传感器，能够同时对7个参数进行测量，进而极大程度上增加了一个数据采集终端1所能连接的传感器的数量，显著提高了数据采集终端1同时所采集数据的数量。

第一处理单元11用于接收传感器所采集的采集数据，并将采集数据通过第一无线通信单元12无线传输至边缘计算网关2。当与第一处理单元11所连接的传感器为多个时，第一处理单元11还用于将不同传感器所采集的采集数据的格式进行统一，再将格式统一后的所有采集数据无线传输至边缘计算网关2。具体的，第一处理单元11内置嵌入式主程序和数据采集程序，通过嵌入式主程序调用数据采集程序，实现外接传感器的数据采集。第一处理单元11的MCU选用ARM架构STM32L微控制器，其功耗在μA级，能够降低用电量，增加续航时间。第一无线通信单元12可以采用LORA模块。LORA模块具有低功耗，多连接等优点。第一无线通信单元12还可以由LORA模块和4G模组构成，LORA模块可选用SX1268，4G模组可选用EC200S。

为了降低功耗，本实施例的第一处理单元11还内置有超低功耗算法，其在第一处理单元11和第一无线通信单元12未工作期间使其进入超低功耗模式，并采用定时唤醒机制，定时使第一处理单元11和第一无线通信单元12处于工作模式，相较于始终使第一处理单元11和第一无线通信单元12工作在工作模式，可以大大降低功耗，使整个数据采集终端1低功耗运行。利用嵌入式主程序调用该超低功耗算法，使得边缘计算网关2和数据采集终端1之间组网时，具有低功耗运行机制。

另外，现有的传感器均运行在高功耗模式，采用大电流、高电压的运行模式，必然会造成电能的损耗，以及用电成本的增加。为了解决这一问题，本实施例的传感器采集频率为1h/次，每次采集时间为15s，其余时间均处于超低功耗休眠状态，当第一电源14采用电池时，根据电池电量计算，其可为传感器供电5.35年，大大降低了传感器的功耗。

基于上述数据采集终端1和传感器的低功耗运行模式，设定第一处理单元11、第一无线通信单元12和传感器的工作周期相同，当第一处理单元11、第一无线通信单元12和传感器均处于工作状态时，此时进行传感器采集数据的采集。在进行采集数据的采集过程中，本实施例的第一处理单元11支持主动轮询和主动上报两种工作模式。当第一处理单元11的工作模式为主动轮询时，第一处理单元11根据第一预设周期查询传感器的状态，并在传感器的状态为待输出时，接收传感器所采集的采集数据，然后将采集数据通过第一无线通信单元12无线传输至边缘计算网关2。第一预设周期即为第一处理单元11的工作周期。具体的，第一处理单元11以第一预设周期按次序查询每一传感器的状态，看传感器是否有数据输出的要求，当传感器需要输出数据时，传感器的状态为待输出，此时，第一处理单元11接收传感器所采集的采集数据，在传感器的状态不是待输出时，则第一处理单元11查询下一个传感器的状态，直至所有传感器的状态均已被查询完毕。当第一处理单元11的工作模式为主动上报时，传感器在其处于工作状态下，主动向第一处理单元11传输其所采集的采集数据，第一处理单元11接收采集数据，并将采集数据通过第一无线通信单元12无线传输至边缘计算网关2。采用这两种工作模式，第一处理单元11能够定时工作，相较于第一处理单元11始终处于工作状态的方式，能够显著降低功耗。并且还能够控制传感器的工作时间，使传感器的工作时间与第一处理单元11的工作时间相适配，极大的降低功耗，还能够满足用户不同的采集频率要求。

作为一种可选的实施方式，第一处理单元11还用于将与其相连接的所有传感器所采集的采集数据进行组帧，得到数据帧，并将数据帧通过第一无线通信单元12无线传输至边缘计算网关2。具体的，第一处理单元11内置有报文处理程序，通过嵌入式主程序调用报文处理程序实现组帧功能。

目前的传感器部署及组网过程中，传感器与电源之间通常也是采用有线方式进行连接，采用这一有线方式所带来的问题为：在一些应用场景中，由于现场环境恶劣，采用有线供电方式，不仅造成线缆成本的增加，也增加了施工的工作量，另外错综复杂的连线，还存在一定的施工安全风险。为了解决这一问题，本实施例所提供的数据采集终端1还包括第一电源14。第一电源14分别与传感器、第一处理单元11和第一无线通信单元12电连接。第一电源14用于分别为传感器、第一处理单元11和第一无线通信单元12供电，进而利用数据采集终端1为传感器供电，能够解决上述传感器和电源之间有线连接所产生的问题，且能够进一步实现传感器的无线化，进一步支持传感器组网过程中的大规模部署。

为了能够向不同类型的传感器均进行供电，本实施例的数据采集终端1还包括第一电源管理单元15。第一电源管理单元15一端与第一电源14电连接，另一端与传感器电连接。第一电源管理单元15用于调整第一电源14的输出电压，为不同类型的传感器提供工作电压。具体的，第一电源管理单元15包括升压模块和降压模块，能够满足市面上常见传感器的供电需求。当然，第一电源管理单元15还可以用于调整第一处理单元11和第一无线通信单元12所需的工作电压。第一电源管理单元15还能够设置输出电压、输出电流、设置供电时间，并能够读取电源剩余电量。

本实施例的第一处理单元11还内置有参数配置算法。利用嵌入式主程序调用参数配置算法，实现对与数据采集终端1相连接的传感器的参数进行配置。

请参见图3，本实施例所用的边缘计算网关2包括第二处理单元21和第二无线通信单元22。第二处理单元21用于接收采集数据，并将采集数据通过第二无线通信单元22无线传输至云平台3。数据采集终端1中的第一无线通信单元12与第二处理单元21通信连接，用于实现边缘计算网关2与数据采集终端1之间的数据交互。第二无线通信单元22可以采用LORA模块，还可以由LORA模块和4G模组构成，LORA模块可选用SX1268，4G模组可选用EC200S。第二处理单元21的MCU可选用ARM架构STM32L微控制器，其功耗在微A级，能够降低用电量，增加续航时间。

当与第二处理单元21所连接的数据采集终端1的个数为多个时，第二处理单元21还用于汇集各个数据采集终端1的采集数据，对所有采集数据进行组帧，得到数据帧。

边缘计算网关2还包括第二接口适配单元23，利用第二接口适配单元23能够与以不同通信协议传输采集数据的数据采集终端1进行通信连接。边缘计算网关2还包括第二电源24和第二电源管理单元25，第二电源24与第二电源管理单元25电连接，第二电源管理单元25与第二处理单元21，第二无线通信单元22电连接，用于调整第二处理单元21和第二无线通信单元22的工作电压。第二电源管理单元25还能够设置输出电压、输出电流、设置供电时间，并能够读取电源剩余电量。另外，边缘计算网关2还可以包括数据存储单元26，其用于在网络延迟或传输不及时的时候，存储未被及时传输的有效采集数据。

目前的传感器部署及组网过程中，采集数据通常以明文方式传输。在数据传输过程中，采用明文的方式进行传输，数据有被监听的风险，降低了数据的安全性。为了解决这一问题，本实施例中的第一处理单元11还用于利用随机密钥加密方法对采集数据进行随机加密，得到加密后的采集数据，并将加密后的采集数据通过第一无线通信单元12无线传输至边缘计算网关2。具体的，第一处理单元11还包括随机密钥程序，通过嵌入式主程序调用这一随机密钥程序，能够实现对采集数据的加密。本实施例通过在边缘计算网关2和数据采集终端1之间采用随机密钥加密方法进行采集数据的加密传输，每次交互时，密钥均会发生变化，使得二者之间的数据通信具有极高的安全性。

为了进一步提高采集数据在传输过程中的安全性，本实施例的第二处理单元21还用于对加密后的采集数据进行解密，得到解密后的采集数据。然后利用随机密钥加密方法对解密后的采集数据进行随机加密，得到二次加密后的采集数据，并将二次加密后的采集数据通过第二无线通信单元22以报文的形式无线传输至云平台3。

作为一种可选的实施方式，本实施例的第一电源14和第二电源24可以采用电池，第一电源14可选用3.7V电池，第二电源24可选用12V铅蓄电池，在电池电量用完后则更换电池，还可以采用太阳能系统对第一电源14和第二电源24进行充电，利用第一电源14和第二电源24满足市面上不同厂家及类型的传感器供电需求。

边缘计算网关2具有报文组帧，实时响应和智能分析等功能，还具有至少接入一个数据采集终端1的能力。数据采集终端1具有低功耗休眠机制，支持主动轮询和定时上报等功能。云平台3用于接收边缘计算网关2所传输的采集数据，进行数据展示，并对采集数据进行分析，得到有价值的信息。

使用时，数据采集终端1向外接传感器供电，数据采集终端1自动定时唤醒，主动轮询外接传感器数据，采集数据获取完成后，数据采集终端1对采集数据进行随机加密，把密文无线传输到边缘计算网关2。边缘计算网关2收到密文后，对密文进行解密，并将所有采集数据进行组合，再进行二次加密，将二次加密后的密文无线传输至云平台3。在此传输过程中，未及时传输的数据将被存储在边缘计算网关2中。

本实施例的无线数据采集系统具有数据存储、分析、自动决策功能。且该无线数据采集系统具有主动轮询和主动上报机制，能够满足不同应用场景的需求，且该无线数据采集系统通过局域网和广域网之间的桥接关系，满足不同应用场景的需求。进而本实施例的无线数据采集系统能够适用于更多的应用场景，通用性好，且能支持大规模部署。另外，本实施例所提供的无线数据采集系统其采用超低功耗无线设计，以防止因复杂的传感器电源线、数据传输线的布线所带来的安装难度大，维护成本高，安全风险性高等问题。本实施例所提供的无线数据采集系统通用性强，为有线的传感器提供一种超低功耗无线部署方法，同时提供安全效果较好的数据传输方式，与现有技术相比，减少了电源线和数据传输线的安装，减少了电能的损耗。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无线数据采集系统，其特征在于，所述采集系统包括至少一个边缘计算网关；

所述边缘计算网关与至少一个数据采集终端通信连接；

所述数据采集终端与至少一个传感器相连接；所述数据采集终端用于接收所述传感器所采集的采集数据，并将所述采集数据无线传输至所述边缘计算网关；

所有所述边缘计算网关均与云平台通信连接；

所述边缘计算网关用于接收所述采集数据，并将所述采集数据无线传输至所述云平台。

2.根据权利要求1所述的一种无线数据采集系统，其特征在于，所述数据采集终端包括第一处理单元和第一无线通信单元；

所述第一处理单元与至少一个所述传感器相连接；所述第一处理单元用于接收所述传感器所采集的采集数据，并将所述采集数据通过所述第一无线通信单元无线传输至所述边缘计算网关。

3.根据权利要求1或2所述的一种无线数据采集系统，其特征在于，所述边缘计算网关包括第二处理单元和第二无线通信单元；

所述第二处理单元用于接收所述采集数据，并将所述采集数据通过所述第二无线通信单元无线传输至所述云平台。

4.根据权利要求2所述的一种无线数据采集系统，其特征在于，所述第一处理单元通过第一接口适配单元与至少一个所述传感器相连接；所述第一接口适配单元包括RS232通信接口、RS485通信接口、模拟量接口和数字量接口；所述传感器通过与其输出信号相匹配的接口与所述第一处理单元相连接。

5.根据权利要求2所述的一种无线数据采集系统，其特征在于，所述数据采集终端还包括第一电源；所述第一电源分别与所述传感器、所述第一处理单元和所述第一无线通信单元电连接；所述第一电源用于分别为所述传感器、所述第一处理单元和所述第一无线通信单元供电。

6.根据权利要求5所述的一种无线数据采集系统，其特征在于，所述数据采集终端还包括第一电源管理单元；

所述第一电源管理单元一端与所述第一电源电连接，另一端与所述传感器电连接；所述第一电源管理单元用于调整所述第一电源的输出电压，为不同类型的所述传感器提供工作电压。

7.根据权利要求2所述的一种无线数据采集系统，其特征在于，所述第一处理单元还用于将所述采集数据进行组帧，得到数据帧，并将所述数据帧通过所述第一无线通信单元无线传输至所述边缘计算网关。

8.根据权利要求4所述的一种无线数据采集系统，其特征在于，所述数据采集终端还包括1拖N数据线；所述1拖N数据线位于所述第一接口适配单元和所述传感器之间；所述1拖N数据线一端与所述第一接口适配单元相连接，另一端与所述传感器相连接。

9.根据权利要求3所述的一种无线数据采集系统，其特征在于，所述边缘计算网关还包括第二电源和第二电源管理单元；所述第二电源与所述第二电源管理单元电连接；所述第二电源管理单元分别与所述第二处理单元、所述第二无线通信单元电连接。

10.根据权利要求3所述的一种无线数据采集系统，其特征在于，所述边缘计算网关还包括数据存储单元；所述数据存储单元用于存储未被及时传输的采集数据。

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