一种严寒条件下的传感器数据采集箱的制作方法

本发明涉及传感器数据采集技术领域，具体地，涉及一种严寒条件下的传感器数据采集箱。

背景技术：

在诸多地势险峻、条件恶劣、气候极寒、昼夜温差大等地区却有着很大的地质科研价值，很多传感器的设计是能够在如此环境下工作，但是要获得这些传感器的数据必须采用数据采集设备，一般情况下，传感器配有相应的数据采集器，但在某些大型系统中，并不止采用某一种传感器，那么在同一个系统中就会使用到大量不同的数据采集设备。

在同一个系统中使用大量不同的数据采集器将会使得系统变得纷繁复杂，不利于集成与维护，也不利于数据的集中处理与上传，另外，传统的数据采集器要在严寒地区正常工作就必须采用耐低温器件，从而大大抬高了设备成本，这些将形成整个系统的无用的多余的高成本。

因此，现阶段迫切需要一种严寒条件下的传感器数据采集箱。

技术实现要素：

本发明的目的就在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种严寒条件下的传感器数据采集箱，本发明可以在严寒恶劣条件下稳定工作，低成本，高稳定性，集采集、存储、上传功能为一体，并且可适应多种传感器。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种严寒条件下的传感器数据采集箱，包括装置箱体，所述装置箱体内部设置有电源模块、传感器接口模块、数据存储模块、数据上传模块、可编程控制模块和保温控制模块；所述传感器接口模块用于接收外部传感器采集的实时数据；所述数据存储模块用于存储外部传感器采集的实时数据；所述数据上传模块用于将外部传感器采集的实时数据传输至远端数据监控中心；所述保温控制模块用于给外部传感器保温控温；所述可编程控制模块用于控制所述传感器接口模块接收不同类型传感器采集的实时数据，并控制所述数据上传模块将外部传感器采集的实时数据传输至远端数据监控中心，还用于控制所述数据存储模块对外部传感器采集的实时数据进行存储，还用于控制所述保温控制模块给外部传感器保温控温；所述电源模块用于给外部传感器和本传感器数据采集箱供电；其中，所述可编程控制模块作为本传感器数据采集箱的核心分别与所述传感器接口模块、数据存储模块、数据上传模块和保温控制模块连接。

进一步的，所述可编程控制模块采用stm32f103ret6单片机，在stm32f103ret6单片机中；引脚oscin和引脚oscout分别与电阻r1的输入端和输出端连接，引脚oscin和引脚oscout之间还连接有电容y1，且电容c27和电容c30串联后也并联在引脚oscin和引脚oscout之间，其中，电容c27和电容c30均有一端接地。

进一步的，引脚vbat通过二极管d7连接到3.3v直流电源端，引脚vbat还通过二极管d8连接到另一个直流电源端，引脚vbat还通过电容c31接地，其中，二极管d7和二极管d8均为1n4148型肖特基二极管。

进一步的，引脚pc14和引脚pc15之间连接有电容y2，电容c32和电容c35串联后也连接在引脚pc14和引脚pc15之间，其中，引脚pc14和引脚pc15均有一端接地。

进一步的，引脚swclk与p1端子的引脚5连接，通过p1端子可对所述可编程控制模块进行可针对不同类型传感器的适配编程。

进一步的，引脚nrst通过电阻r8连接到3.3v直流电源端，引脚nrst还通过电容c36接地。

进一步的，引脚boot0通过电阻r9接地，引脚boot1通过电阻r10接地。

进一步的，所述数据存储模块采用型号为w25q128的spinorflash芯片。

进一步的，所述传感器接口模块包括rs485接口、两个rs232的公母不同的接口、ttl接口和adc转换接口。

进一步的，所述电源模块采用lm2596系列的开关电源。

综上，本发明的有益效果是：

本发明可以在严寒恶劣条件下稳定工作，低成本，高稳定性，集采集、存储、上传功能为一体，并且可适应多种传感器。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的可编程控制模块结构示意图。

图3是本发明的w25q128spinorflash芯片结构示意图。

图4是本发明的外部24v直流输出处理电路示意图。

图5是本发明的开关电源降压转换电路示意图。

图6是本发明的公、母db9-rs232接口电路示意图。

图7是本发明的rs485接口电路示意图。

图8是本发明的ttl通信接口电路示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中在同一个系统中使用大量不同的数据采集器将会使得系统变得纷繁复杂，不利于集成与维护，也不利于数据的集中处理与上传的情况，本发明可以在严寒恶劣条件下稳定工作，低成本，高稳定性，集采集、存储、上传功能为一体，并且可适应多种传感器。下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此，图中的只是本发明应用的一个示例，对本发明的原理没有本质性的约束。

实施例1：

如图1和图2所示，一种严寒条件下的传感器数据采集箱，包括装置箱体，所述装置箱体内部设置有电源模块、传感器接口模块、数据存储模块、数据上传模块、可编程控制模块和保温控制模块；所述传感器接口模块用于接收外部传感器采集的实时数据；所述数据存储模块用于存储外部传感器采集的实时数据；所述数据上传模块用于将外部传感器采集的实时数据传输至远端数据监控中心；所述保温控制模块用于给外部传感器保温控温；所述可编程控制模块用于控制所述传感器接口模块接收不同类型传感器采集的实时数据，并控制所述数据上传模块将外部传感器采集的实时数据传输至远端数据监控中心，还用于控制所述数据存储模块对外部传感器采集的实时数据进行存储，还用于控制所述保温控制模块给外部传感器保温控温；所述电源模块用于给外部传感器和本传感器数据采集箱供电；其中，所述可编程控制模块作为本传感器数据采集箱的核心分别与所述传感器接口模块、数据存储模块、数据上传模块和保温控制模块连接。

进一步的，所述可编程控制模块采用stm32f103ret6单片机，在stm32f103ret6单片机中；引脚oscin和引脚oscout分别与电阻r1的输入端和输出端连接，引脚oscin和引脚oscout之间还连接有电容y1，且电容c27和电容c30串联后也并联在引脚oscin和引脚oscout之间，其中，电容c27和电容c30均有一端接地。

进一步的，引脚vbat通过二极管d7连接到3.3v直流电源端，引脚vbat还通过二极管d8连接到另一个直流电源端，引脚vbat还通过电容c31接地，其中，二极管d7和二极管d8均为1n4148型肖特基二极管。

进一步的，引脚pc14和引脚pc15之间连接有电容y2，电容c32和电容c35串联后也连接在引脚pc14和引脚pc15之间，其中，引脚pc14和引脚pc15均有一端接地。

进一步的，引脚swclk与p1端子的引脚5连接，通过p1端子可对所述可编程控制模块进行可针对不同类型传感器的适配编程。

进一步的，引脚nrst通过电阻r8连接到3.3v直流电源端，引脚nrst还通过电容c36接地。

进一步的，引脚boot0通过电阻r9接地，引脚boot1通过电阻r10接地。

进一步的，所述数据存储模块采用型号为w25q128的spinorflash芯片。

进一步的，所述传感器接口模块包括rs485接口、两个rs232的公母不同的接口、ttl接口和adc转换接口。

进一步的，所述电源模块采用lm2596系列的开关电源。

实施例2：

本发明总体结构包括电源模块、传感器接口模块、数据存储模块、数据上传模块、可编程控制模块和保温控制模块。

电源模块：

为了适应多种传感器，本发明采用lm2596开关电源系列的3.3v、5v、12v，实现了可为外部传感器供电24v、12v、5v、3.3v等多种电压；使用开关电源的优势在于：在开关电源电路中，晶体管v在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50khz左右，甚至可以做到几百或者近1000khz。这使得开关晶体管v的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80％，从开关电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管v上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关电源的体积小，重量轻。从开关电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。开关电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关电源，图5为使用lm2596开关电源芯片设计的开关电源降压转换电路。

图4是本发明的外部24v直流输出处理电路示意图，本发明接受外部24v电压输入；24v电压由pwrcon端子输入，该端子采用dc0055.5-2.1标准插座，有助于设备的通用能力。同时j1可提供24v输出，使用24v电压供电的传感器可直接从j1端子取电；另外使用肖特基二极管1n5822以及tvs二极管smaj28ca加强电路保护能力。

其中tvs(transientvoltagesuppresser瞬态电压抑制器)是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，tvs能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，从而把它的两端电压钳制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。正因为如此，tvs可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压，以及感应雷所产生的过电压，所以本发明使用该tvs管让整个电路具备了抗雷击的能力，提高了设备野外运行稳定性。

sbd不是利用p型半导体与n型半导体接触形成pn结原理制作的，而是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的。因此，sbd也称为金属－半导体(接触)二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管，低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短(可以小到几纳秒)，正向导通压降仅0.4v左右，而整流电流却可达到几千毫安。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的，所以本发明使用1n5822肖特基二极管，使电路具有了防反接能力。

传感器接口模块：

如图6、图7和图8所示，本发明为了适应多种传感器，设计了多样化的数据接口包括rs485接口、两个rs232的公母不同的接口、ttl接口、adc转换接口等，另外还预留了备用io口；并且为每一种类型的传感器通信预留了通信指示灯，当相应传感器在发生数据传输时指示灯闪烁。

数据存储模块：

如图3所示，本发明使用一款型号为w25q128的spinorflash芯片作为片上储存，spinorflash，采用的是spi通信协议。有4线(时钟，两个数据线，片选线)或者3线(时钟，两个数据线)通信接口，由于它有两个数据线能实现全双工通信，因此比iic通信协议的iiceeprom的读写速度上要快很多。spinorflash具有nor技术flashmemory的特点，即程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从flash中读取代码执行；可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以sector为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对sector或整片进行预编程和擦除操作。

普通norflash在擦写次数上远远达不到iiceeprom，并且由于nor技术flashmemory的擦除和编程速度较慢，块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间会很长；但spinorflash接口简单，使用的引脚少，易于连接，操作方便，并且可以在芯片上直接运行代码，其稳定性出色，传输速率高，在小容量时具有很高的性价比，这使其很适合应于嵌入式系统中作为flashrom，所以在市场的占用率非常高。

数据上传模块:

采用gprs数据上传，gprs(generalpacketradioservice)是通用分组无线服务技术的简称，它是gsm移动电话用户可用的一种移动数据业务，属于第二代移动通信中的数据传输技术。gprs可说是gsm的延续。gprs和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包(packet)式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。gprs的传输速率可提升至56甚至114kbps。

本发明使用上海合宙公司的gprs通信可片上开发模组air202e作为数据传输的核心。air202模块是四频段gsm/gprs模块，采用的是rda8955平台，具有17.7mm×14.8mm×2.3mm的超小尺寸，内置32mbnorflash+32mbsram，支持三种开发模式：lua脚本开发模式，at命令开发模式以及c语言sdk开发模式，有丰富的外围接口，支持uart，spi，i2c等各种接口，可支持最多16个gpio，并支持adc，音频输入和输出功能，满足各种应用场景的使用要求，模块采用了省电技术，电流功耗在睡眠模式drx＝5下，低至1.14ma。

可编程控制模块：

如图2所示，所述可编程控制模块采用应用广泛的意法半导体stm32f103系列单片机，在stm32f105和stm32f107互连型系列微控制器之前，意法半导体已经推出stm32基本型系列、增强型系列、usb基本型系列、互补型系列；新系列产品沿用增强型系列的72mhz处理频率。内存包括64kb到256kb闪存和20kb到64kb嵌入式sram。新系列采用lqfp64、lqfp100和lfbga100三种封装，不同的封装保持引脚排列一致性，结合stm32平台的设计理念，开发人员通过选择产品可重新优化功能、存储器、性能和引脚数量，以最小的硬件变化来满足个性化的应用需求，stm32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的m0+，m3,m4和m7内核，stm32l系列产品基于超低功耗的armcortex-m4处理器内核，采用意法半导体独有的两大节能技术：130nm专用低泄漏电流制造工艺和优化的节能架构，提供业界领先的节能性能。该系列属于意法半导体阵容强大的32位stm32微控制器产品家族，该产品家族共有200余款产品，全系列产品共用大部分引脚、软件和外设，优异的兼容性为开发人员带来最大的设计灵活性。

所以所述可编程控制模块采用该mcu大大提升了采集器的万能适应能力，使采集器成为了真正的随用户心意而定，用户可随需求针对不同传感器通过图8中p1端子对采集器进行随意编程，且该mcu的强大内核使得采集器能够满足90％以上的应用场景，结合同样可片上编程的gprs传输模组，真正实现了万能采集器。

保温控制模块：

为了使采集器能在严寒条件下继续稳定工作，保温控制部分必不可少，这样只需在保温控制模块中使用耐低温元件而不需在整个采集器系统中全使用这种元件，可降低成本同时更加提高了稳定性。

本发明使用了自主设计的“一种助野外设备在严寒地区运行的恒温控制器”作为温度控制的核心部分，该控制器会在温度过低时为采集器工作环境加热保温，配合安放采集器主控板的保温箱，实现保温控温功能。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。