一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置、系统及
方法
技术领域
背景技术
[0002] 物联网通信技术主要分为两类，一类是短距离通信方式，如Zigbee、Z-wave及蓝牙等通信方式，另一类则是基于传统3G/4G等长距离通信方式。短距离通信方式具有低功耗、低成本等优势，但由于其传输距离较短，导致长距离传输需要部署多个中继
节点，因此网络拓扑复杂、
稳定性较差；3G/4G通信方式则具有通信
覆盖面广、传输速率高等优势，然而其对设备
能量消耗大，不适合作为底层物联网通信技术。
[0003] NB-IoT作为一种基于LTE蜂窝移动网络的窄带IoT技术，具有长距离传输、海量连接、深度覆盖、低功耗、低成本等优势。NB-IoT上行链路采用单载波SC-FDMA多址方式，使用BPSK或QPSK进行调制，通过单频传输尽可能降低终端设备功耗以延长设备待机时间，上行链路单频传输占用48个
子载波，除了LTE网络中规定的15kHz子载波间隔，还增设3.75kHz子载波间隔，上行链路传输速率在160～250kb/s之间；下行链路兼容LTE下行链路，采用间隔15kHz的OFDMA子载波，调制方式为QPSK，传输速率在160～250kb/s。据悉，工信部正在推动NB-IoT(窄带物联网)标准化，将从NB-IoT模
块外形、封装以及针脚定义等方面提出新的要求。业内人士认为，标准将促进物联网规模化商用全面提速，NB-IoT也必将成为主流的物联网通讯方式。
[0004]
传感器作为一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电
信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。现有的传感器一般采用有线方式。现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的
质量。现有的传感数据采集，一般为单类型采集，无法实现对多种传感数据的统一分析和处理，数据采集成本高，不能满足数据的实时监测需求。
[0005] 低功耗是
电池供电无线传输产品的灵魂，只有实现低功耗，无线传输产品才能脱离有线外接电源，实现自带电池供电，才能真正做到无线，充分体现无线带给用户的便利性，从而实现大规模应用，最终实现产品的社会、经济价值。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置、系统及方法，实现传感数据信号的调理、采集、显示和远距离无线传输一体化，让每个传感器成为独立的物联网的一个终端，提高传感数据的监测效率。
[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置，所述数据采集装置包括壳体，所述壳体内部设有
电路板，所述数据采集装置还包括主控模块、NB-IoT模块、数据传感模块、A/D采集模块、信号调理模块和电源模块；所述主控模块设置在所述壳体内部；所述NB-IoT模块与所述主控模块建立连接关系，NB-IoT模块包括NB-IoT芯片，NB-IoT模块用于数据采集装置进行无线数据传输通信；所述数据传感模块与所述信号调理模块建立连接关系，数据传感模块用于获取数据源的传感数据；所述信号调理模块与所述数据传感模块建立连接关系，信号调理模块对数据传感模块驱动并且把数据传感模块转变的
电信号进行滤波、放大到适应A/D采集的
电压范围；所述A/D采集模块与所述主控模块建立连接关系，A/D采集模块与所述信号调理模块建立连接关系，A/D采集模块用于将信号调理模块调理后的
模拟信号转变为
数字信号；所述电源模块与所述主控模块建立连接关系，电源模块用于为数据采集装置的主控模块、NB-IoT模块、数据传感模块、A/D采集模块和信号调理模块提供工作电压。
[0008] 如上所述的一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置，所述NB-IoT模块采用移远通信BC28模块。NB-IoT模块基于蜂窝的窄带物联网，是IoT领域一个新兴技术，构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络。
[0009] 如上所述的一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置，所述数据传感模块采用
热电偶传感器、热
电阻传感器、
压力传感器、位移传感器、应变传感器和/或
液位传感器。数据传感模块用于获取数据源的传感数据，根据传感数据获取场合不同可以采用热电偶传感器、热电阻传感器、
压力传感器、位移传感器、应变传感器和/或液位传感器。
[0010] 如上所述的一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置，所述数据采集装置还包括显示模块、按键模块，所述显示模块与所述主控模块建立连接关系，显示模块用于显示数据传感模块的信号值以及操作菜单、设置界面，显示模块采用
液晶或者数码管；所述按键模块与所述主控模块建立连接关系，按键模块用于设置数据采集装置的参数和显示界面切换。
[0011] 如上所述的一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置，所述数据采集装置还包括有线通信模块，所述有线通信模块与主控模块建立连接关系，有线通信模块用于数据采集装置进行有线通讯，有线通信模块采用485、CAN
接口或者以太网。
[0012] 如上所述的一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置，所述信号调理模块给传感器供电芯片采用ADA4051-1，传感器信号输出阻容滤波的电容采用COG材质的电容，放大芯片采用AD8237，当传感器不工作的时候，通过CMOS管Q3关断信号调理模块的电源，当显示模块不工作的时候，通过CMOS管Q2关断显示模块的
背光电源。主控芯片大部分时间维持低功耗状态。
[0013] 本发明还提供一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集系统，所述数据采集系统包括上述的数据采集装置，所述数据采集系统还包括NB-IoT基站、NB-IoT网络、管理
服务器及客户端，所述数据采集装置与数据采集源建立连接关系，数据采集源与数据采集装置形成传感数据
感知节点；所述NB-IoT基站与所述传感数据感知节点建立连接关系，NB-IoT基站与传感数据感知节点通过移动通信交换中心进行信息传递，NB-IoT基站通过所述NB-IoT网络与所述管理服务器建立连接关系；所述管理服务器包括数据存储模块、数据筛分模块及数据统计模块，所述数据存储模块用于存储数据采集装置采集的数据信号，所述数据筛分模块与所述数据存储模块建立连接关系，数据筛分模块用于对数据采集装置采集的数据信号按照数据采集源进行分类，所述数据统计模块与所述数据筛分模块建立连接关系，数据统计模块用于对数据采集装置采集的数据信号按照数据采集源进行统计分析；所述客户端与所述管理服务器建立连接关系，客户端用于接收所述管理服务器筛分、统计后的对应于数据采集源的传感数据信息。
[0014] 如上所述的一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集系统，所述数据采集源是指数据采集的场合，数据采集源包括热电偶采集场合、热电阻采集场合、压力采集场合、位移采集场合、应变采集场合和/或液位采集场合。
[0015] 如上所述的一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集系统，所述客户端采用手机或电脑，所述手机运行有对接所述数据采集系统的微信公众平台或应用程序，所述电脑运行有连接到所述数据采集系统的浏览器。
[0016] 本发明还提供一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集方法，所述数据采集方法采用上述的数据采集装置，通过上述的数据采集系统，所述数据采集方法包括以下步骤：
[0017] 在数据采集场合布设数据采集装置，数据采集装置的数据传感模块获取所处数据采集场合的模拟信号；
[0018] 数据传感模块将采集的模拟
信号传输到信号调理模块，信号调理模块将接受的模拟信号进行滤波、放大到适应A/D采集模块的电压范围；
[0019] A/D采集模块将信号调理模块滤波、放大后的模拟信号转变为数字信号；
[0020] 数据采集装置利用NB-IoT模块通过NB-IoT基站将数字信号借助NB-IoT网络发送到管理服务器的数据存储模块；
[0021] 数据筛分模块按照数据传感模块的种类对数据存储模块存储的数字信号进行筛分，数据分析模块对筛分后的数字信号进行统计分析；
[0022] 管理服务器将筛分、统计后的传感数据通过网络发送到对应的客户端。
[0023] 本发明具有如下优点：采用NB-IoT的无线通讯技术，可以对不同场合的
传感器数据进行获取分析和统计，管理人员可以实时监控设备的传感数据。实现传感器数据管理的一体化，可以进行远距离传输，成本低，功耗低，满足对传感数据的采集需求。
附图说明
[0024] 图1为基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置结构示意图；
[0025] 图2为基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置主控模块电路原理图；
[0026] 图3为基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置信号调理模块电路原理图；
[0027] 图4为基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置NB-IoT模块电路原理图；
[0028] 图5为基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置显示模块电路原理图；
[0029] 图6为基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置按键模块电路原理图；
[0030] 图7为基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置电源模块电路原理图；
[0031] 图8为基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集系统示意图；
[0032] 图9为基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集方法
流程图。
具体实施方式
[0033] 以下
实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0034] 如图1所示，一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置，所述数据采集装置包括壳体，所述壳体内部设有
电路板，所述数据采集装置还包括主控模块1、NB-IoT模块2、数据传感模块3、A/D采集模块4、信号调理模块5和电源模块6；所述主控模块1设置在所述壳体内部；所述NB-IoT模块2与所述主控模块1建立连接关系，NB-IoT模块2包括NB-IoT芯片，NB-IoT模块2用于数据采集装置进行无线数据传输通信；所述数据传感模块3与所述信号调理模块5建立连接关系，数据传感模块3用于获取数据源的传感数据；所述信号调理模块5与所述数据传感模块3建立连接关系，信号调理模块5对数据传感模块3驱动并且把数据传感模块3转变的电信号进行放大、滤波到适应A/D采集的电压范围；所述A/D采集模块4与所述主控模块1建立连接关系，A/D采集模块4与所述信号调理模块5建立连接关系，A/D采集模块4用于将信号调理模块5调理后的模拟信号转变为数字信号；所述电源模块6与所述主控模块1建立连接关系，电源模块6用于为数据采集装置的主控模块1、NB-IoT模块2、数据传感模块3、A/D采集模块4和信号调理模块5提供工作电压。主控模块1、NB-IoT模块2、数据传感模块3、A/D采集模块4、信号调理模块5和电源模块6可以集成到电路板上。
[0035] 参见图2，基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置的一个实施例中，主控模块的主控芯片采用STM32F030C8T6，该芯片基于ARM Cortex-M0架构，内部集成了FLASH、SRAM、A/D、UART、IIC、SPI、I/O等各种功能，功能强大，且功耗极低，非常适合电池供
电场合。另外保留了485有线通讯，方便用户根据现场情况，灵活选择通讯方式。
[0036] 参见图3，信号调理模块5主要功能包括给传感器供电，以及对传感器输出的信号进行滤波和放大。供电部分主要采用了ADI公司的运放芯片AD4051-1，是CMOS、微功耗、零漂移
运算放大器，采用创新的斩波技术。当采用1.8V至5.5V的电源供电时，这些放大器具有轨到轨输入和输出，以及极低的失调电压。此外，这些放大器还具有很高的电源抑制比(PSRR)和共模抑制比(CMRR)，而每个放大器的典型电源
电流只有13μA，非常适合注重高
精度和低功耗的电池供电应用。给传感器供电方式有恒压源、恒流源两种方式可选。当外接传感器需要采用恒压源供电时，R3、R5不
焊接，此类传感器有基于惠斯通电桥原理的压力传感器、应变传感器和液位传感器、电位器式位移传感器等；当外接传感器需要采用恒流源供电时，R2、R6不焊接，通过R3选取合适的阻值，来设定给传感器的供电电流大小，此类传感器有：热电阻等。传感器信号经过阻容滤波，信号放大再进入主控芯片的A/D管脚。信号放大可以采用ADI公司的微功耗、零漂移、真正的轨到轨仪表运放AD8237，它可通过两个相对匹配的电阻R4和R32设置1至1000间的任何增益。在任何增益下均可用比率匹配的两个电阻保持出色的增益精度。AD8237采用新颖的间接电流反馈架构，以实现真正的轨到轨能力。与传统
仪表放大器相反，AD8237可以在共模电压等于或略微高于其
电源电压下完全放大信号。这样便使得高共模电压的应用可以采用更小的电源，节约
电能。AD8237非常适合于低功耗系统，其最小电源电压为1.8V，电源电流为115μA(典型值)，并且具有宽输入范围；它充分利用有限的功率，同时仍为台式系统提供合适的带宽和漂移性能。
[0037] 参见图7，电源模块6为设备提供电池供电，同时也预留接口接外部直流5V电源作为备用电源，另外为了实现低功耗，对信号调理部分的电源实现了自动控制，只有在需要信号采集的时候，才打开信号调理模块的电源。因为NB-IOT通讯的场合，一般传感器工作不需要太频繁，这样可以节省电量，提高电池的续航能力，提高了产品的实用性，对产品的大规模推广应用具有重大意义。
[0038] 参见图4，基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置的一个实施例中，所述NB-IoT模块2采用移远通信BC28模块。NB-IoT模块2基于蜂窝的窄带物联网，是IoT领域一个新兴技术，构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络。NB-IoT模块2采用移远通信BC28模块，采用UART与主控芯片通讯，该模块是最新的NB-IOT模块，是BC95的升级版，尺寸更小，性能更稳定。
[0039] 基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置的一个实施例中，所述数据传感模块3采用热电偶传感器、热电阻传感器、压力传感器、位移传感器、应变传感器和/或液位传感器。数据传感模块3用于获取数据源的传感数据，根据传感数据获取场合不同可以采用热电偶传感器、热电阻传感器、压力传感器、位移传感器、应变传感器和/或液位传感器。
[0040] 参见图5、图6，基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置的一个实施例中，所述数据采集装置还包括显示模块7、按键模块8，所述显示模块7与所述主控模块1建立连接关系，显示模块7用于显示数据传感模块3的信号值以及操作菜单和设置界面，显示模块7采用液晶或者数码管；所述按键模块8与所述主控模块1建立连接关系，按键模块8用于设置数据采集装置的参数和显示界面切换。显示模块7和按键模块8的功能主要是方便现场工作人员及时查看数据和设置传感器相关参数，当然传感器的数据和相关参数也可以通过NB-IOT通讯远程查看和设置，因此该部分可以根据用户需要选配。
[0041] 基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集装置的一个实施例中，所述数据采集装置还包括有线通信模块9，所述有线通信模块9与主控模块1建立连接关系，有线通信模块9用于数据采集装置进行有线通讯，有线通信模块9采用485、CAN接口或者以太网。
[0042] 如图8所示，本发明还提供一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集系统，所述数据采集系统包括上述的数据采集装置，所述数据采集系统还包括NB-IoT基站10、NB-IoT网络11、管理服务器12及客户端16，所述数据采集装置与数据采集源17建立连接关系，数据采集源17与数据采集装置形成传感数据感知节点18；所述NB-IoT基站10与所述传感数据感知节点18建立连接关系，NB-IoT基站10与传感数据感知节点18通过移动通信交换中心进行信息传递，NB-IoT基站10通过所述NB-IoT网络11与所述管理服务器12建立连接关系；所述管理服务器12包括数据存储模块15、数据筛分模块14及数据统计模块13，所述数据存储模块15用于存储数据采集装置采集的数据信号，所述数据筛分模块14与所述数据存储模块15建立连接关系，数据筛分模块14用于对数据采集装置采集的数据信号按照数据采集源17进行分类，所述数据统计模块13与所述数据筛分模块14建立连接关系，数据统计模块13用于对数据采集装置采集的数据信号按照数据采集源17进行统计分析；所述客户端16与所述管理服务器12建立连接关系，客户端16用于接收所述管理服务器12筛分、统计后的对应于数据采集源17的传感数据信息。
[0043] 基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集系统的一个实施例中，所述数据采集源17是指数据采集的场合，数据采集源17包括热电偶采集场合、热电阻采集场合、压力采集场合、位移采集场合、应变采集场合和/或液位采集场合。
[0044] 基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集系统的一个实施例中，所述客户端16采用手机、电脑，所述手机运行有对接所述数据采集系统的微信公众平台或应用程序，所述电脑运行有连接到所述数据采集系统的浏览器。
[0045] 参见图9，本发明还提供一种基于NB-IoT的低功耗无线传感数据采集方法，所述数据采集方法采用上述的数据采集装置，通过上述的数据采集系统，所述数据采集方法包括以下步骤：
[0046] S1：在数据采集场合布设数据采集装置，数据采集装置的数据传感模块3获取所处数据采集场合的模拟信号；
[0047] S2：数据传感模块3将采集的模拟信号传输到信号调理模块，信号调理模块将接受的模拟信号进行滤波、放大到适应A/D采集模块4的电压范围；
[0048] S3：A/D采集模块4将信号调理模块滤波、放大后的模拟信号转变为数字信号；
[0049] S4：数据采集装置利用NB-IoT模块2通过NB-IoT基站10将数字信号借助NB-IoT网络11发送到管理服务器12的数据存储模块15；
[0050] S5：数据筛分模块14按照数据传感模块3的种类对数据存储模块15存储的数字信号进行筛分，数据分析模块对筛分后的数字信号进行统计分析；
[0051] S6：管理服务器12将筛分、统计后的传感数据通过网络发送到对应的客户端16。
[0052] 本发明采用NB-IoT的无线通讯技术，可以对不同场合的传感器数据进行获取分析和统计，管理人员可以实时监控设备的传感数据。实现传感器数据管理的一体化，可以进行远距离传输，成本低，功耗低，满足对传感数据的采集需求。
[0053] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明
基础上，可以对之作一些
修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
