多功能智能采集仪的制作方法

1.本实用新型涉及数据采集技术领域，尤其涉及一种多功能智能采集仪。


背景技术：

2.目前的采集仪大多是针对单一信号的专用型采集仪，但是在现场环境复杂的工程监测项目中，会有着各种各样的情况，很难使用单一类型的传感器与采集仪就能完成整个工程项目的监测。常常使用到多种类型的传感器，然后需要配置多种采集仪来监测这些传感器状态，给工程的实施带来非常多的不便，提高了整体监测方案的复杂性，还会存在维护困难、管理不方便等各种问题。现有的多功能智能采集仪由于功能模块较多，系统过于复杂，造成总体能耗太高，需要经常更换电池，在野外无市电的覆盖的地区无法长期使用，且在有些项目现场还会遇到网络状态差，多功能智能采集仪无法将数据通过4g网络传输的情况。
3.因此，有必要提供一种低能耗的多功能智能采集仪，通过4g网络的主模式上传数据，当信号减弱时，自动换到lora网络，提高数据传输的可靠性。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种低能耗的多功能智能采集仪，通过4g网络的主模式上传数据，当信号减弱时，自动换到lora网络，提高数据传输的可靠性。
5.一种多功能智能采集仪，包括传感器数据采集模块(1)、拓展接口模块(2)、电源管理模块(3)、通讯模块(4)、控制器(5)和服务器(6)；
6.所述电源管理模块(3)包括电源电路(31)、拓展接口电源控制电路(32)和传感器电源控制电路(33)；
7.所述传感器数据采集模块(1)的信号输出端与控制器(5)的模拟输入端电性连接，电源电路(31)的电能输出端分别与各模块的供电端电性连接，传感器电源控制电路(33)的输入端与电源电路(31)的电能输出端电性连接，传感器电源控制电路(33)的输出端与传感器数据采集模块(1)的供电端电性连接，传感器电源控制电路(33)的控制端与控制器(5)的i/o口电性连接；
8.所述拓展接口模块(2)的信号输出端与控制器(5)的模拟输入端电性连接，拓展接口电源控制电路(32)的输入端与电源电路(31)的电能输出端电性连接，拓展接口电源控制电路(32)的输出端与拓展接口模块(2)的供电端电性连接，拓展接口电源控制电路(32)的控制端与控制器(5)的i/o口电性连接；
9.控制器(5)的通信端与通讯模块(4)的通信口电性连接，通讯模块(4)与服务器(6)信号连接。
10.优选的，还包括lora网关(7)；所述通讯模块(4)包括lora通讯模块(41)和4g通讯模块(42)；所述lora通讯模块(41)和4g通讯模块(42)通信口分别与控制器(5)的通信端电性连接；所述，所述lora通讯模块(41)通过lora网关(7)与服务器(6)信号连接，所述4g通讯
模块(42)与服务器(6)信号连接。
11.优选的，所述拓展接口模块(2)包括485通讯接口(21)、状态检测接口(22)和编码接口(23)；所述拓展接口电源控制电路(32)的输出端与485通讯接口(21)、状态检测接口(22)和编码接口(23)的供电端电性连接，所述485通讯接口(21)、状态检测接口(22)和编码接口(23)的输出端均与控制器(5)的模拟输入端电性连接；所述拓展接口电源控制电路(32)的控制端与控制器(5)的i/o口电性连接；所述拓展接口电源控制电路(32)的输入端与电源电路(31)的电能输出端电性连接。
12.优选的，所述拓展接口电源控制电路(32)包括继电器u3、电阻r14、电阻r15、三极管q3和二极管d3；电阻r14的一端作为拓展接口电源控制电路(32)的控制端与控制器(5)的i/o口电性连接，电阻r14的另一端分别与三极管q3的基极、电阻r15的一端电性连接，电阻r15的另一端与三极管q3的发射极接地，三极管q3的集电极分别与二极管d3的阳极、继电器u3的第八引脚电性连接，继电器u3的第一引脚和二极管d3的阴极电性连接，继电器u3的第一引脚还作为电源电路(31)的电能输出端，继电器u3的第二引脚和继电器u3的第七引脚与485通讯接口(21)的供电端电性连接，继电器u3的第三引脚和继电器u3的第六引脚与状态检测接口(22)的供电端电性连接，继电器u3的第四引脚和继电器u3的第五引脚与编码接口(23)的供电端电性连接。
13.优选的，所述传感器电源控制电路(33)包括电阻r1-r4、三极管q1和mos管q2；
14.电阻r1的一端与控制器(5)的i/o口电性连接，电阻r1的另外一端分别与电阻r2的一端、三极管q1的基极电性连接，电阻r2的另一端与三极管q1的发射极均接地，三极管q1的集电极分别与电阻r3的一端、电阻r4的一端电性连接，电阻r3的另一端接 12v电压，电阻r4的另一端与mos管q2的栅极电性连接，mos管q2的源极与电源电路(31)的电能输出端电性连接，mos管q2的漏极与传感器数据采集模块(1)的供电端电性连接。
15.优选的，包括数据存储模块(8)；所述数据存储模块(8)通过数据线与控制器(5)电性连接。
16.与现有技术相比，本实用新型提供的一种多功能智能采集仪，具备以下有益效果：
17.(1)本实施例提供的一种多功能智能采集仪可同时利用公网和自由网络进行数据传输，无惧现场网络环境，通讯模块中设置了lora模块和4g模块，提供公网和自由网络两种方式进行数据传输，扩展了应用场景，并且可以根据现场网络环境切换lora模块和4g模块，使实现数据的高效传输，保证数据传输的可靠性；通过设置拓展接口模块，来拓展多功能智能采集仪的通道数量，增加实用性和延展性，通过设置拓展接口电源控制电路，可以在拓展接口模块不工作时，切断电源电路和拓展接口模块之间的供电线路，进而减少整体的能耗。
18.(2)通过设置传感器电源控制电路，可以在某传感器不工作时，切断电源电路与传感器数据采集模块的供电端之间的供电线路，进而减少整体的能耗。
19.(3)数据存储模块可以在完全没有4g网络的情况下对数据进行保存，防止数据丢失。
附图说明
20.图1为本技术实施例提供的一种多功能智能采集仪的模块示意图；
21.图2为本技术实施例提供的一种多功能智能采集仪的拓展接口模块连接示意图；
22.图3是本技术实施例提供的一种多功能智能采集仪中的拓展接口电源控制电路的电路原理图；
23.图4是本技术实施例提供的一种多功能智能采集仪中的传感器电源控制电路的电路原理图。
具体实施方式
24.下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。
25.如图1所示，一种多功能智能采集仪，包括传感器数据采集模块1、拓展接口模块2、电源管理模块3、通讯模块4、控制器5和服务器6。
26.传感器数据采集模块1，通过设置不同类型的传感器来采集工程监测项目现场的数据，如设置模拟型信号传感器采集电压信号、电流信号，设置振弦型传感器采集振弦信号等，具体传感器类型根据实际应用场景需求设置，本实施例并不涉及对传感器数据采集模块1的改进，因此，在此不再累述。传感器数据采集模块1的信号输出端与控制器5的模拟输入端电性连接。
27.如图2所示，拓展接口模块2，通过设置485通讯接口21、状态检测接口22和编码接口23来拓展多功能智能采集仪的通道数量，拓展接口模块2用于外接其他设备，将其他设备作为本设备的拓展接口，用来达到增加单台设备采样通道的目的，485通讯接口21用于数据交换；状态检测接口22用于检测整个拓展接口模块2是否处于工作状态，此处需通过软件来实现，本实施例不涉及对软件的改进，因此不加以赘述；编码接口23用于指示接入设备的接口号，当设备接入拓展接口模块2后，控制器5会自动读取编码接口23上的编码值，进而运行相应的程序，此处需通过软件来实现，本实施例不涉及对软件的改进，因此不加以赘述。拓展接口模块2的信号输出端与控制器5的模拟输入端电性连接。
28.电源管理模块3，用于为各用电器件提供供电电压，并且在各用电器件不工作时断开其电源，降低整个多功能智能采集仪的损耗，节约电量。本实施例中，电源管理模块3包括电源电路31、拓展接口电源控制电路32和传感器电源控制电路33。
29.电源电路31，为多功能智能采集仪中各用电器件提供工作电压。其中，传感器以及通讯模块4常用的工作电压为3.3v、5v或12v，本实施例中的电源电路31可以输出不同电压等级的电压信号，电源电路31的电能输出端分别与各模块的供电端电性连接。优选的，电源电路31采用了静态功耗很低的tps62150芯片，降低整个设备在停止工作状态下的能耗。本实施例并不涉及对电源电路31结构的改进，因此，可以采用tps62150芯片数据手册上典型应用电路，在此不再累述。
30.拓展接口电源控制电路32，控制拓展接口模块2的供电状态，在拓展接口模块2不工作时，断开拓展接口模块2的电源，进而减少整体的能耗。本实施例中，拓展接口电源控制电路32的输入端与电源电路31的电能输出端电性连接，拓展接口电源控制电路32的输出端与拓展接口模块2的供电端电性连接，拓展接口电源控制电路32的控制端与控制器5的i/o口电性连接。拓展接口模块2包括485通讯接口21、状态检测接口22和编码接口23；所述拓展接口电源控制电路32的输出端与485通讯接口21、状态检测接口22和编码接口23的供电端
电性连接，所述485通讯接口21、状态检测接口22和编码接口23的输出端均与控制器5的模拟输入端电性连接。
31.优选的，如图3所示，拓展接口电源控制电路32包括继电器u3、电阻r14、电阻r15、三极管q3和二极管d3；具体的，电阻r14的一端作为拓展接口电源控制电路32的控制端与控制器5的i/o口电性连接，电阻r14的另一端分别与三极管q3的基极、电阻r15的一端电性连接，电阻r15的另一端与三极管q3的发射极接地，三极管q3的集电极分别与二极管d3的阳极、继电器u3的第八引脚电性连接，继电器u3的第一引脚和二极管d3的阴极电性连接，继电器u3的第一引脚还作为电源电路31的电能输出端，继电器u3的第二引脚和继电器u3的第七引脚与485通讯接口21的供电端电性连接，继电器u3的第三引脚和继电器u3的第六引脚与状态检测接口22的供电端电性连接，继电器u3的第四引脚和继电器u3的第五引脚与编码接口23的供电端电性连接。其中，v_in1表示电源电路31的电能输出端，v_1表示485通讯接口21的供电端、v_2表示状态检测接口22的供电端、v_3表示编码接口23的供电端，将拓展接口电源控制电路32的控制端与控制器5的i/o口的引脚标记记为pwr_ctl，当拓展接口模块2不工作时，控制器5的i/o口输出高电平至三极管q3，三极管q3导通，二极管d3截止，进而切断电源电路31与拓展接口模块2供电端之间的供电线路。
32.传感器电源控制电路33，控制传感器数据采集模块1的供电状态，在传感器数据采集模块1不工作时，断开传感器数据采集模块1的电源，进而减少整体的能耗。本实施例中，传感器电源控制电路33的输入端与电源电路31的电能输出端电性连接，传感器电源控制电路33的输出端与传感器数据采集模块1的供电端电性连接，传感器电源控制电路33的控制端与控制器5的i/o口电性连接。优选的，如图4所示，所述传感器电源控制电路33包括电阻r1-r4、三极管q1和mos管q2；其中，电阻r1的一端与控制器5的i/o口电性连接，电阻r1的另外一端分别与电阻r2的一端、三极管q1的基极电性连接，电阻r2的另一端与三极管q1的发射极均接地，三极管q1的集电极分别与电阻r3的一端、电阻r4的一端电性连接，电阻r3的另一端接 12v电压，电阻r4的另一端与mos管q2的栅极电性连接，mos管q2的源极与电源电路31的电能输出端电性连接，mos管q2的漏极与传感器数据采集模块1的供电端电性连接。其中，vin表示电源电路31的电能输出端，vout表示传感器数据采集模块1的供电端；三极管q1、电阻r1-r4构成mos管q2的驱动电路；当传感器数据采集模块1不工作时，控制器5的i/o口输出驱动三极管q1截止的脉冲信号，进而驱动mos管q1断开，切断电源电路31与传感器数据采集模块1的供电端之间的供电线路。
33.通讯模块4，用于传输数据至服务器6。本实施例还包括lora网关7，通讯模块4包括lora通讯模块41和4g通讯模块42；所述lora通讯模块41和4g通讯模块42通信口分别与控制器5的通信端电性连接；所述，所述lora通讯模块41通过lora网关7与服务器6信号连接，所述4g通讯模块42与服务器6信号连接。
34.传感器数据采集模块1将采集到的数据信号传输至控制器5，拓展接口模块2也可通过外接设备采集对应的数据信号传输至控制器5，控制器5通过通讯模块4将接收到的数据信号传输至通讯模块4，通讯模块4将数据信号传输至服务器6；当网络信号强时，控制器5通过4g模块将采集到的数据信号传输至服务器6；当信号弱时，控制器5通过lora模块与lora网关7通信，并切断与4g模块的连接，lora网关7将控制器5接收的数据信号传输至服务器6。其中，采用4g模块和lora模块进行无线通信属于本领域的公知常识，本领域的技术人
员可以根据现有文献的记载实现4g通信和lora通信。
35.控制器5，还控制拓展接口电源控制电路32、传感器电源控制电路33的导通或截止。本实施例中，不限定控制器5的具体型号，优选的，可以选用stm32l151低功耗主控制器5，降低整个系统的功耗。其中，stm32l151的pa9和pa10引脚分别与4g通讯模块42的通信端电性连接，stm32l151的pa2和pa3引脚分别与lora通讯模块41的通信端电性连接，stm32l151的pb6引脚与传感器电源控制电路33的控制端电性连接，stm32l151的pa0引脚与拓展接口模块2电源控制电路的控制端电性连接，stm32l151的pd8和pd9引脚分别与485通讯接口的输出端电性连接，stm32l151的pc10和pc11引脚分别与状态检测接口22的输出端电性连接,stm32l151的pd5和pd6引脚分别与编码接口23的输出端电性连接。
36.lora网关7，放置在信号良好的位置，并在整体运用中时刻处于监听模式；当4g网络信号弱时，控制器5可通过自组的lora网络“告知”lora网关7，lora网关7将发布指令至控制器5，控制器5接收到该指令后，切断各个无线数据采集单元上的4g模块，转到lora网络，再通过lora网络将传感器自身采集到的变化量以及预警指令发送给lora网关7，lora网关7通过信号好的4g网络上传至服务器6。其中，lora网关7的监听模式属于网关固有属性，属于现有技术，在此不再累述；控制器5根据指定切换通信模式也是本领域的公知常识，属于现有技术，在此不再累述。
37.服务器6，接收4g模块或lora网关7上传传感器及外接设备采集的数据信号。
38.优选的，本实施例还包括数据存储模块8；所述数据存储模块8通过数据线与控制器5电性连接。数据存储模块8用于在现场完全没有4g网络的情况下，存储数据。
39.本实施例的工作原理为：当拓展接口模块2不工作时，控制器5驱动驱动拓展接口电源控制电路32中的三极管q3导通，二极管d3截止，进而切断电源电路31与拓展接口模块2供电端之间的供电线路，当传感器数据采集模块1不工作时，控制器5的i/o口输出驱动三极管q1截止的脉冲信号，进而驱动mos管q1断开，切断电源电路31与传感器数据采集模块1的供电端之间的供电线路。当网络信号强时，控制器5通过4g模块将采集到的数据信号传输至服务器6；当信号弱时，控制器5通过lora模块与lora网关7通信，并切断与4g模块的连接，lora网关7将控制器5接收的数据信号传输至服务器6。
40.本实施例的有益效果为：通过设置拓展接口模块2，来拓展多功能智能采集仪的通道数量，增加实用性和延展性，通过设置拓展接口电源控制电路32，可以在拓展接口模块2不工作时，切断电源电路31和拓展接口模块2之间的供电线路，进而减少整体的能耗；
41.通过设置传感器电源控制电路33，可以在某传感器不工作时，切断电源电路31与传感器数据采集模块1的供电端之间的供电线路，进而减少整体的能耗；
42.本实施例提供的一种多功能智能采集仪可同时利用公网和自由网络进行数据传输，无惧现场网络环境，通讯模块4中设置了lora模块和4g模块，提供公网和自由网络两种方式进行数据传输，扩展了应用场景，并且可以根据现场网络环境切换lora模块和4g模块，使实现数据的高效传输，保证数据传输的可靠性；
43.数据存储模块8可以在完全没有4g网络的情况下对数据进行保存，防止数据丢失。
44.以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。