基于NB-IoT的SDI12传感器数据无线采集装置及系统及方法与流程

技术领域：

本发明涉及农田智能灌溉技术领域，特别涉及一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置及系统及方法。

背景技术：
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物联网是指各类信息传感设备通过物联网域名将任何设备与互联网相连接进行通信，以实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。物联网通过射频识别、传感器、二维码、gps卫星定位等技术可以全面感知物体信息，通过蓝牙、zigbee等短距离通信方式和移动通信网络的长距离通信方式实现信息的分发和共享，通过分析和处理采集到的物体信息实现决策和智能控制。短距离通信方式低功耗、低成本，但传输距离短，因此在长距离传输时需要多个由多个中继节点组成的复杂网络拓扑，稳定性差；长距离通信方式通信覆盖面广、传输效率高但是对设备能量消耗大，不适合作为底层物联网技术。物联网面向物与物和人与物的网络，包含传感器、rfid等多种感知单元，支持多种网络通信方式；传感器网络专注与物与物之间的末端联系，专注于物理世界信息的感知与采集和网络的分发、汇聚效率，专注与低速高效，低功低耗。

nb-iot是一种基于lte蜂窝移动网络的窄带iot技术，具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优、容量大等特点，广泛应用于智能制造、智慧农业、智能交通等低功耗广域网领域。传感器作为检测装置，感受到被测量的信息之后按一定规律变换为电信号或其他所需形式的信息输出，可以满足信息的传输、处理、存储、显示和控制等要求。现有的传感器一般采用有线连接方式且只能满足单类型采集，不能对多种传感器数据进行统一分析和处理，采集数据所需成本高且无法满足实时监测数据的需求。

sdi12是一种基于微处理器的传感器接口的数据记录仪的标准，sdi12标准为数据串接口提供的波特率为1200比特。sdi12可应用于低功耗、低成本的系统，以及传感器与数据记录仪之间距离可达60.96米的系统中。数据记录仪接口可适应多种传感器，传感器接口也可适应多种数据记录仪。电源通过接口供给传感器，传感器可被替换但无需对数据记录仪的校核或其它信息重新编程。

技术实现要素：
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有鉴于此，有必要提供一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置及系统及方法。

一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置，包括壳体、电路板、数据传感模块、主控模块、nb-iot模块、arduino扩展板模块、信号调理模块、sdi接口模块和电源模块；数据传感模块、主控模块、nb-iot模块、arduino扩展板模块、信号调理模块、sdi接口模块和电源模块配装在电路板上，并位于壳体内，所述主控模块安装在所述壳体内部；所述电源模块用于为主控模块及各个子模块提供直流电源输入；所述数据传感模块与所述信号调理模块连接，数据传感模块用于采集田间土壤温湿度、空气温湿度、土壤电导率、土壤氧气含量此六种传感数据；所述信号调理模块与所述数据传感模块建立连接，对数据传感模块所采集并转换得到的数字信号进行滤波；所述arduino扩展板模块作为主控器与所述信号调理模块建立连接，内部采用modbus-rtu协议将滤波后的数字信号发送至modbus总线，arduino通过sdi接口模块与传感器进行通信；所述sdi接口模块与所述主控模块建立连接，sdi接口模块即sdi12通讯协议,sdi12数据记录仪通过在数据线上传ascii码与传感器进行通信；所述nb-iot模块与所述主控模块建立连接，nb-iot模块包括nb-iot芯片，用于数据采集装置进行无线数据传输通信。

优选的，数据传感模块包括土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、土壤电导率传感器、土壤氧气传感器，土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、土壤电导率传感器、土壤氧气传感器分别与信号调理模块连接。数据传感模块负责获取数据源的传感数据，将所采集的模拟信号转换为数字信号。在不同应用场合可以采用不同土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、土壤电导率传感器、土壤氧气传感器。

优选的，nb-iot模块包括连接插座j1、连接插座j1-2、连接插座j2、连接插座j2-2、连接插座j3、连接插座j3-2、连接插座j4、连接插座j4-2和ms3616无线通讯模块，连接插座j1、连接插座j1-2、连接插座j2、连接插座j2-2、连接插座j3、连接插座j3-2、连接插座j4、连接插座j4-2连接在主控模块，ms3616无线通讯模块与连接插座j1、连接插座j1-2、连接插座j2、连接插座j2-2、连接插座j3、连接插座j3-2、连接插座j4、连接插座j4-2连接；nb-iot模块采用ms3616无线通讯模块,me3616无线通讯模块为低速率、低功耗、迖距离、海量连接的物联网应用而设计，支持多种网络协议。me3616无线通讯模块是采用lcc封装的基于nb-iot通信标准的移劢通讯网络模块。在nb-iot制式下，该模块可以提供最大66kbps上行速率，34kbps下行速率。

优选的，信号调理模块采用滤波电路，将传感器所采集并转换得到的数字信号进行滤波，筛选出所需要的数据。

优选的，arduino扩展板模块使用arduino/genuinouno作为扩展板，与传感器通过sdi12协议进行通信，采集传感器数据并进行分类，内部采用modbus-rtu协议，将采集数据发送至modbus总线。

优选的，基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置还包括显示模块和按键模块，按键模块连接主控模块，用于显示参数显示界面切换，还有一部分采用tsi模块作为触摸板，实现si按键；所述显示模块连接主控模块，显示模块采用spi液晶屏，用于显示数据传感模块的信号值以及操作菜单、设置界面。

一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集系统，包括如上所述的基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置、应用场景数据源、nb-iot基站、云服务器和客户端，应用场景数据源与所述数据采集装置建立连接，数据采集装置采集数据源数据；所述数据采集装置与所述nb-iot基站建立连接，nb-iot基站与数据采集装置通过移动通信中心进行信息传递；所述nbi-ot基站通过nb-iot网络与云服务器建立连接关系；云服务器通过无线网络与客户端连接。

优选的，云服务器包括数据库存储模块、数据分析模块和数据操作模块，所述数据库存储模块与数据分析模块建立连接，所述数据分析模块与数据操作模块建立连接，数据库存储模块用来存储各类数据，数据分析模块对数据源进行统计和分析数据是否符合要求，数据操作模块对符合要求的数据进行收发，对不符要求的数据进行反馈。

优选的，客户端采用电脑或手机，所述电脑运行有连接到数据采集系统的云服务器浏览器，手机端有相应应用程序。

优选的，应用场景数据源指数据采集的场合，包括土壤温湿度采集场合、空气温湿度采集场合、土壤电导率采集场合、土壤氧气采集场合。

一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集方法，所述采集方法采用上述数据采集装置，通过上述的数据采集系统，所述数据采集方法步骤如下所述：

获取数据,在应用场合布置数据采集装置，数据传感模块获取应用场合的模拟信号；

信号处理,即数据传感模块将所采集模拟信号转换为数字信号并上传至信号调理模块，信号调理模块对其进行滤波，arduino扩展板模块与数字传感模块采用sdi12协议互相发送ascii码通信，arduino扩展板采用将数据发送至modbus总线，将数字信号上传给主控模块；

进行nb-iot操作,利用nb-iot模块将数字信号借助nb-iot基站和nb-iot网络发送到云服务器；

云服务器数据处理,数据分析模块对数据库存储模块中的数据进行统计和分析，数据操作模块判断数据是否符合要求；

数据显示,数据操作模块将判断结果发送至对应客户端。

本发明专利具有如下优点：采用基于nb-iot的sdi传感器数据无线采集方法，可以对不同复杂场合的不同传感器数据进行一体化统计和分析，操作人员可实时监控各传感器设备数据，可实现远距离传输，方便判断环境需求。传感器有a/d接口和sdi接口，采用sdi12通讯协议无需a/d转换电路，使得电路更加简单，亦降低了功耗和成本，且控制器与传感器之间直接通过ascii码进行通信，使得系统连接更加方便。实现了数据从采集到管理的一体化，低功耗和低成本使得此采集装置及系统价格更亲民。

附图说明：

为了更清楚地说明本发明施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置模块连接结构示意图；

图2为基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置的主控模块电路原理图；

图3为基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置的信号调理模块电路原理图；

图4为基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置的arduino扩展板模块电路原理图；

图5为基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置的nb-iot模块电路原理图；

图6为基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置的sdi接口模块电路原理图；

图7为基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置的显示模块电路原理图；

图8为基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置的按键模块电路原理图；

图9为基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置的电源模块电路原理图；

图10为基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集系统示意图；

图11为基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置及系统采集方法流程图。

图中：主控模块1、电源模块2、数据传感模块3、信号调理模块4、arduino扩展板模块5、sdi接口模块6、nb-iot模块7、显示模块8、按键模块9、应用场景数据源10、数据采集装置11、nb-iot基站12、nb-iot网络13、云服务器14、数据库存储模块15、数据分析模块16、数据操作模块17、客户端18。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

本发明提供了以下具体的实施例。

如图1所示，一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置，所述装置包括壳体、壳体内部电路板及线路、数据传感模块3、主控模块1、nb-iot模块7、arduino扩展板模块5、信号调理模块4、sdi接口模块6、电源模块2、显示模块8、按键模块9；所述主控模块1安装在所述壳体内部；所述电源模块2用于为主控模块1及各个子模块提供5v直流电源输入；所述数据传感模块3与所述信号调理模块4直接连接，数据传感模块3用于采集田间土壤温湿度、空气温湿度、土壤电导率、土壤氧气含量此六种传感数据；所述信号调理模块4与所述数据传感模块3建立连接，对数据传感模块3驱动且将其所采集并转换得到数字信号进行滤波并上传给arduino扩展板模块5；所述arduino扩展板模块5与所述信号调理模块4建立连接，arduino扩展板模块5与所述sdi接口模块6建立连接，arduino扩展板模块5与传感器通过sdi12协议进行通信，采集传感器数据并进行分类，采用modbus-rtu协议，将采集数据发送至modbus总线；所述sdi接口模块6与所述主控模块1建立连接，sdi接口模块6采用sdi12接口作为传感器数据接口；所述nb-iot模块7与所述主控模块1建立连接，nb-iot模块7包括nb-iot芯片，用于数据采集装置进行无线数据传输通信。

参见图2，一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置及系统的一个实施例中，主控模块包括主控电路板、主控芯片stm32f407、flash存储器mu2、第一稳压器u1和第二稳压器u2，第一稳压器u1与电压输入端与p-vcc5v电源连接，en引脚与第一电阻pr1连接，第一电阻pr1与ptc4端连接，ct引脚与第一电容pc1连接，第一电容pc1与vin端连接，引脚qod与可变电阻pr3连接，第二稳压器u2的引脚in与引脚gnd与第二电容pc2连接后，与接电线连接，引脚en与vcc5v连接，引脚nc与电容pc5连接，引脚out与vcc3.3v连接，并与电容pc3连接；flash存储器mu2的引脚vcc与hold与vcc3.3v连接，并与电容mc1连接；主控模块的主控芯片stm32f407，内核cortex-m0运行频率高，保留了485有线通讯接口，集成flash、sram、spi等功能，且支持片外flash、sram、psram、nor以及nandflash，虽功能强大但功耗极低，用户可灵活选择通讯方式。

参见图3，一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置及系统的一个实施例中，信号调理模块电路原理图，信号调理模块包括滤波电路，滤波电路包括限压电路d11、电阻r12、电阻r11、电阻r13、电容c11和二极管d12，主控芯片stm32f407的ao端与电阻r12的一端连接，电阻r12的另一端与限压电路d11、电阻r13、电容c11、电阻r11连接，电阻r11与二极管d12连接，电阻r13、电容c11与接电线gnd连接，滤波电路旨在减少脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。a0端接5v电源，电阻r12与r11用来起到限流保护作用，d11为四个稳压二极管构成的限压电路，电容c11与电阻r13构成滤波电路，d12构成防雷电路。

参见图4，一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置及系统的一个实施例中，arduino扩展模块相关电路原理图，arduino扩展模块包括逻辑门运算芯片sn74ahclg04、max485芯片、电阻rs1、电阻rs2、电容cs1、电阻rs3、电阻rs3、电阻rs4、电阻rs5、限压电路ds1、过流保护器lp-msm-010和485芯片，逻辑门运算芯片sn74ahclg04的引脚y与max485芯片的引脚re和引脚de连接，max485芯片的引脚di与di/tx端连接，并与电阻rs2连接，电阻rs2与vcc5v连接，max485芯片的引脚ro与电阻rs1连接，并与do/rx端连接，逻辑门运算芯片sn74ahclg04的引脚b与di/tx端连接，max485芯片的引脚vcc与电容cs1连接，并与vcc5v连接，max485芯片的引脚b与电阻rs3连接，并与电阻rs5和过流保护器lp-msm-010连接，max485芯片的引脚a与电阻rs4连接，并与限压电路ds1、电阻rs5和过流保护器lp-msm-010连接，485芯片与过流保护器lp-msm-010连接；arduino扩展模块采用arduino/genuinouno，通过di/tx与do/rx与主控板连接，将rs485接口作为联网接口，通过485接口可监视arduino扩展模块所采集的传感器的数据。rs485接口组成的半双工网络，一般是两线制，多采用屏蔽双绞线传输。这种接线方式为总线式拓扑结构在同一总线上最多可以挂接32个结点。在rs485通信网络中一般采用的是主从通信方式，即一个主机带多个从机。很多情况下，连接rs485通信链路时用一对双绞线将各个接口的“a”、“b”端连接起来。rs485接口连接器采用db-9的9芯插头座，与智能终端rs485接口采用db-9孔，与键盘连接的键盘接口rs485采用db-9针。

参见图5，一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置及系统的一个实施例中，nb-iot模块电路原理图，nb-iot模块包括连接插座j1、连接插座j1-2、连接插座j2、连接插座j2-2、连接插座j3、连接插座j3-2、连接插座j4、连接插座j4-2和ms3616无线通讯模块，连接插座j1、连接插座j1-2、连接插座j2、连接插座j2-2、连接插座j3、连接插座j3-2、连接插座j4、连接插座j4-2连接在主控模块，ms3616无线通讯模块与连接插座j1、连接插座j1-2、连接插座j2、连接插座j2-2、连接插座j3、连接插座j3-2、连接插座j4、连接插座j4-2连接。nb-iot模块采用ms3616无线通讯模块,me3616与为低速率、低功耗、迖距离、海量连接的物联网应用而设计，支持多种网络协议。me3616是采用lcc封装的基于nb-iot通信标准的移劢通讯网络模块。在nb-iot制式下，该模块可以提供最大66kbps上行速率，34kbps下行速率。

参见图6，一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置及系统的一个实施例中，sdi接口模块包括第一接口端p1、第二接口端p2、第三接口端p3、第四接口端p4、第五接口端p5，第一接口端p1包括接口p11和接口p12,第二接口端p2包括接口p21和接口p22,第三接口端p3包括接口p31和接口p32,第四接口端p4包括接口p41和接口p42,第五接口端p5包括接口p51和接口p52,接口p11、接口p21、接口p31、接口p41和接口p51与主控电路板连接，接口p12、接口p22、接口p32、接口p42和接口p52分别与传感器通信连接。sdi接口模块电路原理图，sdi接口模块即sdi12通讯协议,sdi12数据记录仪通过在数据线上传ascii码与传感器之间进行通信。

参见图7和图8，一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置及系统的一个实施例中，还包括显示模块和按键模块，显示模块连接主控模块，显示模块采用spi液晶屏，显示模块的spi液晶屏的miso端与主控芯片stm32f407的ptc7端连接，blk端与ptd0端连接，dc端与ptd1端连接，res端与ptd2端连接，mosi端与ptc6端连接，clk端与ptc5端连接，vcc3.3v与可变电阻pr2连接后与发光二极管p3.3连接；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，按键模块连接主控模块，按键模块包括触摸片电阻r4，触摸片与电阻r4的一端连接，电阻r4的另一端与主控模块的主控芯片stm32f407的pta2端连接,按键模块用于显示参数显示界面切换，还有一部分采用tsi模块作为触摸板，实现si按键。

参见图9，电源模块2为设备供电，电源模块包括稳压芯片tps70933、电容pc2、电容pc5、电容pc3、熔断器pf1、二极管pd2，稳压芯片tps70933的输入端in与电压vcc5v连接，并与电容pc2连接，电容pc2与稳压芯片tps70933的gnd端连接，稳压芯片tps70933的en端与vcc5v连接，nc端与电容pc5连接，out端与电容pc3和vcc3.3v连接，电源模块的power连接熔断器pf1和二极管pd2，电源模块的稳压芯片tps70933，用于稳定电路中的电压，防止电压波动引起电路故障。熔断器pf1和二极管pd2起到保护电路的作用。在需要采集信号的时候才打开电压，因为在nb-iot场合，一般不需要传感器频繁工作，这样可节省电量，提高电池的续航能力及产品实用性。

基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置及系统的一个实施例中，所述数据传感模块包括土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、土壤电导率传感器、土壤氧气传感器。数据传感模块负责获取数据源的传感数据，将所采集的模拟信号转换为数字信号。

如图10所示，本发明专利还提供一种基于nb-iotdesdi12传感器数据无线采集系统，所述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应用场景数据源10、nb-iot基站12、云服务器14和客户端18。所述应用场景数据源10与所述数据采集装置11建立连接，数据采集装置11采集数据源数据；所述数据采集装置11与所述nb-iot基站12建立连接，nb-iot基站12与数据采集装置11通过移动通信中心进行信息传递；所述nbi-ot基站12通过nb-iot网络13与云服务器14建立连接关系；所述云服务器包括数据库存储模块15、数据分析模块16和数据操作模块17，所述数据库存储模块15与数据分析模块16建立连接，所述数据分析模块16与数据操作模块17建立连接，数据库存储模块15用来存储各类数据，数据分析模块16对数据源进行统计和分析数据是否符合要求，数据操作模块17对符合要求的数据进行收发，对不符要求的数据进行相应反馈。

一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置及系统的一个实施例中，所述应用场景数据源10是在指数据采集场合，包括土壤温湿度传感器采集场合、空气温湿度传感器采集场合、土壤电导率传感器采集场合、土壤氧气含量传感器采集场合。

一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置及系统的一个实施例中，所述客户端18采用电脑和手机，所述电脑端为连接到所述采集系统的阿里云浏览器，所述手机端有手机应用程序及连接到所述采集系统的微信公众平台。

参见图11，本发明专利还提供一种基于nb-iot的sdi12传感器数据无线采集装置及系统，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：

s1：获取数据——在应用场合布置数据采集装置，数据传感模块获取应用场合的模拟信号；

s2：信号处理——即数据传感模块将所采集模拟信号转换为数字信号并上传至信号调理模块，信号调理模块对其进行滤波，arduino扩展板模块与数字传感模块采用sdi12协议互相发送ascii码通信，arduino扩展板采用将数据发送至modbus总线，将数字信号上传给主控模块；

s3：进行nb-iot操作——利用nb-iot模块将数字信号借助nb-iot基站和nb-iot网络发送到云服务器；

s4：云服务器数据处理——数据分析模块对数据库存储模块中的数据进行统计和分析，数据操作模块判断数据是否符合要求；

s5：数据显示——数据操作模块将判断结果发送至对应客户端。

本发明专利采用nb-iot的sdi12传感器数据无线采集技术，可实现多种传感器数据一体化管理，实时监测传感器设备，且具有低成本、低功耗、远距离传输的优势。

上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明专利作了详尽描述，在不偏离本发明专利精神的基础上所做的修改与改进均属于本发明专利要求保护的范围。