一种多接口的模拟传感器设备及其应用的制作方法

本发明涉及教育实训设备领域，尤其涉及一种多接口的模拟传感器设备及其应用。

背景技术：

在物联网相关的实训场景设计中，会遇到很多传感器问题。包括价格过高，如高精度激光位移传感器；没有采集数据的环境，如酵母菌浓度传感器；使用过程存在危险，如火焰传感器；体积过大，如光幕门。

现有的虚拟传感器一般是纯软件编程实现的，采用电脑模拟传感器且电脑上没有ao/do口，该虚拟传感器只能走串口仅支持用串口把数据传到他们对应的实验箱，现有的虚拟传感器为根据软件编程来模拟真实传感器生成数据并非独立的硬件，缺乏真实传感器的真实感，导致教学过程的体验不真实，影响教学效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多接口的模拟传感器设备及其应用。

本发明采用的技术方案是：

一种多接口的模拟传感器设备，其包括控制器，控制器的供电引脚连接有稳压芯片，稳压芯片的输入端接入12-24v直流电源，稳压芯片输出3.3v直流电压至控制器的供电引脚，控制器的一个spi接口连接有电流数模转换电路，电流数模转换电路连接12-24v直流电源并输出模拟量直流电流，控制器的两个usart接口分别连接有wifi通信电路和rs485通信电路，控制器的一个通用io接口连接有电压数模转换电路，电压数模转换电路输出数字量直流电压或模拟量直流电压；

控制器通过wifi通信电路和rs485通信电路与上位机通信连接，上位机可选输出不同类型传感器的虚拟采集数据，控制器通过电流数模转换电路和数模转换电路连接传感器数据采集设备。

进一步地，电压数模转换电路基于控制器的输出信号进行模数转换或数模转换或pwm处理输出直流电压信号。

进一步地，所述直流电压信号包括0-3.3v的模拟直流电压或0/3.3v的数字直流电压。

进一步地，电流数模转换电路输出0-20ma或4-20ma或者0-24ma的模拟直流电流。

进一步地，控制器的另一个spi接口连接lora芯片，控制器通过lora芯片连接lora网关。

进一步地，控制器的集成总线接口连接显示屏，控制器的另一通用io接口上还连接有控制按钮，控制按钮用于模拟传感器的功能控制，启用或者关闭。

进一步地，所述电流数模转换电路采用ad5410芯片，控制器采用型号为stm32l151c8的单片机，wifi通信电路采用esp-12f芯片，rs485通信接口采用max3485芯片，显示屏为oled显示屏，稳压芯片选用lm2576-3.3芯片。

进一步地，本发明公开了一种多接口的模拟传感器设备的控制方法，其包括以下步骤：

步骤1，模拟传感器设备上电初始化；

步骤2，控制器判断是否收到来自上位机发送的虚拟采集数据；

当收到虚拟采集数据时，执行步骤3；否则，执行步骤4；

步骤3，判断是否需要启用lora模式：

当不需要启用lora模式时，控制器通过电流数模转换电路输出模拟量的直流电流同时在显示屏上显示模拟量的直流电流大小，并执行步骤2；

当需要启用lora模式时，控制器在显示屏上显示当前虚拟采集数据同时将虚拟采集数据缓存至缓存区，并执行步骤4；

步骤4，控制器判断是否收到lora网关的轮询指令；

当收到lora网关的轮询指令时，将缓冲区的虚拟采集数据发送至lora网关，并执行步骤2；

当未收到lora网关的轮询指令时，则执行步骤2。

进一步地，本发明公开了一种物联网实训系统，采用所述的一种多接口的模拟传感器设备；实训系统包括物联网云平台、物联网网关、lora网关、串口服务器和监控摄像头；物联网网关、lora网关、串口服务器和监控摄像头接入同一局域网，该局域网连接有客户机、服务器和工作站，该局域网通过公网与物联网云平台通讯连接，

模拟传感器的输入端连接提供虚拟采集数据的上位机，模拟传感器通过lora节点连接lora网关，模拟传感器的电压数模转换电路或电流数模转换电路输出端连接有物联网数据采集器，真实传感器设于真实环境中并获取真实采集数据，真实传感器的输出端连接物联网数据采集器，物联网数据采集器分别连接串口服务器和物联网网关，真实传感器的输出端还依次通过zigbee节点和zigbee协调器连接串口服务器，串口服务器连接有串口设备。

进一步地，一台上位机分别连接两个以上的模拟传感器，每个模拟传感器均具有唯一的身份标识地址，上位机基于身份标识地址分别为不同的模拟传感器提供不同类型的虚拟采集数据。进一步地，真实传感器为温度传感器或湿度传感器。

本发明采用以上技术方案，本发明的模拟传感器从上位机的模拟应用场景里获取数据，进而以类似普通传感器的方式接入真实的传感器数据采集设备并上传获取的数据。不像其他纯软件的虚拟传感器只支持串口输出，本发明并非纯粹的软件模拟，而是独立的硬件更像一个真实传感器，本发明支持模拟真实传感器输出模拟电流、模拟电压和数字电压。本发明根据上位机模拟应用场景的不同获取不同虚拟采集数据，进而模拟不同类型的传感器输出对应的数据至真实的传感器数据采集设备，实现一个虚拟传感器体验不同类型传感器的真实采集过程。本发明的模拟传感器可根据上位机提供的虚拟数据模拟多种类型的传感器，学生体验真实教学效果更好。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明一种多接口的模拟传感器设备的电路原理结构示意图；

图2为本发明一种多接口的模拟传感器设备的控制方法的流程示意图；

图3为本发明一种物联网实训系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种多接口的模拟传感器设备，其包括控制器，控制器的供电引脚连接有稳压芯片，稳压芯片的输入端接入12-24v直流电源，稳压芯片输出3.3v直流电压至控制器的供电引脚，控制器的一个spi接口连接有电流数模转换电路，电流数模转换电路连接12-24v直流电源并输出模拟量直流电流，控制器的两个usart接口分别连接有wifi通信电路和rs485通信电路，控制器的一个通用io接口连接有电压数模转换电路，电压数模转换电路输出数字量直流电压或模拟量直流电压；控制器通过wifi通信电路和rs485通信电路与上位机通信连接，上位机可选输出不同类型传感器的虚拟采集数据，控制器通过电流数模转换电路和数模转换电路连接传感器数据采集设备。

具体地，上位机上配置有虚拟场景（newenvironment，简称ne）的仿真软件，用户可以在软件中配置虚拟环境，配置生成数据的逻辑算法，一个虚拟环境中可以存在多个生成数据的数据源，进而仿真形成虚拟采集数据藉由上位机提供给模拟传感器。

进一步地，电压数模转换电路基于控制器的输出信号进行模数转换或数模转换或pwm处理输出直流电压信号。

进一步地，所述直流电压信号包括0-3.3v的模拟直流电压或0/3.3v的数字直流电压。

进一步地，电流数模转换电路输出0-20ma或4-20ma或者0-24ma的模拟直流电流。

进一步地，控制器的另一个spi接口连接lora芯片，控制器通过lora芯片连接lora网关。

具体而言，本发明提供模拟传感器分两个版本：通用版、lora版，两个版本向上层设备通信的方式略有区别。

通用版不包含lora芯片仅支持输出ao/do信号，ao信号包括4-20ma直流电流、0-3.3v电压，do信号为0或3.3v电压；

lora版在支持ao/do信号的同时，也支持与lora网关通信，使用的是私有的lora协议与对应lora网关或者物联网网关连接。

进一步地，控制器的集成总线接口连接显示屏，

进一步地，所述电流数模转换电路采用ad5410芯片，控制器采用型号为stm32l151c8的单片机，wifi通信电路采用esp-12f芯片，rs485通信接口采用max3485芯片，显示屏为oled显示屏，稳压芯片选用lm2576-3.3芯片。

进一步地，如图2所示，本发明公开了一种多接口的模拟传感器设备的控制方法，其包括以下步骤：

步骤1，模拟传感器设备上电初始化；

步骤2，控制器判断是否收到来自上位机发送的虚拟采集数据；

当收到虚拟采集数据时，执行步骤3；否则，执行步骤4；

步骤3，判断是否需要启用lora模式：

当不需要启用lora模式时，控制器通过电流数模转换电路输出模拟量的直流电流同时在显示屏上显示模拟量的直流电流大小，并执行步骤2；

当需要启用lora模式时，控制器在显示屏上显示当前虚拟采集数据同时将虚拟采集数据缓存至缓存区，并执行步骤4；

步骤4，控制器判断是否收到lora网关的轮询指令；

当收到lora网关的轮询指令时，将缓冲区的虚拟采集数据发送至lora网关，并执行步骤2；

当未收到lora网关的轮询指令时，则执行步骤2。

进一步地，如图3所示，本发明公开了一种物联网实训系统，采用所述的一种多接口的模拟传感器设备的其特征在于：实训系统包括物联网云平台、物联网网关、lora网关、串口服务器和监控摄像头；物联网网关、lora网关、串口服务器和监控摄像头接入同一局域网，该局域网连接有客户机、服务器和工作站，该局域网通过公网与物联网云平台通讯连接，

模拟传感器的输入端连接提供虚拟采集数据的上位机，模拟传感器通过lora节点连接lora网关，模拟传感器的电压数模转换电路或电流数模转换电路输出端连接有物联网数据采集器，真实传感器设于真实环境中并获取真实采集数据，真实传感器的输出端连接物联网数据采集器，物联网数据采集器分别连接串口服务器和物联网网关，真实传感器的输出端还依次通过zigbee节点和zigbee协调器连接串口服务器，串口服务器连接有串口设备。

本发明的模拟传感器从上位机的虚拟场景ne中获取感知数据（当然该感知数据是有仿真软件输出虚拟采集数据）

进一步地，一台上位机分别连接两个以上的模拟传感器，每个模拟传感器均具有唯一的身份标识地址，上位机基于身份标识地址分别为不同的模拟传感器提供不同类型的虚拟采集数据。

进一步地，真实传感器为温度传感器或湿度传感器等在实训环境中容易配置的传感器设备，而模拟传感器则用于替代无法在实训环境中配置的传感器设备，包括价格过高，如高精度激光位移传感器；没有采集数据的环境，如酵母菌浓度传感器；使用过程存在危险，如火焰传感器；体积过大，如光幕门。

具体地，每个模拟传感器拥有一个身份标识地址，用户可以在上位机的虚拟场景中将任意模拟传感器地址指定为xxx传感器，而后与某一个数据源绑定，相当于将xxx传感器置入了物联网实训系统的虚拟环境中。（如：将地址01的设备指定为温湿度传感器，绑定到1号数据源上）。

上述实训系统将本发明的模拟传感器与真实传感器同时应用到实训设备中，先通过简单真实传感器的物联网采集过程让学生初步理解传感器的采集过程，进而再以模拟传感器模拟各种不同类型传感器的物联网采集过程，从而可在不需要配置大量不同类型真实传感器的情况上让学生更加真切更加客观的感知各种各样不同传感器的采集过程。

本发明采用以上技术方案，本发明的模拟传感器从上位机的模拟应用场景里获取数据，进而以类似普通传感器的方式接入真实的传感器数据采集设备并上传获取的数据。本发明并非纯粹的软件模拟，而是独立的硬件更像一个真实传感器。本发明根据上位机模拟应用场景的不同获取不同虚拟采集数据，进而模拟不同类型的传感器输出对应的数据至真实的传感器数据采集设备，实现一个虚拟传感器体验不同类型传感器的真实采集过程。本发明的模拟传感器可根据上位机提供的虚拟数据模拟多种类型的传感器，学生体验真实教学效果更好。