一种具有物联网功能的模块化状态智能感测终端的制作方法

本发明涉及环境监测
技术领域：
，尤其涉及一种具有物联网功能的模块化状态智能感测终端，该终端为嵌入式终端，适用于智能感知和物联网领域的应用。
背景技术：
：现如今，人们对数据的需求越来越大。不论是在人们的日常生活中，还是在工业领域中，时刻产生大量的数据。采集这些数据加以分析，便可以得到生活环境信息或者生产模块化状态。因此，利用这些数据，就可以帮助改善我们的生活环境；或者密切监控生产模块化状态，防止生产事故的发生，减少能源的使用和浪费。较早的监测手段往往是单一节点，有线连接，专用性强。随着监测和控制的要求越来越高，需要更加先进的方式来进行数据采集和监控。随着物联网概念的产生和兴起，监测技术和物联网相结合，数字化、网络化、智能化成了监测技术未来的发展方向。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。监测节点，即传感器节点是无线传感器网络的基本功能单元，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。然而，目前现有作为传感器节点的设备或监测终端虽然具有数据处理、无线通信等功能，但是无线方案单一，且硬件结构固定无法更换，无法满足多种数据传输要求。另外，也没有制定统一向上的传输协议，不具备通用化和系列化。可适配的传感器类型也极其单一，只能处理一种标准的传感器输出信号，如只能处理0～5v电压信号或只能处理4～20ma电流信号，应用范围很小。因此现有的产品无法满足多样化的监测要求。技术实现要素：为了实现上述目的，本发明提供一种具有物联网功能的模块化状态智能感测终端，其克服了上述现有技术和产品所存在的缺陷，具有物联网功能、硬件模块化和软件自动配置。本发明的目的在于，提供一种具有物联网功能的模块化状态智能感测终端，其包括：微处理器控制模块、状态智能感知模块、无线通信模块、gps定位模块和人机交互模块；其中gps定位模块用于提供终端节点的位置信息，并且通过串行通信接口将所述位置信息传送给所述微处理器控制模块；所述状态智能感知模块用于获取传感器所采集的感测信号，并且传送至所述微处理器控制模块；所述微处理器控制模块用于根据所述人机交互模块的参数配置自动配置与所述感测信号相对应的驱动，并且对所述感测信号进行处理以获得目标数据，以及按数据封装协议将目标数据进行封装成数据包并传送至无线通信模块，所述无线通信模块与所述微处理器控制模块相连，用于将所接收到的数据包无线发送至无线网关设备。在本发明的一实施例中，所述终端还包括一电源模块，所述电源模块用于给所述终端的各个模块供电，所述电源模块包括电压转换电路和电源滤波电路；所述电压转换电路用于将交流电压转换为直流电压，所述电压转换电路包括：离线式开关ic元器件lnk625pg和高频变压器eel19。在本发明的一实施例中，所述状态智能感知模块判断所述传感器所采集的感测信号是否为标准信号；当所述感测信号为标准信号时，将采集到的感测信号通过总线传送至所述微处理器控制模块；当所述感测信号为非标准信号时，将采集到的感测信号通过一内置于所述状态智能感知模块的信号调理单元进行处理后再传送至所述微处理器控制模块。在本发明的一实施例中，所述微处理器控制模块采用armcortex-m3内核的32位高性能精简指令集芯片stm32f103rct6，作为终端节点的微处理器，以及所述微处理器控制模块采用24c02芯片，作为外扩存储芯片；所述外扩存储芯片通过i2c通信方式与所述微处理器通信。在本发明的一实施例中，所述无线通信模块采用lora、zigbee、gprs、wifi、nb-iot通信模块中的一种或多种，并且采用统一的插针接口与所述微处理器控制模块相连。在本发明的一实施例中，所述gps定位模块采用sirfstarivgsd4ewlcsp芯片，所述芯片包括gps专用滤波器和外围电源电路,所述gps定位模块具有有源天线和无源天线。在本发明的一实施例中，所述微处理器控制模块器用于将由传感器所获得的目标数据、终端节点的位置信息和终端节点的id按协议封装成一数据包，并且将所述数据包传送给无线通信模块；所述数据包括起始位、节点id、目标数据、位置信息、校验位和结束位，其中所述起始位和结束位用于标记所述数据包，所述节点id用于表示终端节点的编号，所述校验位用于保证数据包传输的完整性和正确性，所述校验位采用16位循环纠错crc校验。在本发明的一实施例中，所述终端还包括一报警模块，所述报警模块用于当目标数据超过阈值时，发出故障警示；所述报警模块包括报警led管和报警蜂鸣器，并且通过所述微处理器的引脚控制。在本发明的一实施例中，所述人机交互模块包括lcd液晶触摸屏和键盘模块；所述lcd液晶触摸屏通过lcd接口电路连接至所述微处理器控制模块的微处理器；所述键盘模块包括一键盘芯片，所述键盘芯片扫描键盘，并且将从获取的键值存储至所述键盘芯片的键值寄存器中，用于给所述微处理器调用。在本发明的一实施例中，所述终端的外壳支持导轨安装及螺钉固定安装。本发明具有物联网功能的模块化状态智能感测终端与现有技术和产品相比，本发明的优点在于，(1)本发明采用模块化的设计，相同类型的模块采用统一的硬件接口，并且可以根据实际需要更换，适用性广，柔性高；(2)所述模块化状态智能感测终端将滤波电路、信号放大电路、ad转换电路在内的多个部分集成于一体，并且可以根据输入信号特征对输入信号类型进行判断，并且由此选择适当的信号调理电路，适用于多种信号输出类型的传感器；(3)提供多种无线通信模块并制定了统一向上的传输协议，数据传输更加规范，更加可靠，有利于产品的通用化和系列化。(4)所述微处理器控制模块采用stm32f103rct6芯片，作为主控芯片，其功耗低、功能强，有利于后期功能的扩展。此外有了操作系统的支持，其在多任务并行处理和进程实时处理等方面也具备一定的优势。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明一实施例中的一种具有物联网功能的模块化状态智能感测终端的系统框图。图2是本发明所述实施例中的终端节点的连接示意图。图3是本发明所述实施例中的微处理器控制模块的微处理器的外设示意图。图4是本发明所述实施例中的微处理器的层级示意图。图5是本发明所述实施例中的状态智能感知模块的结构示意图。图6是本发明所述实施例中的无线通信模块的12针接口结构示意图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本专利文档中，下文论述的附图以及用来描述本发明公开的原理的各实施例仅用于说明，而不应解释为限制本发明公开的范围。所属领域的技术人员将理解，本发明的原理可在任何适当布置的系统中实施。将详细说明示例性实施方式，在附图中示出了这些实施方式的实例。此外，将参考附图详细描述根据示例性实施例的终端。附图中的相同附图标号指代相同的元件。本发明说明书中使用的术语仅用来描述特定实施方式，而并不意图显示本发明的概念。除非上下文中有明确不同的意义，否则，以单数形式使用的表达涵盖复数形式的表达。在本发明说明书中，应理解，诸如“包括”、“具有”以及“含有”等术语意图说明存在本发明说明书中揭示的特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性，而并不意图排除可存在或可添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性。附图中的相同参考标号指代相同部分。本发明实施例提供一种具有物联网功能的模块化状态智能感测终端。以下将分别进行详细说明。参见图1至图6所示，在本发明的一实施例中，提供一种具有物联网功能的模块化状态智能感测终端。所述终端100包括：微处理器控制模块110、状态智能感知模块120、无线通信模块150和gps定位模块130。其中，微处理器控制模块110可以简称为mcu模块。所述gps定位模块130用于提供终端节点的位置信息，并且通过串行通信接口将所述位置信息传送给所述微处理器控制模块110。在本实施例中，所述gps定位模块130采用sirf四代芯片131(即sirfstarivgsd4ewlcsp芯片)，所述芯片131具有arm内核处理架构，并且集成gps专用滤波器和外围电源电路,所述gps定位模块130的天线易调试，同时支持有源天线和无源天线。所述gps定位模块130支持agps(assistedglobalpositioningsystem，辅助全球定位系统)功能。另外，所述gps定位模块130具有启动时间短、灵敏度高、定位准确等特点。所述gps定位模块130通过串行通信接口与所述微处理器控制模块110相连，并且将终端节点的位置信息发送给所述微处理器控制模块110。所述状态智能感知模块120用于获取传感器121所采集的感测信号，并且传送至所述微处理器控制模块110。且，所述状态智能感知模块120判断所述传感器121所采集的感测信号是否为标准信号；当所述感测信号为标准信号时，将采集到的感测信号通过sdi-12接口总线传送至所述微处理器控制模块110；当所述感测信号为非标准信号时，将采集到的感测信号通过一内置于所述状态智能感知模块120的信号调理单元122进行处理后再通过rs232接口总线传送至所述微处理器控制模块110。在本实施中，所述状态智能感知模块120包括信号调理单元122。所述信号调理单元122针对微弱信号或非标准信号设计的，采用模块化、定制化的设计方式。所述信号调理单元122可以根据需要集成模拟信号传感器、信号放大电路、ad转换电路、电压比较器等在内的多个信号调理电路124。当需要检测的信号为非标准信号或微弱电信号时，所述信号调理单元122根据信号特点定制化相应的信号调理电路124，对采集的感测信号进行放大、滤波等操作，并将其调理为标准的模拟量输出。另外，所述信号调理单元122还包括mcu123，所述mcu123连接至信号调理电路124。所述mcu123对所述信号调理电路124所输出的标准的模拟量进行识别，之后再通过rs232接口总线(bus)传送至所述微处理器控制模块110。其中，如下表所示，所述rs232接口总线属于串行通信总线，共9个引脚，所述rs232接口总线将采集到的感测信号传送至所述微处理器控制模块110中的嵌入式微处理器111，并且进行处理和分析。当所述状态智能感知模块120接收到标准信号时，则不使用信号调理单元122，直接将该标准信号通过四线制传感器接口传送至微处理器控制模块110。具体地，所述状态智能感知模块120可以接入多种传感器121。在本实施例中，当传感器121输出的信号为0～5v、4～20ma、电脉冲等标准信号时，则将这些标准信号通过传感器接口传送至微处理器控制模块110。该传感器接口为4线制接口，兼容多种传感器类型。且，通过人机交互模块140选择输入的标准信号类型，以调用内部相应的驱动程序直接对标准信号进行处理。另外，还可以通过人机交互模块140更改程序参数，实现程序的可配置性。当状态智能感知模块120接收到非标准信号时，如微弱的电信号时，由于微处理器控制模块110无法处理，因此，需要将该信号接入至信号调理单元122，信号调理单元122的信号调理电路124将非标准信号调理为标准信号，然后信号调理单元122的mcu123对该标准信号进行预处理，将模拟量转换成数字量(数据)，接着再通过rs232接口总线，将数字量数据传送至所述微处理器控制模块110进行处理。所述微处理器控制模块110用于根据所述人机交互模块140的参数配置自动配置与所述感测信号相对应的驱动，并且对所述感测信号进行处理以获得目标数据，以及按数据封装协议将目标数据进行封装成数据包并传送至无线通信模块150。其中，在本实施例中，所述微处理器控制模块110采用armcortex-m3内核的32位高性能精简指令集芯片stm32f103rct6，作为终端节点的微处理器111。该芯片具有足够多的外设和引脚，可以在1.8-3.6v电源电压范围内稳定工作，满足终端节点的功能要求。另外，所述微处理器控制模块110包括24c02芯片，作为外扩存储芯片112，其容量为2kb，用于存储包括最小系统设置参数在内的最小系统，且掉电也不会丢失数据；所述外扩存储芯片112通过i2c通信方式与所述微处理器111通信。在本实施例中，所述微处理器控制模块110根据人机交互模块140的参数配置自动调用相关的目标函数，以将所述状态智能感知模块120所采集到的感测信号(转成为数字量或标准模拟量信号)进行分析处理，从而获得目标数据。也就是说，所述微处理器控制模块110内部已烧录好多种驱动，对应不同的感测信号。当接入不同的传感器121时，通过使用人机交互模块140来确定接入的是何种信号，所述微处理器控制模块110中的微处理器111自动在μc/os-ii操作系统114下配置相应的驱动，并且根据人机交互模块140所输入的其他参数对信号进行处理，以获得目标数据。所述微处理器控制模块110将由传感器121所获得的目标数据、终端节点的位置信息和终端节点的id按协议封装成一数据包，并且将所述数据包传送给无线通信模块150。具体地，终端节点的预设数据封装格式如下：起始位无线模式位置信息数据内容节点id数据类型校验位结束位1-byte2-byte8-byten-byte1-byte1-byte2-byte1-byte上述表格为终端节点将传感器121所监测到数据转为相应的数据包并发送至无线通信模块150。其中，所述数据包包括起始位、节点id、数据内容、位置信息、校验位和结束位，其中所述起始位和结束位用于标记所述数据包，所述节点id用于表示终端节点的编号，从而防止节点上传信息混乱。位置信息为所述gps定位模块130获得的数据，用于记录所述终端节点的地理位置。所述数据内容包括传感器121采集到的信号转换成的目标数据。所述校验位用于保证数据包传输的完整性和正确性。在本实施例中，所述校验位采用16位循环纠错crc校验，也就是说，在数据后添加供差错检验的n位帧检测序列fcs，添加冗余码的值由发送设备计算(如微处理器111)并添加到数据帧(即数据包)中，接收设备(如lora通信模块)在接收数据时重新计算crc值，把收到的每一帧都除以相同的除数,然后检查得到的余数r。若得出的余数r＝0，则判定这一帧没有差错，予以接受。若r不为0，则判定这个帧有差错，予以丢弃。在本实施例中，所述无线通信模块150用于将所接收到的数据包无线发送至无线网关设备310。所述无线通信模块150采用lora、zigbee、gprs、wifi、nb-iot通信模块151中的一种或多种，通过使用统一的插针接口(例如为12针的插针接口152)与所述微处理器控制模块110相连，并且根据人机交互模块140(如屏幕141、键盘142)对其进行参数配置，以负责将数据包无线发送至无线网关设备310。也就是说，可以根据需要自行选择通信协议模块，各个通信协议模块硬件上相互独立的。当选择某一通信协议模块时，将此模块安装到插针接口上，如图6所示，并且通过人机交互模块140手动在lcd液晶触摸屏141选择配置，调用相应的驱动程序，使能对应的接口引脚功能。其中，所述无线通信模块150的插针接口152用于连接所述微处理器控制模块110和无线通信模块150。在本实施例中，所述插针接口152采用12针的插针和插座，并且使用串口通信形式进行数据传输和指令发送。另外，通过人机交互模块140来配置相应的驱动程序，使能不同的引脚来适配相应的无线模块，可以兼容zigbee、gprs、wifi、lora、nb-iot等通信协议模块151。所述无线通信模块150具有兼容性好，柔性高，适用性广的特点。无线通信模块150的各针脚功能如下表所示：无线通信模块针脚功能表针脚功能针脚功能1电源vcc7数据准备好dsr2信号地agnd8发送请求rts3载波检测dcd9发送清除cts4接收数据rxd10振铃指示ring5发送数据txd11复位resret6数据终端准备好dtr12模式mod在本实施例中，考虑到适用不同传输距离，所述无线通信模块150可以采用自组网gprs(2g/3g/4g/5g)、nb-iot、wifi、zigbee及lora等无线通讯技术，并且通过无线传输网络将数据包发送至无线网关设备310，其中所述无线网关设备310可以例如为lora协调器，不限于此。接着，无线网关设备310的wi-fi模块可以将接收到的数据包传输至远程监测中心的服务器300，由服务器300对数据包执行进一步的处理，并且结合综合评估算法实现对多个传感器121所提供的数据进行综合评估。另外，可以根据实际需要，扩展终端节点，能够更为全面的反映监测区域的各个传感器121的状况，从而提高监测结果的准确度并且拓展了终端节点的网络功能。在本实施例中，所述终端还包括一电源模块160，所述电源模块160用于给所述终端100的各个模块供电，所述电源模块160包括电压转换电路和电源滤波电路。所述电压转换电路用于将单相220v交流电压转换为监测节点所需的12v直流电压。所述电压转换电路包括：离线式开关ic元器件lnk625pg和高频变压器eel19，其中所述离线式开关ic元器件lnk625pg具有功率开关器件、振荡器、恒压控制引擎、启动和保护功能。另外，所述电源模块还包括ams1117-3.3电源芯片和mc34063芯片，用于提供5v和3.3v的电压，供其他元器件使用。另外，在本实施例中，所述终端还包括一人机交互模块140，所述人机交互模块140与所述微处理器控制模块110相连，用于通过人机交互模块140的参数配置来为感测信号自动配置相应的驱动。另外，所述人机交互模块140也用于对无线通信模块150进行选择和配置。所述人机交互模块140包括lcd液晶触摸屏141和键盘模块142，所述人机交互模块140利用linux操作系统的gui编程软件qtdesigner进行界面的设计，并且利用c++编写程序代码。所述lcd液晶触摸屏141包括lcd触摸屏接口，通过相应的lcd接口电路连接至所述微处理器控制模块110的微处理器111。所述键盘模块142通过键盘芯片对键盘进行扫描，并且将从键盘所获得的键值存储在键值寄存器中，所述微处理器111通过i2c总线读取所述键值寄存器，以完成使用键盘功能。另外，在本实施例中，所述终端还包括一报警模块170，所述报警模块170用于当目标数据超过阈值时，发出故障警示；所述报警模块170包括报警led管和报警蜂鸣器(图未示)，并且通过所述微处理器111的引脚控制。也就是说，当目标数据出现异常时，所述报警模块控制相应的报警led管和报警蜂鸣器的电源通断，以发出异常告警。另外，在本实施例中，所述终端100采用的安装方式为模块化安装。所述终端100的外壳支持导轨安装及螺钉固定安装。所述终端的占用空间较小，同时能够满足工业现场的安装要求。所述终端100的端子分布合理，强弱电分离，从而降低现场安装及环境改造难度。由于所述终端要求系统具有高性能、实时通信、数据处理及多任务切换等功能，因此，根据这些要求并结合系统功能设计和实时性的考虑，本实施例中的终端100采用了μc/os-ⅱ操作系统114来进行节点软件的设计和开发。根据节点的功能要求，在开发过程中将终端的执行操作划分为5个，即开机初始化、数据采集与处理、通信、人机交互和显示更新。具体地，所述终端100采用嵌入式μc/os-ⅱ操作系统114来进行节点的设计与开发，执行开机初始化、主任务、数据采集与处理任务、通信任务、显示更新任务并预留api115给用户后期调用。根据lcd液晶触摸屏141和键盘142的输入来确定所选的无线通信模块150，调用相应的驱动程序113，配置微处理器111，使能接口引脚功能，从而使得无线通信模块150可以正常的工作。另外，所述终端100可以利用操作系统以图形界面形式来显示所获得的目标数据。另外，所述终端100的通信协议主要包括两个方面，即所述终端100的微处理器111与所述无线通信模块150之间的协议以及无线网关设备310与终端之间的通信协议。例如当无线通信模块150采用lora通信模块151时，所述终端100主要通过spi串行通信协议读取微处理器111中的数据。当所述终端100接收到传感器121所提供的目标数据后，所述微处理器控制模块110的微处理器111对其进行解析，从中提取必要的信息，并且根据预设定的数据协议进行封装，然后通过串口发送给lora通信协议模块。以下将以zigbee模块为例，进一步详细说明无线通信模块150。在lcd液晶触摸屏141上选择zigbee通信协议模块151后，使能无线通信模块150的rxd、txd、cts、reset、mod引脚，于是，zigbee通信协议模块可以正常运行。由于zigbee技术具有低功耗、成本低、时延短、网络容量大、自组网、安全可靠的特点，因此，在本实施例中，采用zigbee通信协议模块151，从而实现组网、数据发送和接收。在zigbee通信协议模块151完成组网后，所述微处理器111将所获得节点的目标数据、位置信息、节点id按协议封装成数据包，并且将所述数据包传送给无线通信模块150，所述无线通信模块150再将所述数据包传输到无线路由或无线交换机310，然后再将数据包传输到远程数据库300中，将远程数据库300中的数据统一进行分析处理，可得到各节点的id信息、地理位置信息及被监测对象的流量信息，从而统一进行数据监测。当然，还可以按照无线网关设备的指令格式远程发送命令，远程管理终端节点，从而统一进行管理和配置。当网关设备接收到远程检测中心的操作指令后，根据将相应的指令代码添加至命令帧中，指令代码用于控制节点唤醒或休眠、统一更改节点参数等。以下为无线网关设备发送控制指令至终端的数据格式如下：起始位命令内容网关id数据类型校验位结束位1-byte8-byte1-byte1-byte2-byte1-byte所述无线通信模块150的其他通信协议模块也可以采用12针接口，并且使用统一向上的无线数据传输协议，按照上述表格进行数据封装，从而使得远程数据库可以使用同一的方式进行数据解析和处理。以上对本发明实施例所提供的一种具有物联网功能的模块化状态智能感测终端进行了详细介绍。应理解，本文所述的示例性实施方式应仅被认为是描述性的，用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，而并不用于限制本发明。在每个示例性实施方式中对特征或方面的描述通常应被视作适用于其他示例性实施例中的类似特征或方面。尽管参考示例性实施例描述了本发明，但可建议所属领域的技术人员进行各种变化和更改。本发明意图涵盖所附权利要求书的范围内的这些变化和更改。当前第1页12