CN220383232U - 一种无线通信采集装置及设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种无线通信采集装置及设备。该装置包括：无线通信模块，天线，微控制器，电源供应模块，多个传感器接口。无线通信模块分别与天线、微控制器和电源供应模块连接；电源供应模块与微控制器连接；微控制器分别与多个传感器接口连接，可以接收多个传感器接口传输的数据，并将任一传感器接口采集的原始数据转换为符合LoRaWAN协议的数据包；无线通信模块通过天线接入低功耗广域网LoRaWAN网络。通过本装置可以将多个传感器的数据传输更远的距离。

Description

一种无线通信采集装置及设备

技术领域

本申请涉及通信技术领域，尤其涉及一种无线通信采集装置及设备。

背景技术

传感器的使用日益广泛，在各种物联网领域中有着广泛的应用。

然而，传感器采集的数据进行传输时，面临着以下问题：传统的传输方式，例如，蓝牙或无线局域网(Wi-Fi)，适用于几十米范围内的传输，传输距离较短；并且传感器对供电要求较高，很多场景下难以找到合适的供电电源。

因此，传感器如何实现长距离数据传输是亟待解决的问题。

实用新型内容

本申请提供一种无线通信采集装置及设备，用以解决传感器传输数据的距离短的问题。

第一方面，本申请提供一种无线通信采集装置，所述装置包括：

无线通信模块，天线，微控制器，电源供应模块，多个传感器接口；

所述无线通信模块分别与所述天线和所述电源供应模块连接，所述无线通信模块通过所述天线接入低功耗广域网LoRaWAN网络；

所述电源供应模块还与所述微控制器连接，所述电源供应模块用于给所述无线通信模块以及所述微控制器供电；

所述微控制器分别与所述多个传感器接口连接，所述微控制器用于将通过任一传感器接口采集的原始数据转换为符合LoRaWAN协议的数据包。

所述无线通信模块和所述微控制器通过通用异步收发传输器UART连接。

可选的，所述多个传感器接口包括以下至少两个接口：RS-485接口、SDI-12接口、4-20mA In接口、0-10V In接口、4-20mA Out接口、0-10V Out接口、DI接口以及Relay接口。

可选的，所述微控制器包括：

传感器代号修改模块，用于修改连接在同一传感器接口的多个传感器的代号。

可选的，所述微控制器还包括：

重置模块，用于在SDI-12接口发出讯号后重新设定UART的寄存器。

可选的，所述装置还包括：

音频芯片，I2S接口；

所述音频芯片通过所述I2S接口与所述微控制器连接，并与所述微控制器共地，所述音频芯片用于将接收的音频信号转换为数字音频数据。

可选的，所述电源供应模块为太阳能电池。

可选的，所述无线通信模块包括：LoRaWAN通信单元和蓝牙通信单元；

所述LoRaWAN通信单元通过所述天线接入低功耗广域网LoRaWAN网络；

所述蓝牙通信单元可通过蓝牙协议与传感器进行连接，用于与传感器进行无线通信。

可选的，所述装置还包括关节结构，所述关节结构在所述天线和壳体之间，用于调整天线方向。

可选的，所述装置还包括指示灯，所述指示灯与电源供应模块连接，所述指示灯用于指示电源供应模块的电量。

第二方面，本申请还提供一种设备，包括：第一方面任一项所述的无线通信采集装置。

本申请提供的一种无线通信采集装置及设备，该无线通信采集装置包括：无线通信模块，天线，微控制器，电源供应模块，多个传感器接口；无线通信模块分别与天线、微控制器和电源供应模块连接；无线通信模块通过天线接入低功耗广域网LoRaWAN网络；微控制器分别与多个传感器接口连接，可以接收多个传感器接口传输的数据，并将任一传感器接口采集的原始数据转换为符合LoRaWAN协议的数据包。通过本装置可以实现远距离的数据传输。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1为本申请实施例提供的无线通信采集装置一种可能的应用场景示意图；

图2为本申请提供的无线通信采集装置实施例一的结构示意图；

图3为本申请提供的无线通信采集装置实施例二的结构示意图；

图4为本申请提供的无线通信采集装置实施例三的结构示意图；

图5为本申请提供的无线通信采集装置实施例四的结构示意图；

图6为本申请提供的无线通信采集装置实施例五的结构示意图；

图7为本申请提供的无线通信采集装置实施例六的结构示意图。

附图标记说明：20-无线通信模块，21-天线，22-微控制器，23-电源供应模块，24-传感器接口，25-壳体，26-音频芯片，27-I2S接口，28-指示灯，221-封装模块，222-传感器代号修改模块，223-重置模块，201-LoRaWAN通信单元，202-蓝牙通信单元，211-螺旋天线，212-关节结构。

通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置的例子。

长距离低功耗(Long Range Radio，简称：LoRa)技术：LoRa是一种物联网接入层网络传输技术。最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一。

低功耗广域网LoRaWAN，是建立在基于LoRa的调制之上的网络协议，LoRaWAN网络通常由一个或多个网络服务器组成，这些服务器负责管理设备节点、网关和数据的流动

传感器在工业领域中具备广泛的应用，用于环境检测、精准测量等。传感器采集的信号类型大致分为三类：模拟量信号，例如电压信号或者电流信号；数字量信号，例如红外线距离感应信号；开关量信号，阀开信号、阀关信号等。

传感器通常不具备处理能力，需要将收集的数据发送到处理设备进行数据处理。传感器采集的数据进行数据传输通常使用有线或者蓝牙等无线的传输方式，传输距离较短，适用于几十米范围内的传输。

低功耗广域网LoRaWAN是一种基于长距离低功耗LoRa技术的通信协议和网络架构。LoRaWAN提供了一种开放的、标准化的通信协议，用于在大范围的物联网应用中连接和管理远程设备。

鉴于上述问题，通过具备多个传感器接口的无线通信采集装置获取传感器的数据，将数据通过低功耗广域网LoRaWAN网络发送到服务器，完成数据的长距离传输。基于此，本申请提出一种无线通信采集装置及设备。

图1为本申请实施例提供的无线通信采集装置一种可能的应用场景示意图，如图1所示，通过无线通信采集装置，将与无线通信采集装置连接的传感器数据传输到服务器，并可以接收服务器发送的控制指令，将控制指令发送至对应的终端设备。

示例性的：在烟囱入口及出口都安装一组无线通信采集装置和传感器,无线通信采集器将传感器采集的烟雾浓度传输到网关，网关再传输至服务器，服务器对浓度数据归纳后，发现入口浓度比出口浓度超过预设值时，下发控制指令传输到无线通信采集装置，无线通信采集器根据控制指令控制风扇启动强制排气。

下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。

实施例一

图2为本申请提供的无线通信采集装置实施例一的结构示意图，如图2所示，该装置包括：无线通信模块20，天线21，微控制器22，电源供应模块23，传感器接口24，壳体25。

其中，无线通信模块20分别与天线21和电源供应模块23连接，无线通信模块通过天线接入低功耗广域网LoRaWAN网络。

具体地，无线通信模块20与电源供应模块23连接，通过电源供应模块23供电。无线通信模块20通过有线或者引脚焊接的方式连接天线21，通过天线21进行数据传输。

其中，电源供应模块23与微控制器22连接，电源供应模块23用于给无线通信模块20以及微控制器22供电。

具体的，电源供应模块23给无线通信采集装置中所有需要用电的部件供电，因此，电源供应模块需要与微控制器、无线通信模块连接。电源供应模块23可以是太阳能电池或者纽扣电池。

优选地，电源供应模块23是太阳能电池，采用太阳能电池不需要使用电缆供电，不受使用空间的限制，同时不需要更换电池，可以延长使用时间。

微控制器22可以采用STM32F4型号的微控制器或者LPC54608型号的微控制器为核心，具备丰富的外接接口，适用多种连接多种传感器的物联网应用领域。

其中，微控制器22分别与多个传感器接口连接，微控制器用于将通过任一传感器接口采集的原始数据转换为符合LoRaWAN协议的数据包。

无线通信采集装置壳体上包括与微控制器连接的多个传感器接口，例如，RS-485接口、SDI-12接口、4-20mA In接口、0-10V In接口、4-20mA Out接口、0-10V Out接口、DI接口以及Relay接口，微控制器至少与上述两种接口相连接。具体的，微控制器22可以通过串行通信接口UART分别与RS485接口和SDI-12接口相连，通过I2C接口分别与4-20mA Out接口和0-10V Out接口相连，通过ADC数模转换接口分别与4-20mA In接口和0-10V In接口相连，通过GPIO in接口与DI接口相连，通过GPIO OUT接口与Relay接口相连。

对上述不同传感器接口的功能进行说明：

1.RS-485/SDI-12是传感器的标准接口，可以同时连接多个传感器。

2.4-20mA In/0-10V In可以接收模拟量传感器的信号。

3.DI可以接收开关类传感器的信号。

4.4-20mA Out/0-10V Out可以操控仿真接口的马达速度/马达角度/灯号亮度/音量等行为。

5.Relay可以操控开关类的行为。

微控制器22在通过传感器接口接收传感器采集的原始数据后，将数据封装为符合LoRaWAN通信协议要求的数据包格式，数据包内包括无线通信采集器的设备地址、端口号、有效载荷数据等。

需要说明的是，壳体25侧面开孔，用以在多个传感器接口24连接传感器。

可选的，微控制器22在接收到原始数据后对数据进行格式转换，格式转换后再进行封装。

无线通信模块20中包括LoRaWAN通信单元，用于信号物理层的调制和解调，例如，RN2483/RAK811型号的LoRaWAN模块。在LoRaWAN模块中配置参数后可以连接到LoRaWAN网络。

无线通信模块20的LoRaWAN通信单元将微控制器22生成的数据包使用LoRa调制技术调制成适合无线传输的信号，通过天线21转换为无线电波传播到LoRaWAN服务器。

其中，无线通信模块20和微控制器22通过UART连接。

本实施例提供的一种无线通信采集装置，包括无线通信模块，天线，微控制器，电源供应模块，多个传感器接口，壳体。本装置可以将多个传感器获取的数据转换为符合LoRaWAN协议的数据，实现远距离的数据传输，并且本装置只有一个微控制器、一个电源供应模块，与多个微控制器和多个电源供应模块结构的无线通信采集装置相比，开发整合度更高。采取一个微控制器，微控制器内部多个功能可以直接沟通，控制效率提高，成本较低。

实施例二

图3为本申请提供的无线通信采集装置实施例二的结构示意图，如图3所示，本实施例提供的无线通信采集装置在实施例一提供的无线通信采集装置的基础上，对微控制器22进一步细化。微控制器22包括，封装模块221、传感器代号修改模块222、重置模块223。

封装模块221，将数据封装为符合LoRaWAN通信协议要求的数据包格式。

具体的，封装模块221将采集到的数据封装为符合LoRaWAN通信协议要求的数据包格式。封装模块221根据通信协议的规定，对采集到的数据进行处理和编码，生成符合标准的数据包，并将其传输给无线通信模块进行发送。

传感器代号修改模块222，用于修改连接在同一传感器接口的多个传感器的代号。

具体的，传感器代号修改模块222是集成在微控制器上的电路，用于实现与传感器的通信和配置。传感器代号修改模块222对需要修改的传感器接口上发送特定的指令，实现对传感器代号的修改。

需要说明的是，一般情况下，传感器不会有独立的端口号。在物联网系统中，传感器通过无线通信采集装置与网关进行通信，无线通信采集器需要区分不同的传感器和它们采集到的数据。因此，采集器通常会为每个传感器分配一个独立的ID或地址，用于区分不同的传感器。这个地址可以是采集装置与传感器建立连接后，通过一定的协议和指令进行配置。

示例性的，无线通信采集装置的微控制器只具备一个通用异步收发传输器UART接口，通过扩展接口在壳体上连接三个同型号的通过RS485传输数据的温度传感器，通过微控制器上的传感器代号修改模块222对RS485接口发送配置代号指令，温度传感器的根据配置代号指令进行参数配置，对传感器代号(ID)进行修改，以区分三个传感器，方便了数据的识别和处理。

重置模块223，用于在SDI-12接口发出讯号后重新设定通用异步收发传输器UART的寄存器。

在SDI-12接口中，一般使用UART来进行串行通信。当发送SDI-12命令或数据时，需要在每个传输周期之后对UART进行重置，以确保下一次传输的准确性和可靠性。

重置模块223是集成在微控制器上的电路，它可以包括电平转换器、稳压电路、电容器、电阻器等组件，以确保重置信号的正确性和稳定性。重置模块用于监测重置引脚状态并生成适当的重置信号，重置信号的触发会导致微控制器对UART的寄存器进行初始化，使其回到初始状态，准备接收新的数据传输。

本实施例提供的一种无线通信采集装置，微控制器通过封装模块将采集到的数据格式化为符合LoRaWAN通信协议的数据包，并通过无线通信模块将数据发送到LoRaWAN网络。同时，传感器代号修改模块可以对连接在同一传感器接口的多个传感器进行代号的修改，以区分不同的传感器。重置模块能够在SDI-12接口发出讯号后重新设定UART寄存器，确保通信的稳定性。

实施例三

图4为本申请提供的无线通信采集装置实施例三的结构示意图，如图4所示，本实施例提供的无线通信采集装置在实施例一提供的无线通信采集装置的基础上，对天线21进一步细化，天线21包括：螺旋天线211、关节结构212。

其中，螺旋天线211安装在无线通信采集器的壳体25上，位于其顶部或侧面。

螺旋天线21通过有线线缆连接的方式与无线通信模块20连接。

采用螺旋天线211可以传输更远的距离。

为了适应不同通信需求和环境变化，天线可以设计为可变动朝向的。通过调整关节结构212进而调整螺旋天线211朝向需要传输的主要通信方向。这样可以使天线获得更好的信号接收和传输能力，并且便于天线与外界的无线信号进行交互。

具体的，关节结构212包括一个或多个关节，使得天线能够在水平方向和垂直方向上进行调节。每个关节可以使用旋转或倾斜机构，如万向节、球头关节或万向关节，以实现天线朝向的灵活调整。

可选的，关节结构212可以配备手动调节装置，例如旋钮、摇杆或手柄等。用户可以通过手动操作调节装置，实现对天线朝向的精确调整。调节装置可以通过螺旋机构或齿轮机构与天线关节相连，使得用户可以方便地旋转或倾斜天线。

可选的，关节结构212还可以配备自动调节装置，如电动驱动装置或步进电机等。通过使用传感器或控制器，可以实现对天线朝向的自动调节。传感器可以监测信号强度或通信质量，并根据预设的优化策略控制自动调节装置，使天线自动指向信号强度或者质量最高的接收方向。

可选的，关节结构212还包括固定装置，用于锁定天线在特定朝向位置。一旦调节到理想的天线朝向，固定装置可以固定天线，防止因外界干扰或振动而导致天线位置的变化。

本实施例提供的无线通信采集装置，通过调整关节结构进而调整天线的朝向，可以实现对特定区域或方向的信号接收和传输优化，提高通信的灵活性和适应性。

可选的，上述天线21还可以是贴片天线，贴片天线安装在无线通信模块20的表面，并通过引脚连接到无线通信模块20。贴片天线可以使无线通信采集器体积缩小，不受空间环境的影响，可应用于空间狭小的场景。

实施例四

图5为本申请提供的无线通信采集装置实施例四的结构示意图，如图5所示，本实施例提供的无线通信采集装置在实施例一提供的无线通信采集装置的基础上，对无线通信模块20进一步细化，无线通信模块20包括：LoRaWAN通信单元201、蓝牙通信单元202。

LoRaWAN通信单元201，用于信号物理层的调制和解调，将数据包使用LoRa调制技术调制成适合无线传输的信号，通过天线21转换为无线电波传播到LoRaWAN服务器。

蓝牙通信单元202，可以通过蓝牙协议与传感器进行连接，通过蓝牙接收传感器发送的原始数据。

具体的，蓝牙通信单元202符合蓝牙通信协议标准，能够与支持蓝牙通信的设备进行无线通信。蓝牙通信单元202采用标准的蓝牙芯片或蓝牙模块，如Bluetooth Low Energy(BLE)芯片或模块，以实现低功耗和高效的通信。蓝牙通信模块接收到传感器的数据后，将其传输给微控制器进行处理。

需要说明的是，蓝牙通信单元202支持数据的双向传输，可以将采集到的数据发送给外部设备或接收外部设备发送的数据，外部设备不限于传感器，还包括手机、电脑等。通过蓝牙通信模块，无线通信采集装置可以与智能手机、电脑或其他蓝牙设备进行数据交互，可以实现远程监测、配置和控制。

本实施例提供的无线通信采集装置，通过蓝牙通信单元可以不受传感器连接线的限制接收传感器的数据，并且可以和用户的电脑、手机等设备进行蓝牙连接，方便用户配置和控制。

实施例五

图6为本申请提供的无线通信采集装置实施例五的结构示意图，如图6所示，在实施例一提供的无线通信采集装置的基础上，该无线通信采集装置还包括：音频芯片26，I2S接口27。

采用STM32F4型号的微控制器或者LPC54608型号的微控制器作为无线通信采集装置的微控制器，但音频数据通常具备高的采样频率和比特深度，一般的微控制无法处理音频数据。因此，需要扩展外接音频芯片。

其中，音频芯片26在无线通信采集装置内部，通过I2S接口27与微控制器22连接。它可以将外部接收到的各种形式的音频信号经过处理转变成数字音频数据，传输到微控制器。I2S接口27至少具备三根信号线，时钟线、数据线、帧同步线。经音频芯片处理的音频数据能够达到降低失真、降低低噪音的效果。

示例性的，在工业噪声环境检测中，厂房中回声非常明显，无线通信采集器需要对采集的声音进行回声消除，但是微控制处理能力有限，因此，通过音频芯片的接入，可以很容易的对收集的音频数据进行回声消除，将消除后的数据输送到微控制器。

可选的，音频芯片可以为CS42L42型号的音频编解码芯片，具备低功耗特性，耗电更少，适用于无线通信采集器。

电源供应模块23与音频芯片26连接，为音频芯片供电。

音频芯片26的引脚和微控制器22的地引脚相连接，以提供良好的信号引用和电气连贯性。

可选的，音频芯片26提供I2S接口PCM接口与外部音频传感器连接，接收外部传感器的数据。

可选的，音频芯片26还可以连接到微控制器的通用IO引脚上。

本实施例提供的无线通信采集装置，在无线通信采集装置内微控制器扩展音频芯片，具备更强的音频处理能力，可以使无线通信采集装置更加适用于在涉及音频采集的物联网场景。

实施例六

图7为本申请提供的无线通信采集装置实施例六的结构示意图，如图7所示，在实施例一提供的无线通信采集装置的基础上，该无线通信采集装置还包括指示灯28。

其中，指示灯28与电源供应模块23连接，指示灯用于指示电源供应模块的电量范围。

具体的，指示灯28位于无线通信采集器的外壳上，用于显示电源电量状态。指示灯可以是一个或多个LED灯，具有不同的颜色和闪烁模式，以表示不同的电量状态。

指示灯28通过检测电路29连接到无线通信采集装置的电源供应模块23，并监测电源供应模块23的电量。该电路可以通过测量电压、电流或其他相关参数来确定电源电量，并将其转换为相应的电量状态信号。

示例性，指示灯可以根据电源电量的不同状态来显示不同的指示信号。

例如：

当电源电量充足时，指示灯可以保持稳定长亮，显示绿色，表示电量充足。

当电源电量较低时，指示灯可以以缓慢闪烁的方式显示黄色，表示电量较低。

当电源电量非常低或接近耗尽时，指示灯可以快速闪烁红色，表示电量极低。

为了方便用户观察，指示灯通常安装在无线通信采集器的外壳上的显眼位置，例如正面或顶部。

可选的，指示灯28还可以用于指示无线通信采集装置的工作状态。

具体的，指示灯可以用不同的闪烁模式或频率来表示当前的工作状态，例如快速闪烁表示正在传输数据，缓慢闪烁表示处于待机状态，持续亮表示工作正常。

进一步的，指示工作状态需要指示灯的检测电路连接到无线通信采集器的微控制器22或无线通信模块20，用于监测工作状态，并控制指示灯的显示。检测电路可以根据预设的阈值和工作模式来确定指示灯的状态。

本实施例提供的无线通信采集装置，指示灯指示装置在无线通信采集装置的外壳，用户可以通过简单地观察指示灯的状态来了解无线通信采集装置的电源电量情况，以便及时进行充电或更换电池。

本申请还提供一种设备，该设备包括：前述实施例中任一项无线通信采集装置。

本领域技术人员在考虑说明书后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (10)

1.一种无线通信采集装置，其特征在于，所述装置包括：

无线通信模块，天线，微控制器，电源供应模块，多个传感器接口；

所述无线通信模块分别与所述天线和所述电源供应模块连接，所述无线通信模块通过所述天线接入低功耗广域网LoRaWAN网络；

所述电源供应模块还与所述微控制器连接，所述电源供应模块用于给所述无线通信模块以及所述微控制器供电；

所述微控制器分别与所述多个传感器接口连接，所述微控制器用于将通过任一传感器接口采集的原始数据转换为符合LoRaWAN协议的数据包；

所述无线通信模块和所述微控制器通过通用异步收发传输器UART连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个传感器接口包括以下至少两个接口：RS-485接口、SDI-12接口、4-20mA In接口、0-10V In接口、4-20mA Out接口、0-10V Out接口、DI接口以及Relay接口。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述微控制器包括：

传感器代号修改模块，用于修改连接在同一传感器接口的多个传感器的代号。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述微控制器还包括：

重置模块，用于在SDI-12接口发出讯号后重新设定UART的寄存器。

5.根据权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

音频芯片，I2S接口；

所述音频芯片通过所述I2S接口与所述微控制器连接，并与所述微控制器共地，所述音频芯片用于将接收的音频信号转换为数字音频数据。

6.根据权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述电源供应模块为太阳能电池。

7.根据权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述无线通信模块包括：LoRaWAN通信单元和蓝牙通信单元；

所述LoRaWAN通信单元通过所述天线接入低功耗广域网LoRaWAN网络；

所述蓝牙通信单元可通过蓝牙协议与传感器进行连接，用于与传感器进行无线通信。

8.根据权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，所述装置还包括关节结构，所述关节结构在所述天线和壳体之间，用于调整天线方向。

9.根据权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，所述装置还包括指示灯，所述指示灯与电源供应模块连接，所述指示灯用于指示电源供应模块的电量。

10.一种设备，其特征在于，包括：权利要求1至9任一项所述的无线通信采集装置。