基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统的制作方法

本实用新型涉及物联网技术领域，特别涉及一种基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统。

背景技术：

目前，随着现代航运事业的蓬勃发展，航运的管理开始逐渐的有序化、结构化和精细化，因此对船联网技术的需求也愈发强烈。其中在内河船联网方面的研究已经日趋成熟，如中国专利申请号201420117129.6公开了一种船联网北斗智能控制装置，包括：嵌入式主控制板、通信/定位模块、ais模块、zigbee模块、传感器模块、内部控制模块多媒体模块和智能终端系统等模块，实现了内河智能报闸、船舶状态监控、海事业务办理、可视化应急指挥调度和航运电子商务等功能；如中国专利申请号201420442450.1公开了一种面向内河船联网的移动智能船舶导航系统，包括：远程计算中心和智能移动终端，实现了在移动终端上进行智能船舶导航，并且能够面向船联网，接收由综合信息服务平台发布的实时航道通告、水位及气象等信息的功能；如201720488896.1公开了一种面向内河航运的智能船联网监管系统，包括：包括主控制器、obd采集单元、sdk通信单元、onvif通信单元和信号输出单元，实现了内河船联网实时监测船舶状态和数据、音视频信息，并实施传输视频数据到云端平台的功能。

虽然内河船联网相关研究启动较早取得了一定的成绩，但由于海洋航运与内河航运在网络通信方法、船舶规模、设施配备、气象海洋环境等方面存在较大差异，因此无法将内河船联网系统直接迁移到海运上，相关技术也存在显著不同，无法直接使用。因此，本实用新型针对以上问题，提出了一种基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统。

技术实现要素：

为了克服海洋航运在多种数据采集及传输方面存在的困难，本实用新型提出一种基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，该控制器不仅能够同时连接多种不同传感器，以便采集到多种多样的船舶气象海洋数据，而且能够同时使用不同的通信方式来传输这些数据和相应的控制指令，还预留了大量的二次开发和器件升级空间。

本实用新型解决问题所采用的技术方案如下：

基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，包括外壳部分及其内部核心电路板部分，所述控制器外壳上设置了多个数据传输通道接口，所述数据传输通道接口是连接内部核心板的输入输出及电源线路与外部传输线缆的接口，同时还设置了外部天线接口、按钮式电源开关、oled屏幕展示孔、按键孔和散热孔，所述外部天线接口是用于连接核心板上的zigbee无线传输模块与外部天线的接口，所述oled屏幕展示孔是用于安装板载oled屏幕，所述按键孔用于固定板载的长脚按键；

所述的内部核心电路板集成了电源模块、各类通信模块、板载传感器模块、报警电路模块、oled显示模块和单片机最小系统模块。同时外接传感器通过各类通信模块接入该节点控制器。

上述的基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，所述板载传感器模块由焊接于板上的温度传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、姿态传感器、三轴磁力计、大气压力传感器和光照传感器等传感器中的一种或是多种组合而成。

上述的基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，所述的外接传感器是指外接在核心板上用于采集船舶气象海洋数据的温度传感器、温湿度传感器、大气压力传感器、能见度传感器、大仓进水传感器、风速风向仪、可燃气体传感器、姿态传感器、电流变送器和电能测量模块等的一种或者多种的组合。

上述的基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，所述电源模块将来自于外部电源和板载3号电池的电压通过分压稳压电路后为控制器及外接传感器供电。该分压稳压电路，由多种dc/dc芯片组合而成，输出电压可以是24v、12v、5v、3.3v和2.5v中的一种或多种。

上述的基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，所述的电源模块为了防止高压电瞬间注入等异常现象，在电压注入位置安装了保险丝。

上述的基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，所述的各类通信模块可以是can、rs485、zigbee、rs232、rs422、adc、i2c和1-wire等方式中的一种或多种的组合。所述的各类通信模块中的对外通信方式可以是can、rs485和zigbee三种方式中的一种或多种的组合。

上述的基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，除了所述的外接传感器和用于对外通信的接口外，还留有空闲的通信接口，可由用户自定义功能。

上述的一种多传感器多通信方式的控制器及其系统，所述oled显示模块在单片机将来自外接的和板载的多种传感器的船舶气象海洋数据接收、处理并存储之后，通过oled显示屏对结果数据进行可视化展示，其显示模式可以是循环显示模式，也可以是菜单选择模式，还也可以是特别定制的显示方式。

上述的基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，所述单片机，优选采用stm32系列的单片机。

上述的基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，所述zigbee模块，优选dl-ln系列。

上述的基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，所述传输线缆及其接头，优选航空线缆与航空接头。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型公开了一种基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，这种节点控制器包括了外壳与内部核心电路板，外壳上有多个数据传输通道、外部天线接口、按钮式电源开关、oled安装孔、按键孔和散热孔；内部核心电路板上集成有电源模块、各类通信模块、板载传感器模块、报警电路模块、oled显示模块和单片机最小系统模块。采集的船舶气象海洋数据来自于板载传感器和外接传感器，这些数据通过多种通信方式传递至单片机，经过单片机的统一预处理过后，按照统一的标准将结果数据对外输出，有效的提高整个系统的工作效率。在单片机对外传输数据的过程中，还会对相应板载模块及外接传感器发出运行控制指令。另外本实用新型可以按需选择单个或者多个节点控制器连接的方式组成网络，其中多个控制器的连接方式具有极强的可塑性，可以布置为直线型或星型，还能根据实际情况按需布置，因此本实用新型的适用范围较广。本实用新型还配备有备用电源模块，可为内部电路板提供紧急用电；还有用户自定义接口，预留给客户自定义专属功能；还可以配备无线传输模块，可在环境允许的情况下搭建无线通信网络。从而实现了实时的采集船舶周边的如气压、湿度、风速和风向等气象与海洋数据与船舶内部的各船舱温度、船舶姿态、油温和油压等数据，各类通信模块传输采集数据，单片机预处理采集数据同时返回运行控制指令和通过有线或无线方式对外传输处理结果数据的功能。综上所述本实用新型设计合理，结构简单，防护措施齐全，供电稳定，抗干扰能力极强，具有二次开放潜力，适用于大、中、小等范围的船舶气象海洋数据的采集和监控。

附图说明

图1为本实用新型的外壳示意图。

图2为本实用新型的内部核心电路板示意图。

图3为本实用新型的系统组成框图。

图4为本实用新型的直线型结构应用示意图。

图5为本实用新型的星型结构应用示意图。

标号说明如下：

1、航空接头1；2、航空接头2；3、航空接头3；4、航空接头4；5、电源按键开关；6、散热孔；7、按键1；8、按键2；9、按键3；10、外部天线接口；11、oled安装孔；12、电流采样接口；13、电压采样接口；14、rs232通信接口；15、rs485通信接口；16、can通信接口；17、继电器接口；18、rs422通信接口；19、用户接口；20、1-wire外接传感器接口；21、电源地接口；22、电源模块；23、对外通信线接口1；24、对外通信线接口2；25、板载传感器模块；26、电流电压采集模块；27、内部电路板安装孔；28、rs232模块；29、rs485模块；30、can模块；31、继电器模块；32、rs422模块；33、zigbee模块；34、单片机；

具体实施方式

下面，为使本实用新型的技术方案更加清晰明确，将结合上述附图，对实施例中的技术方案进行清晰、透彻的描述。下面所述的实施例仅是本实用新型的部分具有代表性的实施例，并不能理解为本实用新型的限制。

【实施例1】

本实施例，为一种基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，包括外壳部分(如图1所示)和内部核心电路板部分(如图2所示)；如图1所示控制器外壳上设置有多个数据传输通道，分别是标号1-4，上述数据传输通道用于连接核心板的标号23和24对外通信线接口及外部航空线缆，同时还有外部天线接口、按钮式电源开关、oled安装孔、按键孔和散热孔等部分，所述外部天线接口用于连接核心板的zigbee模块33(标号33，下同)及外部天线，所述oled安装孔11用于安装板载oled屏幕，所述按键孔是用于固定板载长脚按键即标号7、8和9，所述散热孔6是用于散热通风同时为板载传感器提供良好的采样环境；

上述的内部核心电路板集成了电源模块、多种通信方式模块、板载传感器模块、报警电路模块、oled显示模块和单片机最小系统模块。采集的船舶气象海洋数据来自于板载传感器及外接传感器，各类传感器数据通过多种通信方式将采集数据传输至单片机，经过单片机预处理后，再对相应的板载传感器及外接传感器发出运行控制指令；所述多种通信方式模块还能用于数据的对外传输，所述电源模块用于为整个系统供电，所述oled显示模块实现数据的可视化，所述报警电路模块是在单片机发现严重错误数据或硬件故障发生时即时报警。

上述的板载传感器模块可以是温度传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、姿态传感器、三轴磁力计、大气压力传感器和光照传感器等多种中的一种，也可以是几种组合而成；

上述的外接传感器是指外接在核心板上的温度传感器、温湿度传感器、大气压力传感器、能见度传感器、大仓进水传感器、风速风向仪、可燃气体传感器、姿态传感器、电流变送器和电能测量模块等的一种或者多种的组合；

本实施例中，单片机接收到来自于板载传感器模块和外接传感器所采集到的船舶气象海洋数据后，将这些不同来源的数据分别使用对应的方式进行处理，再将其结果统一存储与发送，实现了通过多种传感器对船舶气象海洋数据进行采集、处理、存储和发送功能，克服了大部分设备只能一对一传输和采集数据范围较小的问题，扩大了数据采集的范围，提高了整个系统的工作效率；本实用新型多种通信接口能够连接特定的传感器，只要满足该接口的通信方式，都可直连，含有特殊数据格式的传感器也仅需在程序上稍作变换，因此通用性较强；本实用新型预留了用户接口，可为用户定制特色的功能，二次开发潜力较大。

【实施例2】

本实施例，如图1所示，外壳上最多可拥有4个数据传输通道，即标号1-4，连接该数据通道优选航空接头，其芯数由内部数据线数决定，本实施例为4通道6芯航空接头，其中每两芯为一组线，一组can线，一组rs485线，一组电源地线。在外壳内部，将两侧相同功能的同组通信线连接在一起，然后对称的接在如图2内部核心板标号23、24的两个对外通信线接口上，而两侧标号23、24的对外通信线接口则通过核心板将相同通信方式连接为一个整体，为图4和图5的接线方法提供了硬件基础；对于电源线部分，可将4条电源线连接在一起，然后与电源按键开关5(标号5，下同)的电源输入线相连，再将电源开关的输出线接入如图2所示电源模块22中的电源输入端口上，实现了使用电源开关控制电源输入的功能。本实施例中的两种通信方式，能够为用户带来多种选择，能够应对多种实际应用场景，使用航空线缆和内部双绞线的方式，既能有效减小环境带来的各类影响，也具有较强的耐腐蚀能力。

【实施例3】

本实施例，在上述实施例的基础上，选择如图1所示的散热孔6(标号6，下同)位置正下方安装光照传感器，并在该位置旁边安装烟雾传感器，该位置位于图2核心板板载传感器模块25的正上方，同时该位置也是控制器内部采光最佳位置，能够为光照传感器提供良好的工作环境，减小外壳对光照数据的影响，同时该位置的空气流动也利于提高烟雾传感的测量精度。

【实施例4】

本实施例，如图1所示，可安装3个长脚按键，即标号7-9。在本实施例中，位于最右边的标号9按键3用于控制其上方oled显示屏的显示模式，该oled的默认显示模式为休眠模式，仅显示工作状态，当按键3按下过后即可切换为其它工作模式，如数据自动显示模式，即按一定频率循环显示该控制器所接收到的传感器数据；在本实施例中，标号8按键2为预留的用户按键，用户可以按照自己的需求编辑该处功能，默认按下无反应；左边的标号7按键1，默认为软件复位按键，能够实现软件复位功能，本实施例中的按键功能，操作简单，还能够按照客户需求定制各式不同的功能。

【实施例5】

本实施例，如图1和2所示，标号12到21为10组10个端口插拔式接线端子母插头，外接传感器等设备只需先接公插头，再插入本实用新型的对应接口即可完成连接，有效降低了更换传感器的难度，也为后期维护提供了便利。

所述10组接口各自拥有不同的功能，位于图1和图2中下方的5个端子(12-16)，从左到右分别为电流采样接口12(标号12，下同)、电压采样接口13、rs232通信接口14、rs485通信接口15和can通信接口16，而上方的5个端子从左到右分别为电源地接口21、1-wire外接传感器接口20、用户接口19、rs422通信接口18和继电器接口17。

本实施例中，为了实现上述不同接口功能，电流采样接口12与电压采样接口13，对外可连接各类模拟输出的传感器及设备，对内则连接电流电压采集模块26，其中电流采样接口包括5个端口的传感器供电电源接口和5个端口的电流模拟量输入接口，而电压采样口则包括5个端口的模拟地接口和5个端口的电压模拟量输入接口；rs232通信接口14，背靠rs232模块28，包括了两组rs232通信接口，每组各自占据了5个端口的接口空间，分别对应接入rs232的usart的ttl电平和rs232电平，再搭配上一个地接口，对外既可连接相应通信方式的传感器，也通过连接诸如rs232转usb设备来连接pc机，从而实现对控制器的实时监控；rs485通信接口15，背靠rs485模块29，有两组通信接口。本实施例中的rs485模块不仅支持连接rs485通信方式的设备，还支持modbus协议，两组接口中的rs485-1线路为本实用新型核心板的对外输出线路之一，与两端的标号23与24对外通信接口相连接，从而向外传输数据；can通信接口16，是由背靠can模块30和两组通信接口组成，每组can通信接口中包括can线和地线。

本实施例为实现在接入多种传感器及设备的同时也能为其供电的功能，电源地接口21提供了24v、12v、5v和地的输出接口，这些不同输出电压都来自电源模块22，本实施例中的电源模块的分压电路部分采用了24v、12v、5v和3.3v的dc-dc芯片组合，但由于接口有限，部分5v接口被分到1-wire外接传感器接口20中，其分布为4个端口的5v电压输出口，3个端口的数据口和3个端口的地接口，而3.3v则作为电路板主要供电电压密集的分布在核心板中；用户接口19，共10个端口，都直连到了单片机34的10个预留gpio端口上，为提供给用户自行定义功能的服务；rs422通信接口18，背靠rs422模块32，它的4条数据线与地线各自占据了2个端口；继电器接口17，背靠继电器模块31，可以作为本控制器的功能开关，也可以实现遥控的功能。

【实施例6】

本实施例，与实施例5的不同在于，所述控制器除了能够通过外接电源来为控制器电路等设备供电外，还配置了板上电池底座，能够安装3号电池，为核心板提供备用电源，其安装位置在oled安装孔11(标号11)正下方。

【实施例7】

本实施例，如图3所示，为本实用新型的系统组成框图，一种基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，通过使用多种通信方式接收到来自于板载传感器和外接传感器的船舶气象海洋数据的数据，然后通过单片机实现对不同通信方式数据的统一化处理，待数据处理完成过后，再发出对应各模块的运行控制指令，比如能够在接收到错误数据的同时，立刻控制报警电路报警；能够将处理完成的数据存放在本地存储单元中，等待oled模块的调用；能够通过回传控制指令，改变多种传感器的传输配置；还能够按照事先指定的标准，实现通过不同方式将结果数据对外传输出去，如图3所示，本实施例中对外输出有有线与无线两种模式，其中有线又分为can总线和rs485总线两种，无线为zigbee无线传输方式。

【实施例8】

本实施例，主要讲解一种基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统的一种应用场景。当单独的控制器无法满足实际需求的时候，就需要使用多个控制器连接的方式来进行组网，如图4所示，是一种典型的由多个控制器串联而成的直线型结构应用。

在如图4的应用场景中，相邻两块控制器通过专用的航空线缆连接，组成了一条基于can/rs485总线传感器网络，本实施例中通过每块节点上所连接的和板载的多种传感器收集船舶气象海洋数据，其中主要通过can总线来传递这些数据，而rs485通信线则是作为备用线和控制线。当can总线被确认发送故障时，本实施例情况下可以通过使用rs485总线发送modbus协议数据，远程关闭各个控制器节点的can总线发送功能，同时开启rs485总线的备用线功能，以保证在can总线故障排除之前传感器网络的通信正常。当需要该对传感器网络中的某一传感器进行单独监控的时候，为了降低对can总线的干扰，也可通过rs485总线来传输该传感器数据。本实施例情况下，还可以使用rs485总线实现与can总线数据的相互校准，以提高can总线数据的准确性。

本实施例情况下的每个控制器，可以连接温度传感器、温湿度传感器、大气压力传感器、能见度传感器、大仓进水传感器、风速风向仪、可燃气体传感器、姿态传感器、电流变送器和电能测量模块等传感器中的一种或多种的组合，能够充分采集该控制器所在位置的各类数据，比如海洋上的风速风向、水温、气温、光照强度、能见度、湿度和船舱内部的油温、仪器温度、各类气体浓度、湿度、各个姿态角度、大仓进水的水压等等。对于采集到的传感器数据，首先经过单片机的处理与编解码，然后存储在控制器的存储单元中，同时向各个传感器反馈控制信息，再按照一定频率将数据发送到can网络中。本实施例，选择了一主多副的模式，以其中一个控制器为主节点，其它控制器为副节点，其中副节点主要用于多种传感器数据的收发和处理，而主节点则是用于分节点控制和实现与工控机或电脑的数据交互。

【实施例9】

本实施例，是一种基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统的另一种应用场景。在实际的布局布线中，需要星状的布线方式，借助控制器上特制的4块航空接头安装在标号1-4的对外输出接口上，就能够实现如图5所示的星型结构示意图，能够任意的延伸扩展，有效的节省材料和利用can总线长度。

【实施例10】

本实施例，一种基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统的核心板上配置了zigbee无线模块。使用的无线zigbbe模块为dl-ln3x，无线通信频率为2.4ghz～2.45ghz，属于全球免费频段。在保证通信环境良好的条件下，使用无线网络来传输数据是有效的，不过由于海上环境情况多变，无线通信的质量不能随时保证，为此无线通信无法作为主要的通信方式，只能在zigbee模块的连接质量测试结果为良好的情况下，该无线传输模式才会开启，一旦通信质量下降至警戒点5分钟以上，控制器将自动关闭无线传输功能，此后每隔30分钟会进行一次通信质量测试，测试通过后，无线通信又将再次开启。同时也能通过modbus指令随时来控制zigbee的开关。

【实施例11】

本实施例中，考虑到内部控制器电路的防护问题，一种基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统在电源输入出配置了保险丝，在can/rs485输入输出线上配置了滤波防雷防器件，还在电流电压采样电路中增加了钳位电路等防护电路，防止可能发生的电压电流超标等现象。

综上所述，本实用新型公开了一种基于多种通信方式的船联网多传感器节点控制器及其系统，这种控制器包括了外壳和内部核心电路板，外壳上有多个数据传输通道、外部天线接口、按钮式电源开关、oled安装孔、按键孔和散热孔，而内部核心电路板上集成了电源模块、多种通信方式模块、板载传感器模块、报警电路模块、oled显示模块和单片机最小系统模块。本实用新型工作时，首先通过多种传输方式将板载和外接传感器所采集到的船舶气象海洋数据传输至单片机，采集数据在单片机中进行预处理和统一的存储管理，之后单片机将对相应的板载模块和外接传感器发出运行控制指令，同时使用统一的协议将结果数据对外传输，这种方式能最大范围的船舶气象海洋数据，同时还能有效的提高系统的工作效率。面对不同实际情况的不同需求，本实用新型可以针对该实际需求来选择使用单个传感器或多个传感器的组合来组成传感器网络，单个控制器适用于小范围，多控制器连接适用于中、大范围的数据采集，同时基于控制器具有多个对外通信口的设计，多个控制器的布线状态还能随着环境改变，不局限于一条直线的布线方式，以保证对船舶气象海洋数据。本实用新型能安装zigbee无线传输模块，在条件允许的情况下搭建无线传输网络，以便节省人力物力。除了上述部分，本实用新型拥有备用电源模块和用户自定义接口，分别为整个控制器提供备用电源，以保证供电电压的稳定和为用户提供自主定义功能的服务。考虑到内部控制器电路的防护问题，本实用新型在电源输入口安装了保险丝，在can/rs485输入输出线上安装了滤波防雷器件，在电流电压采样电路中安装了钳位电路，防止可能发生的电压电流超标等现象。本实用新型设计合理，结构简单，防护措施齐全，供电稳定，抗干扰能力极强，具有二次开发潜力，适用于大、中、小等范围的船舶气象海洋数据的采集和监控。