CN112185087A - 一种低功耗的串口物联网装置和土木工程自动化监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功耗的串口物联网装置和土木工程自动化监测系统，利用直流供电输出接口和RS485接口，能够适配于大多数用于监测土木工程数据的传感器，再通过LORA模块发送传感数据，能够适于土木工程自动化监测场景的大范围数据采集要求；并且，利用LORA模块的低功耗低特性，配合MCU工作于低功耗模式来降低串口物联网装置的功耗，使得MCU和直流供电输出接口所接传感器的供电能够由电池通过稳压模块和升压模块提供，并大大的增强了串口物联网装置的续航能力，以满足土木工程自动化监测的长期数据采集要求，避免了大量布设电力或数据线缆；因此，本发明适用于土木工程自动化监测领域，具有功耗低、安装维护方便、成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种低功耗的串口物联网装置和土木工程自动化监测系统。
背景技术
土木工程自动化监测领域，传感器的数据通讯方式分为两大类：有线通讯、无线通讯。数据有线通信，就是利用双绞线、网线、光纤或同轴电缆等实体线路对数据进行数据的传输的方式，其特点为采样频率高，但布线、集线复杂，且需要持续供电，能耗较高、有线链路易损坏。数据无线传输是指桥梁或结构端将数据通过无线发射器调制发射，利用无线传输信道进行传输，经由中间收发装置的信号中继，最后在控制中心采用无线接收器解调后进行处理；常采用无线方式的现场数据通信技术有：Bluetooth技术、射频技术、Zigbee技术、LoRa技术等。其中，ZigBee技术具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的特性；而LoRa改变了传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供了一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而可以扩展传感网络。
目前，用于土木工程自动化监测领域的传感器多为有线通讯，采用LoRa技术进行数据传输的更为少见。同时，物联网常用的LoRa通讯模块由于未封装、供电需求高、传输方式单一等缺点，不适用于土木工程自动化监测相关领域。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种低功耗的串口物联网装置和土木工程自动化监测系统。
解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种低功耗的串口物联网装置，其特征在于，包括：安装在装置外壳中的串口物联网单元、电池、稳压模块和天线接口，所述串口物联网单元设有带LORA模块的MCU、升压模块、直流供电输出接口、串口转RS485模块和RS485接口，所述天线接口、直流供电输出接口和RS485接口均向所述装置外壳的外部露出；
所述电池的输出电压通过所述稳压模块转换为5V直流电，所述升压模块将该5V直流电分为两路，一路直接为所述MCU供电，另一路提升为12V直流电后提供给所述直流供电输出接口，以为所述直流供电输出接口所连接的传感器提供12直流电供电；
所述MCU的LORA天线端口连接所述天线接口，所述天线接口用于安装LORA天线，使得LORA天线处于装置外壳的外部而保证通信信号良好，所述MCU的串口通过所述串口转RS485模块连接所述RS485接口；所述MCU能够工作在低功耗模式；在所述低功耗模式下，所述MCU按照预设的时间间隔循环的处于唤醒状态和休眠状态下；在所述唤醒状态下，所述MCU按照预设的采样频率，通过所述串口转RS485模块接收所述RS485接口所连接传感器的传感数据，并将接收到的传感数据通过所述LORA模块发送到其所接入的LORA通信网络；在所述休眠状态下，所述MCU休眠。
从而，本发明的串口物联网装置利用直流供电输出接口提供12直流电供电，并利用RS485接口接收传感数据，能够适配于大多数用于监测土木工程数据的传感器，再通过LORA模块发送传感数据，能够实现远距离、大容量的传感数据无线传输，适于土木工程自动化监测场景的大范围数据采集要求；
并且，本发明利用LORA模块的低功耗低特性，配合MCU工作于低功耗模式来降低串口物联网装置的功耗，使得MCU和直流供电输出接口所接传感器的供电能够由电池通过稳压模块和升压模块提供，并大大的增强了串口物联网装置的续航能力，以满足土木工程自动化监测的长期数据采集要求；而且，由电池进行供电，降低了串口物联网装置的安装维护难度和成本，避免了大量布设电力或数据线缆，有利于提高土木工程自动化监测系统的布设效率，并降低成本；
因此，本发明适用于土木工程自动化监测领域，具有功耗低、安装维护方便、成本低的优点。
优选的：所述电池与所述稳压模块之间串接有电容，用以满足某些传感器工作时的大功率放电需求。
优选的：所述MCU通过电压侦测电路监测所述电池的电压，并根据监测到的电压换算出所述电池的电量，以在所述电池的电量低于预设的预警值时，通过所述LORA模块发出低电量报警信号，用以提醒工作人员进行电池更换，降低了串口物联网装置的维护难度。
优选的：所述的串口物联网装置还包括安装在所述装置外壳中并向外露出的直流供电输入接口，所述稳压模块能够将所述直流供电输入接口接入的9V～36V的交流电或直流电转换为5V直流电。从而，本发明的串口物联网装置也可以利用外部电源进行供电，以满足某些应用场景的需求。
优选的：所述串口物联网单元设有向所述装置外壳的外部露出的功能按键；所述功能按键的短按按键信号能够控制所述MUC在所述低功耗模式和正常工作模式之间切换，在所述正常工作模式下，所述MCU持续处于所述唤醒状态下；并且，所述功能按键超过预设按键时间的长按按键信号能够强制所述MCU进入所述唤醒状态。从而，能够便于本发明的串口物联网装置在其他应用场景下的使用。
优选的：所述电池为锂亚电池，可支持一节或多节锂亚电池，能够支持串口物联网装置续航3至5年。
优选的：所述串口物联网单元设有向所述装置外壳的外部露出的状态指示灯，该状态指示灯连接所述MCU，以保持装置的低功耗同时，显示串口物联网装置的工作状态及网络信号状态。
优选的：所述串口物联网单元设有向所述装置外壳的外部露出的复位按键，该复位按键连接所述MCU，以在串口物联网装置处于死机状态时，可以按复位按键进行硬件复位重启操作。
优选的：所述串口物联网单元设有向所述装置外壳的外部露出的调试串口，该调试串口连接所述MCU，以便于将串口物联网装置通过串口转USB线连接至电脑上进行开发调试，调试跟踪及轮询PPTM指令设计，用以调节轮询PPTM指令发送间隔，工作时序及指令格式等。
优选的：所述MCU能够通过所述LORA模块接收升级数据，以进行OTA升级。从而，在实际物联系统长期监测过程中，当实际传感器变动、或模块自身bug等可对模块软件系统进行升级维护，进一步降低了设备和整个监测系统的成本、维护安装难度。
一种土木工程自动化监测系统，包括多个用于监测土木工程数据的传感器和用于接收所述土木工程数据的服务器；其特征在于：所述的土木工程自动化监测系统还包括LORA网关和与所述传感器一一对应设置的物联网装置；所述物联网装置为所述低功耗的串口物联网装置，所述串口物联网装置的直流供电输出接口和RS485接口分别连接对应传感器的电源端和传感数据输出端，各个所述串口物联网装置的LORA模块分别接入所述LORA网关组成LORA通信网络，使得：每一个所述串口物联网装置均能够在其MCU处于唤醒状态时，按照预设的采样频率，将其所连接传感器的传感数据通过所述LORA网关发送到所述服务器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的串口物联网装置利用直流供电输出接口提供12直流电供电，并利用RS485接口接收传感数据，能够适配于大多数用于监测土木工程数据的传感器，再通过LORA模块发送传感数据，能够实现远距离、大容量的传感数据无线传输，适于土木工程自动化监测场景的大范围数据采集要求；
并且，本发明利用LORA模块的低功耗低特性，配合MCU工作于低功耗模式来降低串口物联网装置的功耗，使得MCU和直流供电输出接口所接传感器的供电能够由电池通过稳压模块和升压模块提供，并大大的增强了串口物联网装置的续航能力，以满足土木工程自动化监测的长期数据采集要求；而且，由电池进行供电，降低了串口物联网装置的安装维护难度和成本，避免了大量布设电力或数据线缆，有利于提高土木工程自动化监测系统的布设效率，并降低成本；
因此，本发明适用于土木工程自动化监测领域，具有功耗低、安装维护方便、成本低的优点。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明的串口物联网装置的电路原理框图；
图2为本发明的土木工程自动化监测系统的系统框图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图对本发明进行详细说明，以帮助本领域的技术人员更好的理解本发明的发明构思，但本发明权利要求的保护范围不限于下述实施例，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明之发明构思的前提下，没有做出创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
如图1和图2所示，本发明公开的是一种低功耗的串口物联网装置，包括：安装在装置外壳中的串口物联网单元、电池、稳压模块和天线接口，所述串口物联网单元设有带LORA模块的MCU、升压模块、直流供电输出接口、串口转RS485模块和RS485接口，所述天线接口、直流供电输出接口和RS485接口均向所述装置外壳的外部露出；
所述电池的输出电压通过所述稳压模块转换为5V直流电，所述升压模块将该5V直流电分为两路，一路直接为所述MCU供电，另一路提升为12V直流电后提供给所述直流供电输出接口，以为所述直流供电输出接口所连接的传感器提供12直流电供电；
所述MCU的LORA天线端口连接所述天线接口，所述天线接口用于安装LORA天线，使得LORA天线处于装置外壳的外部而保证通信信号良好，所述MCU的串口通过所述串口转RS485模块连接所述RS485接口；所述MCU能够工作在低功耗模式；在所述低功耗模式下，所述MCU按照预设的时间间隔循环的处于唤醒状态和休眠状态下；在所述唤醒状态下，所述MCU按照预设的采样频率，通过所述串口转RS485模块接收所述RS485接口所连接传感器的传感数据，并将接收到的传感数据通过所述LORA模块发送到其所接入的LORA通信网络；在所述休眠状态下，所述MCU休眠。
从而，本发明的串口物联网装置利用直流供电输出接口提供12直流电供电，并利用RS485接口接收传感数据，能够适配于大多数用于监测土木工程数据的传感器，再通过LORA模块发送传感数据，能够实现远距离、大容量的传感数据无线传输，适于土木工程自动化监测场景的大范围数据采集要求；
并且，本发明利用LORA模块的低功耗低特性，配合MCU工作于低功耗模式来降低串口物联网装置的功耗，使得MCU和直流供电输出接口所接传感器的供电能够由电池通过稳压模块和升压模块提供，并大大的增强了串口物联网装置的续航能力，以满足土木工程自动化监测的长期数据采集要求；而且，由电池进行供电，降低了串口物联网装置的安装维护难度和成本，避免了大量布设电力或数据线缆，有利于提高土木工程自动化监测系统的布设效率，并降低成本；
因此，本发明适用于土木工程自动化监测领域，具有功耗低、安装维护方便、成本低的优点。
以上为本实施例一的基本实施方式，可以在该基本实施方式的基础上做进一步的优化、改进和限定：
优选的：所述电池与所述稳压模块之间串接有电容，用以满足某些传感器工作时的大功率放电需求。
优选的：所述MCU通过电压侦测电路监测所述电池的电压，并根据监测到的电压换算出所述电池的电量，以在所述电池的电量低于预设的预警值时，通过所述LORA模块发出低电量报警信号，用以提醒工作人员进行电池更换，降低了串口物联网装置的维护难度。
优选的：所述的串口物联网装置还包括安装在所述装置外壳中并向外露出的直流供电输入接口，所述稳压模块能够将所述直流供电输入接口接入的9V～36V的交流电或直流电转换为5V直流电。从而，本发明的串口物联网装置也可以利用外部电源进行供电，以满足某些应用场景的需求。
优选的：所述串口物联网单元设有向所述装置外壳的外部露出的功能按键；所述功能按键的短按按键信号能够控制所述MUC在所述低功耗模式和正常工作模式之间切换，在所述正常工作模式下，所述MCU持续处于所述唤醒状态下；并且，所述功能按键超过预设按键时间的长按按键信号能够强制所述MCU进入所述唤醒状态。从而，能够便于本发明的串口物联网装置在其他应用场景下的使用。
优选的：所述电池为锂亚电池，可支持一节或多节锂亚电池，能够支持串口物联网装置续航3至5年。
优选的：所述串口物联网单元设有向所述装置外壳的外部露出的状态指示灯，该状态指示灯连接所述MCU，以保持装置的低功耗同时，显示串口物联网装置的工作状态及网络信号状态。
优选的：所述串口物联网单元设有向所述装置外壳的外部露出的复位按键，该复位按键连接所述MCU，以在串口物联网装置处于死机状态时，可以按复位按键进行硬件复位重启操作。
优选的：所述串口物联网单元设有向所述装置外壳的外部露出的调试串口，该调试串口连接所述MCU，以便于将串口物联网装置通过串口转USB线连接至电脑上进行开发调试，调试跟踪及轮询PPTM指令设计，用以调节轮询PPTM指令发送间隔，工作时序及指令格式等。
优选的：所述MCU能够通过所述LORA模块接收升级数据，以进行OTA升级。从而，在实际物联系统长期监测过程中，当实际传感器变动、或模块自身bug等可对模块软件系统进行升级维护，进一步降低了设备和整个监测系统的成本、维护安装难度。
实施例二
本发明还公开了一种土木工程自动化监测系统，包括多个用于监测土木工程数据的传感器和用于接收所述土木工程数据的服务器；所述的土木工程自动化监测系统还包括LORA网关和与所述传感器一一对应设置的物联网装置；所述物联网装置为实施例一所述低功耗的串口物联网装置，所述串口物联网装置的直流供电输出接口和RS485接口分别连接对应传感器的电源端和传感数据输出端，各个所述串口物联网装置的LORA模块分别接入所述LORA网关组成LORA通信网络，使得：每一个所述串口物联网装置均能够在其MCU处于唤醒状态时，按照预设的采样频率，将其所连接传感器的传感数据通过所述LORA网关发送到所述服务器。
本发明不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种低功耗的串口物联网装置，其特征在于，包括：安装在装置外壳中的串口物联网单元、电池、稳压模块和天线接口，所述串口物联网单元设有带LORA模块的MCU、升压模块、直流供电输出接口、串口转RS485模块和RS485接口，所述天线接口、直流供电输出接口和RS485接口均向所述装置外壳的外部露出；
所述电池的输出电压通过所述稳压模块转换为5V直流电，所述升压模块将该5V直流电分为两路，一路直接为所述MCU供电，另一路提升为12V直流电后提供给所述直流供电输出接口，以为所述直流供电输出接口所连接的传感器提供12直流电供电；
所述MCU的LORA天线端口连接所述天线接口，所述天线接口用于安装LORA天线，所述MCU的串口通过所述串口转RS485模块连接所述RS485接口；所述MCU能够工作在低功耗模式；在所述低功耗模式下，所述MCU按照预设的时间间隔循环的处于唤醒状态和休眠状态下；在所述唤醒状态下，所述MCU按照预设的采样频率，通过所述串口转RS485模块接收所述RS485接口所连接传感器的传感数据，并将接收到的传感数据通过所述LORA模块发送到其所接入的LORA通信网络；在所述休眠状态下，所述MCU休眠。
2.根据权利要求1所述低功耗的串口物联网装置，其特征在于：所述电池与所述稳压模块之间串接有电容。
3.根据权利要求1或2所述低功耗的串口物联网装置，其特征在于：所述MCU通过电压侦测电路监测所述电池的电压，并根据监测到的电压换算出所述电池的电量，以在所述电池的电量低于预设的预警值时，通过所述LORA模块发出低电量报警信号。
4.根据权利要求1或2所述低功耗的串口物联网装置，其特征在于：所述的串口物联网装置还包括安装在所述装置外壳中并向外露出的直流供电输入接口，所述稳压模块能够将所述直流供电输入接口接入的9V～36V的交流电或直流电转换为5V直流电。
5.根据权利要求1或2所述低功耗的串口物联网装置，其特征在于：所述串口物联网单元设有向所述装置外壳的外部露出的功能按键；所述功能按键的短按按键信号能够控制所述MUC在所述低功耗模式和正常工作模式之间切换，在所述正常工作模式下，所述MCU持续处于所述唤醒状态下；并且，所述功能按键超过预设按键时间的长按按键信号能够强制所述MCU进入所述唤醒状态。
6.根据权利要求1或2所述低功耗的串口物联网装置，其特征在于：所述串口物联网单元设有向所述装置外壳的外部露出的状态指示灯，该状态指示灯连接所述MCU。
7.根据权利要求1或2所述低功耗的串口物联网装置，其特征在于：所述串口物联网单元设有向所述装置外壳的外部露出的复位按键，该复位按键连接所述MCU。
8.根据权利要求1或2所述低功耗的串口物联网装置，其特征在于：所述串口物联网单元设有向所述装置外壳的外部露出的调试串口，该调试串口连接所述MCU。
9.根据权利要求1或2所述低功耗的串口物联网装置，其特征在于：所述MCU能够通过所述LORA模块接收升级数据，以进行OTA升级。
10.一种土木工程自动化监测系统，包括多个用于监测土木工程数据的传感器和用于接收所述土木工程数据的服务器；其特征在于：所述的土木工程自动化监测系统还包括LORA网关和与所述传感器一一对应设置的物联网装置；所述物联网装置为权利要求1至9任意一项所述低功耗的串口物联网装置，所述串口物联网装置的直流供电输出接口和RS485接口分别连接对应传感器的电源端和传感数据输出端，各个所述串口物联网装置的LORA模块分别接入所述LORA网关组成LORA通信网络，使得：每一个所述串口物联网装置均能够在其MCU处于唤醒状态时，按照预设的采样频率，将其所连接传感器的传感数据通过所述LORA网关发送到所述服务器。
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