一种低功耗扩频通讯数据采集模组及方法与流程

1.本发明涉及无线设备技术领域，具体而言，涉及一种低功耗扩频通讯数据采集模组及方法。


背景技术：

2.随着物联网的迅速发展，无线电调制技术不断地冲击着传统物理连接技术，物理连接方式在各种领域逐渐的失去市场，慢慢被无线设备所替换。就目前而言，现有无线数据采集模组(cn213122655u)公开了一种远程io模块，采用了can总线、rs485、eth等接口进行数据交互，主要外设有光耦隔离输入电路、光耦隔离输出电路、模拟输入电路、模拟输出电路等。但仍存在以下问题：1、将can总线、rs485、eth等通用性设备接口作为模块级别的接口不太恰当，容易限制用户的二次开发；2、该模块上传数据需要借助以太网，也就意味着需要搭建服务器，复杂的环境搭建不仅大大提高了成本。基于此，我们设计了一种低功耗扩频通讯数据采集模组及方法，用于克服上述技术问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种低功耗扩频通讯数据采集模组及方法，通过采用uart接口只需简单的转化电路就能实现各种通用性接口转化，解决了容易限制用户的二次开发的问题，通过lora直序扩频技术和多重校验技术，解决了必须联网问题，简化了设备部署流程，且在极度恶劣环境下数据传输也不容易出现错误的问题。
4.本发明的实施例通过以下技术方案实现：
5.一种低功耗扩频通讯数据采集模组，包括：核心控制器、外部设备、uart接口、lora以及射频前级电路；外部设备、uart接口、lora分别与核心控制器连接，射频前级电路与lora连接，其中，uart接口，用于传输设定标准modbus指令以对外部设备进行控制或读取；lora，用于远程访问或控制外部设备进行工作。
6.可选的，外部设备由输入型外设与输出型外设所组成，包括：4路输入型io端口、4路输出型io端口、4路adc输入端口、2路dac输出端口、2路pwm输出端口，4路输入型io端口通过第一信号处理单元与核心控制器连接，4路adc输入端口通过第二信号处理单元与核心控制器连接，2路dac输出端口、2路pwm输出端口、4路输出型io端口分别与核心控制器连接。
7.可选的，4路输入型io端口内部集成保护电路，并结合软件滤波算法以防止4路输入型io端口被误触发。
8.可选的，4路输出型io端口中的2路为开漏结构，2路为推挽结构，其内部集成驱动电路，执行于驱动设备或作为芯片的使能端。
9.可选的，还包括电源电路，电源电路与核心控制器连接。
10.一种低功耗扩频通讯数据采集方法，应用于上述任一项所述的低功耗扩频通讯数据采集模组，该方法的步骤包括：
11.初始化模组，并判断模组内的uart是否收到数据，若否，则等待uart收到数据；若
是，则进入下一步骤；
12.解析uart指令，判断uart指令是否为设定标准modbus指令，若否，则认定为透传数据，通过lora将透传数据进行发送；若是，则进入下一步骤；
13.判断uart指令是否为模组本地的modbus指令，若否，则将uart指令进行广播，直至目标模组获取该指令后通过lora回复执行结果；若是，则控制模组本地的外部设备执行指令的相应操作，完成模组的执行过程。
14.可选的，基于上述方法的各个判断结果，lora根据各个判断结果执行相应动作，其中，当lora收到非设定标准modbus指令时，将收到的数据直接通过uart进行输出；当lora收到非模组本地modbus指令时，丢弃该数据；当lora收到模组本地modbus指令时，执行指令的相应操作，并通过lora返回modbus处理码。
15.一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求6-7任一项所述低功耗扩频通讯数据采集方法的步骤。
16.本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
17.本实施例更加侧重简洁的操作方式，采用uart接口只需简单的转化电路就能实现各种通用性接口转化；
18.该模组主要用于超远距离传输，在低干扰环境下可传输10km，该模组还通过软件进行多重校验和加密技术，保证数据准确性及数据隐私；
19.当该模组被制成便携式设备时，其独特的低功耗唤醒能让设备寿命大大延长，可在较大范围内随时随地安装设备，部署更加灵活，成本更加低廉，其丰富的外设加上可变参数配置能够满足大多数用户的需求。
附图说明
20.图1为本发明提供的一种低功耗扩频通讯数据采集模组的原理框图；
21.图2为本发明提供的一种低功耗扩频通讯数据采集方法的发送流程示意图；
22.图3为本发明提供的一种低功耗扩频通讯数据采集方法的接收流程示意图；
23.图4为本发明提供的wor接收方电流示意图。
具体实施方式
24.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。
25.如图1所示，本发明提供了其中一种实施例：一种低功耗扩频通讯数据采集模组，采用uart通信格式，内部集成了lora、各类外部设备、射频前级电路，最大发送功率可达+30dbm，最低接收灵敏度可达-147dbm，通讯距离可达10km，主要工作在410.125mhz～493.125mhz。
26.在本实施例中，该模组拥有4路输入型io端口、4路输出型io端口、4路adc输入端口、2路dac输出端口、2路pwm输出端口和lora及射频前级电路，所有的外部设备可通过uart接口发送标准的modbus指令进行控制或者读取，也能通过lora远程访问来控制不同外设工
作。
27.在本实施例的其中一种应用中，输入型io端口内部集成了保护电路，再通过软件使用特殊的算法对其进行滤波，以保证输入型io端不被误触发。
28.在本实施例的其中一种应用中，输出型io端口分为推挽结构和开漏结构，推挽结构的输出型io端口内部集成了驱动电路，能大大提高驱动能力，用于驱动继电器、蜂鸣器或作为某些芯片的电源或者使能端；开漏型结构的输出型io端口最大可输出电压会根据外接上拉电阻的电压变化，最大输出6v的电压，驱动能力则由外部上拉电阻决定。
29.在本实施例的其中一种应用中，adc输入端口分为电流采集型、电压采集型以及模块自身供电电压的检测，电流采集型adc能直接接入各种0～20ma型工业电流型的传感器，电压采集型adc能充当简易电压表使用，用于监测其他外围设备的电源电压变化。
30.在本实施例的其中一种应用中，dac输出端口自身驱动能力较弱，需要为其增加一部分驱动电路或转化电路变为恒流源/恒压源，或者被作为0～vdd的电压产生器，用于各种不同的用途。在软件上，dac通过稳压算法，能适应在不同的供电电压下保证dac的恒定输出。
31.在本实施例的其中一种应用中，pwm输出端口能产生25hz～65535hz的pwm，占空比0～100％可调。2路的pwm可独立工作，也能相互配合产生互补的pwm波形用于控制电机等。
32.在本实施例中，会产生功耗的部分均采用了独立的电源电路来控制电路是否工作，且会在执行不同的动作时会自动开启不同的外部设备电路，采集完成后重新关闭外部设备电路，整个模组在休眠时静态电流仅有5ua，大大延长了设备运行寿命。
33.在本实施例的其中一种应用中，本实施例在传输上采用lora直序扩频技术和多重校验技术，确保在极度恶劣环境下数据的传输准确无误；同时运用加密技术，保护用户数据不被窃取。
34.另外，在本实施例中，为了满足不同的用户需求，提供了各种配置参数，例如：模组工作模式、波特率、波特率格式、lora空中速率、lora输出功率、lora信道、模块地址、网络id等一系列参数，各种配置参数也通过远程进行修改，修改完成参数会自动保存。当模组重启后也能恢复之前的工作模式，大大保证了制成模组的可靠性。
35.在本实施例的其中一种应用中，模组工作模式分为普通模式、wor模式、休眠模式三种：
36.普通模式下所有外部设备均处于工作状态。
37.wor模式(射频唤醒)下输出型外设无法控制，输入型外设会在收到lora唤醒包时开启对应的外设电路，执行相应操作后重新进入休眠模式，大大降低了待机的功耗。
38.休眠模式下所有外设全部关闭，无法使用射频唤醒，只能通过串口发送模式切换指令，切换到其他模式才能再次进入工作，此模式下的待机电流仅有5ua，用于用户强制关断模块电源。
39.如图2所示，应用于上述一种低功耗扩频通讯数据采集模组，本实施例还提供了一种低功耗扩频通讯数据采集方法，该方法的步骤包括：
40.1、当模组收到uart指令时，优先判断是否标准modbus指令，若不是标准的modbus指令，则将数据认为是透传数据，直接将数据通过lora发送；
41.2、当收到标准modbus指令时，再次判断是否是此设备的modbus指令，若是本模组
的modbus指令，则可控制本地外设执行不同的工作；
42.3、若收到非本模组的modbus指令，则将此指令进行广播，其他的目标设备收到此指令则会通过lora回复执行结果。
43.如图3所示，根据上述发送部分的三种不同指令，目标设备根据收到的不同lora数据执行相应的不同动作：
44.(1)当lora收到非modbus指令时会将收到的数据直接通过uart进行输出；
45.(2)当lora收到非本模组modbus指令时会将此数据舍弃；
46.(3)当lora收到本模组modbus指令时会执行对应操作，并通过lora返回modbus处理码。
47.结合本实施例，该模组采用了低功耗技术，其主要是通过减少接收部分处于接收状态的时间，其余时间工作在深度睡眠模式来降低模组整体功耗，同时也能保证模组的正常接收，缺点是发送部分需要发送更长的时间来保证接收部分被唤醒。
48.通过此低功耗技术，能大幅度降低接收部分的待机功耗，接收电流端电流消耗如图4所示，其中，t1代表wor周期，t2代表深度睡眠时间，t3代表接收模式时间，假设t1为1000ms，t3为30ms。t2为970ms，则整个模组的功耗能降到之前的3％左右，运用此技术能大大延长模组的工作寿命。
49.综上所述，本实施例可作为用户设备的核心控制器，但作为模块级，二次开发是必不可少的。若模块驱动非常繁琐，则用户便会无从下手，因此，该模块比起更加复杂的功能，更加侧重简洁的操作方式，采用uart接口的好处便是如此，而且市面上uart转设备接口技术也愈加成熟，只需简单的转化电路就能实现各种通用性接口转化，如rs232、rs485等；
50.该模组主要用于超远距离传输，在低干扰环境下可传输10km，这是wifi、蓝牙等无法比拟的优势。该模组还通过软件进行多重校验和加密技术，保证数据准确性及数据隐私；
51.当该模组被制成便携式设备时，其独特的低功耗唤醒能让设备寿命大大延长，可在较大范围内随时随地安装设备，部署更加灵活，成本更加低廉，其丰富的外设加上可变参数配置能够满足大多数用户的需求。
52.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。