一种基于ARM的嵌入式数据采集器的制作方法

一种基于arm的嵌入式数据采集器
技术领域
1.本发明涉及物联网技术领域，特别是涉及一种基于arm的嵌入式数据采集器。


背景技术：

2.现有传感器的数据采集主要有两种方式：人工收集和通过mcu和pc机采集。人工收集数据需要整理之后再输入到pc机上处理和分析；mcu和pc机采集接口数量的限制以及传感器通信形式的多种多样，无法对大量不同类型的传感器数据进行收集，且数据传输多以有线传输的方式进行，随着距离变远，成本造价也逐渐上升。
3.目前物联网技术、嵌入式技术和传感器技术已成为信息产业的发展方向，无线网络在智能家居、智慧农业、智慧交通、灾情监控等方面的应用越来越广泛。结合无线网络协议和物联网技术进行物联网组网优化设计，在监测区域中，就近放置一种数据采集装置，对大量传感器的数据进行优化采集，实时准确的将数据传输到终端系统进行分析，将成为数据采集系统新的发展趋势。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于arm的嵌入式数据采集器。
5.为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
6.一种基于arm的嵌入式数据采集器，所述嵌入式数据采集器包括：传感器数据采集接口、rs485转换模块、arm微控制器、4g射频芯片、以太网芯片和以太网接口，其中：
7.所述传感器数据采集接口，用于将传感器数据传输到arm微控制器；
8.所述rs485转换模块的输入端与传感器数据采集接口连接，用于接收传感器数据；所述rs485转换模块的输出端与arm微控制器连接，用于对所述数据进行转化；
9.所述arm微控制器，用于将采集到的数据进行编号和处理，将处理后的数据按照一定的格式存储，便于以后的校验和查询；并将采集到的数据按4g网络通信的格式或以太网通信的格式进行数据打包处理；
10.所述4g射频芯片、以太网芯片和以太网接口分别与arm微控制器连接，用于将打包的数据传输到终端上位机或者云端存储和利用。
11.在上述技术方案中，所述传感器数据采集接口是rs485接口。
12.在上述技术方案中，所述rs485转换模块的输入端设置有120ω的终端电阻。
13.在上述技术方案中，所述嵌入式数据采集器通过4个rs485接口采集各个传感器的数据。
14.在上述技术方案中，所述传感器数据的采集方法包括两种，一种是通过rs485转换模块实现传感器与采集器的间接连接，另一种是通过带rs485通信功能的传感器。
15.在上述技术方案中，所述传感器数据包括以4-20ma输出的数据、以0-5v输出的数据和以0-1khz输出的数据。
16.在上述技术方案中，所述嵌入式数据采集器传输数据的方式包括数据的有线传输和数据的无线传输。
17.在上述技术方案中，通过4g射频芯片7实现数据的发送，上位机终端或云端进行接收，实现数据的无线传输；通过上位机端与数据采集器以太网接口的连接，上位机接收打包后的数据，从而实现数据的有线传输。
18.在上述技术方案中，所述传感器的轮询方法包括：
19.步骤1，初始化：初始化传感器信息；
20.步骤2，时间同步：通过嵌入式数据采集器在启动时向所有的传感器或rs485转换模块发送时间同步广播报文，在接收到时间同步广播报文后根据设置报文内容调整时钟；
21.步骤3，通讯异常检测：嵌入式数据采集器向某一传感器发送报文后会倾听从站的响应，若在规定的时间内接收到了传感器的响应，则该传感器通讯正常，若未接收到，嵌入式数据采集器会重新发送报文，连续3次发送报文均未收到传感器的响应，则判定该传感器通讯异常；
22.步骤4，所述嵌入式数据采集器访问传感器：嵌入式数据采集器按顺序访问各个传感器，当访问到某一传感器时，嵌入式数据采集器向目标传感器发送访问请求，传感器接收到访问请求之后向嵌入式数据采集器发送应答码；
23.步骤5，上传缓冲区检测：在完成了传感器的访问之后，传感器会检查数据上传的缓冲区，在上传缓冲区空闲时，会将传感器的数据上传到嵌入式数据采集器，若缓冲区繁忙，则等待嵌入式数据采集器的再次访问；
24.步骤6，上传数据：上传缓冲区空闲时，将传感器的数据传输到嵌入式数据采集器中，最终完成嵌入式数据采集器对目标传感器数据的采集。
25.在上述技术方案中，所述传感器信息包括：传感器的数量、各传感器的地址和各传感器的配置情况。
26.在上述技术方案中，所述嵌入式数据采集器通过4g射频芯片发送数据的方式包括：
27.步骤1，初始化：初始化4g射频芯片以及相关的gpio、spi接口；
28.步骤2，4g射频芯片检测：对4g射频芯片进行写入数据和读取数据的循环检测，若芯片正常则退出循环，若不正常继续进行检测；
29.步骤3，模式设置：将4g射频芯片设置为数据读取模式和4g网络发送模式；
30.步骤4，4g射频芯片读取数据：在设置完模式之后，通过spi读取arm微控制器中的数据，在读取时使能spi传输，在指定地址读取相应的数据；
31.步骤5，4g射频芯片发送数据：将读取到的数据通过4g射频芯片传输出去，当arm微控制器有数据要发送时，4g射频芯片会启动发送模式来发送数据。
32.在上述技术方案中，所述嵌入式数据采集器通过以太网芯片和以太网接口发送数据的方式包括：
33.步骤1，初始化：对以太网芯片和以太网接口以及外设初始化，为传感器数据的传输和发送做准备；
34.步骤2，内存分配：根据所述传感器数据的传输精度，估算出数据包的大小，选用内存池的方式实现以太网的内存分配；
35.步骤3，数据包管理：根据选用的内存分配方式，将所述传感器数据打包成相应的数据包类型，通过数据的缓冲区进行数据的快速存储；
36.步骤4，网络配置：设置ip地址、子网掩码、网关地址等相关参数，对嵌入式数据采集器进行网络配置；
37.步骤5，发送数据：通过arm微控制器驱动以太网芯片，将打包处理完成的数据通过以太网芯片和以太网接口传输。
38.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
39.本发明基于arm的嵌入式数据采集器，可在一定空间范围内，对多种数据进行采集传输，支持128个数据的采集和传输。传输的数据在arm微控制器中准确甄别，并能够存储一定时间段的数据，将发送的数据根据以太网和4g网络的通讯协议搭载到发送数据中，保证数据能够实时发送和接收，数据收发延时率在10ms内。arm微控制器对4g射频芯片和以太网芯片的驱动，使数据能稳定的发送，数据准确、丢包率低于1％。
附图说明
40.图1所示为本发明的基于arm的嵌入式数据采集器架构示意图。
41.图2所示为本发明的传感器输出信号转换架构示意图。
42.图3所示为本发明的传感器与采集器的通讯示意图。
43.图4所示为本发明的传感器的轮询方法流程图。
44.图5所示为本发明的嵌入式数据采集器通过4g射频芯片发送数据的流程图。
45.图6所示为本发明的嵌入式数据采集器通过以太网芯片和以太网接口发送数据的流程图。
具体实施方式
46.以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
47.一种基于arm的嵌入式数据采集器，参见图1，所述嵌入式数据采集器包括：传感器数据采集接口4、rs485转换模块5、arm微控制器6、4g射频芯片7、以太网芯片和以太网接口8，其中：
48.所述传感器数据采集接口4，用于将传感器数据传输到arm微控制器6。
49.所述rs485转换模块5的输入端与传感器数据采集接口4连接，用于接收传感器数据；所述rs485转换模块5的输出端与arm微控制器6连接，用于对所述数据进行转化。
50.所述arm微控制器6，用于将采集到的数据进行编号和处理，将处理后的数据按照一定的格式存储，便于以后的校验和查询；并将采集到的数据按4g网络通信的格式或以太网通信的格式进行数据打包处理。
51.所述4g射频芯片7、以太网芯片和以太网接口8分别与arm微控制器6连接，用于将打包的数据传输到终端上位机或者云端存储和利用。
52.具体的，参见图1、图2，传感器1的输出端与数据转换装置2的输入端连接，通过数据转换装置2将传感器1输出的数据统一，便于数据的输出；所述数据转换装置2的输出端与rs485总线3的一端连接，实现传感器输出数据的总线传输；所述传感器数据采集接口4的输
入端与rs485总线3的另一端连接，用于实时访问和读取传感器输出的数据；所述rs485转换模块5与传感器数据采集接口4的输出端连接，接收传感器输出的数据，并与arm微控制器6连接，将转化后的数据发送至arm微控制器6；所述arm微控制器6将接收到的数据进行处理和存储，然后将所述数据根据不同的传输方式打包处理，在所述数据打包完成之后，arm微控制器6驱动4g射频芯片7发送打包的数据，或者arm微控制器6驱动以太网芯片，将打包的数据通过以太网的方式发送出去。
53.其中，所述嵌入式数据采集器传输数据的方式包括数据的有线发送和数据的无线传输，即4g网络传输和以太网网络传输。所述4g网络传输通过4g射频芯片7实现数据的发送，上位机终端或云端进行接收，实现数据的无线传输；所述以太网数据传输主要是通过以太网芯片和以太网接口8进行数据的有线传输，通过上位机端与数据采集器以太网接口的连接，上位机接收打包后的数据，从而实现数据的以太网传输。
54.所述传感器数据包括以4-20ma输出的数据、以0-5v输出的数据和以0-1khz输出的数据。
55.进一步的，所述数据转换装置2的输出端设置有120ω的终端电阻，用于消除通信电缆中的数据反射，提高数据传输的准确度。
56.进一步的，所述rs485转换模块5的输入端设置有120ω的终端电阻。
57.进一步的，所述传感器数据采集接口4是rs485接口。且传感器数据采集接口4是4个，每个传感器数据采集接口最多可挂载32个传感器，所述嵌入式数据采集器最多可实现128个传感器数据的读取。
58.参见图3，所述嵌入式数据采集器通过4个rs485接口采集各个传感器的数据，所述传感器数据的采集方法包括两种，一种是通过rs485转换模块实现传感器与采集器的间接连接，另一种是通过带rs485通信功能的传感器。其中，所述嵌入式数据采集器通过4个通讯接口，可延伸出4条rs485的通讯总线，每条总线最多可挂载32个传感器，最多可挂载128传感器，每条总线上可挂载单一的rs485转换模块或rs485传感器，也可以混合挂载。
59.实施例2
60.在实施例1的基础上，当所述嵌入式数据采集器挂载多个传感器时，所述嵌入式数据采集器采用轮询的方式对传感器的数据进行顺序采集，在实现轮询的功能的过程中，将所述嵌入式数据采集器作为主站，各个传感器作为从站，主站顺序访问从站，实现轮询功能。
61.参见图4，所述传感器的轮询方法包括：
62.步骤1，初始化：初始化传感器信息(传感器的数量、各传感器的地址、各传感器的配置情况(传感器启用还是闲置))；
63.步骤2，时间同步：通过嵌入式数据采集器在启动时向所有的传感器1或rs485转换模块5发送时间同步广播报文，在接收到时间同步广播报文后根据设置报文内容调整时钟；
64.步骤3，通讯异常检测：嵌入式数据采集器向某一传感器发送报文后会倾听从站的响应，若在规定的时间内接收到了传感器的响应，则该传感器通讯正常，若未接收到，嵌入式数据采集器会重新发送报文，连续3次发送报文均未收到传感器的响应，则判定该传感器通讯异常；
65.步骤4，所述嵌入式数据采集器访问传感器：嵌入式数据采集器按顺序访问各个传
感器，当访问到某一传感器时，嵌入式数据采集器向目标传感器发送访问请求，传感器接收到访问请求之后向嵌入式数据采集器发送应答码；
66.步骤5，上传缓冲区检测：在完成了传感器的访问之后，传感器会检查数据上传的缓冲区，在上传缓冲区空闲时，会将传感器的数据上传到嵌入式数据采集器，若缓冲区繁忙，则等待嵌入式数据采集器的再次访问；
67.步骤6，上传数据：上传缓冲区空闲时，将传感器的数据传输到嵌入式数据采集器中，最终完成嵌入式数据采集器对目标传感器数据的采集。
68.实施例3
69.在实施例1-2的基础上，嵌入式数据采集器在完成了对传感器数据采集之后，将采集到的数据打包发送出去，嵌入式数据采集器的发送方式之一为4g网络的发送方式。
70.参见图5，所述嵌入式数据采集器通过4g射频芯片发送数据的方式包括：
71.步骤1，初始化：初始化4g射频芯片7以及相关的gpio、spi接口；
72.步骤2，4g射频芯片检测：对4g射频芯片7进行写入数据和读取数据的循环检测，若芯片正常则退出循环，若不正常继续进行检测；
73.步骤3，模式设置：将4g射频芯片7设置为数据读取模式和4g网络发送模式；
74.步骤4，4g射频芯片读取数据：在设置完模式之后，通过spi读取arm微控制器6中的数据，在读取时使能spi传输，在指定地址读取相应的数据；
75.步骤5，4g射频芯片发送数据：将读取到的数据通过4g射频芯片7传输出去，当arm微控制器6有数据要发送时，4g射频芯片7会启动发送模式来发送数据。
76.实施例4
77.在实施例1-3的基础上，嵌入式数据采集器在完成了对传感器数据采集之后，将采集到的数据打包发送出去，嵌入式数据采集器的另一个数据发送方式为以太网发送方式。
78.参见图6，所述嵌入式数据采集器通过以太网芯片和以太网接口发送数据的方式包括：
79.步骤1，初始化：对以太网芯片和以太网接口8以及外设初始化，为传感器数据的传输和发送做准备；
80.步骤2，内存分配：根据所述传感器数据的传输精度，估算出数据包的大小，选用内存池的方式实现以太网的内存分配；
81.步骤3，数据包管理：根据选用的内存分配方式，将所述传感器数据打包成相应的数据包类型，通过数据的缓冲区进行数据的快速存储；
82.步骤4，网络配置：设置ip地址、子网掩码、网关地址等相关参数，对嵌入式数据采集器进行网络配置；
83.步骤5，发送数据：通过arm微控制器6驱动以太网芯片，将打包处理完成的数据通过以太网芯片和以太网接口8传输。
84.以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于arm的嵌入式数据采集器，其特征在于，所述嵌入式数据采集器包括：传感器数据采集接口、rs485转换模块、arm微控制器、4g射频芯片、以太网芯片和以太网接口，其中：所述传感器数据采集接口，用于将传感器数据传输到arm微控制器；所述rs485转换模块的输入端与传感器数据采集接口连接，用于接收传感器数据；所述rs485转换模块的输出端与arm微控制器连接，用于对所述数据进行转化；所述arm微控制器，用于将采集到的数据进行编号和处理，将处理后的数据按照一定的格式存储，便于以后的校验和查询；并将采集到的数据按4g网络通信的格式或以太网通信的格式进行数据打包处理；所述4g射频芯片、以太网芯片和以太网接口分别与arm微控制器连接，用于将打包的数据传输到终端上位机或者云端存储和利用。2.根据权利要求1所述的嵌入式数据采集器，其特征在于，所述传感器数据采集接口是rs485接口。3.根据权利要求1所述的嵌入式数据采集器，其特征在于，所述rs485转换模块的输入端设置有120ω的终端电阻。4.根据权利要求1所述的嵌入式数据采集器，其特征在于，所述嵌入式数据采集器通过4个rs485接口采集各个传感器的数据。5.根据权利要求4所述的嵌入式数据采集器，其特征在于，所述传感器数据的采集方法包括两种，一种是通过rs485转换模块实现传感器与采集器的间接连接，另一种是通过带rs485通信功能的传感器。6.根据权利要求5所述的嵌入式数据采集器，其特征在于，所述传感器数据包括以4-20ma输出的数据、以0-5v输出的数据和以0-1khz输出的数据。7.根据权利要求1所述的嵌入式数据采集器，其特征在于，所述嵌入式数据采集器传输数据的方式包括数据的有线传输和数据的无线传输。8.根据权利要求7所述的嵌入式数据采集器，其特征在于，通过4g射频芯片7实现数据的发送，上位机终端或云端进行接收，实现数据的无线传输；通过上位机端与数据采集器以太网接口的连接，上位机接收打包后的数据，从而实现数据的有线传输。9.根据权利要求4所述的嵌入式数据采集器，其特征在于，所述传感器的轮询方法包括：步骤1，初始化：初始化传感器信息；步骤2，时间同步：通过嵌入式数据采集器在启动时向所有的传感器或rs485转换模块发送时间同步广播报文，在接收到时间同步广播报文后根据设置报文内容调整时钟；步骤3，通讯异常检测：嵌入式数据采集器向某一传感器发送报文后会倾听从站的响应，若在规定的时间内接收到了传感器的响应，则该传感器通讯正常，若未接收到，嵌入式数据采集器会重新发送报文，连续3次发送报文均未收到传感器的响应，则判定该传感器通讯异常；步骤4，所述嵌入式数据采集器访问传感器：嵌入式数据采集器按顺序访问各个传感器，当访问到某一传感器时，嵌入式数据采集器向目标传感器发送访问请求，传感器接收到访问请求之后向嵌入式数据采集器发送应答码；
步骤5，上传缓冲区检测：在完成了传感器的访问之后，传感器会检查数据上传的缓冲区，在上传缓冲区空闲时，会将传感器的数据上传到嵌入式数据采集器，若缓冲区繁忙，则等待嵌入式数据采集器的再次访问；步骤6，上传数据：上传缓冲区空闲时，将传感器的数据传输到嵌入式数据采集器中，最终完成嵌入式数据采集器对目标传感器数据的采集。10.根据权利要求9所述的嵌入式数据采集器，其特征在于，所述传感器信息包括：传感器的数量、各传感器的地址和各传感器的配置情况。11.根据权利要求1所述的嵌入式数据采集器，其特征在于，所述嵌入式数据采集器通过4g射频芯片发送数据的方式包括：步骤1，初始化：初始化4g射频芯片以及相关的gpio、spi接口；步骤2，4g射频芯片检测：对4g射频芯片进行写入数据和读取数据的循环检测，若芯片正常则退出循环，若不正常继续进行检测；步骤3，模式设置：将4g射频芯片设置为数据读取模式和4g网络发送模式；步骤4，4g射频芯片读取数据：在设置完模式之后，通过spi读取arm微控制器中的数据，在读取时使能spi传输，在指定地址读取相应的数据；步骤5，4g射频芯片发送数据：将读取到的数据通过4g射频芯片传输出去，当arm微控制器有数据要发送时，4g射频芯片会启动发送模式来发送数据。12.根据权利要求1所述的嵌入式数据采集器，其特征在于，所述嵌入式数据采集器通过以太网芯片和以太网接口发送数据的方式包括：步骤1，初始化：对以太网芯片和以太网接口以及外设初始化，为传感器数据的传输和发送做准备；步骤2，内存分配：根据所述传感器数据的传输精度，估算出数据包的大小，选用内存池的方式实现以太网的内存分配；步骤3，数据包管理：根据选用的内存分配方式，将所述传感器数据打包成相应的数据包类型，通过数据的缓冲区进行数据的快速存储；步骤4，网络配置：设置ip地址、子网掩码、网关地址等相关参数，对嵌入式数据采集器进行网络配置；步骤5，发送数据：通过arm微控制器驱动以太网芯片，将打包处理完成的数据通过以太网芯片和以太网接口传输。

技术总结
本发明公开了一种基于ARM的嵌入式数据采集器，包括：传感器数据采集接口、RS485转换模块、ARM微控制器、4G射频芯片、以太网芯片和以太网接口。所述嵌入式数据采集器可在一定空间范围内，对多种数据进行采集传输，支持128个数据的采集和传输。传输的数据在ARM微控制器中准确甄别，并能够存储一定时间段的数据，将发送的数据根据以太网和4G网络的通讯协议搭载到发送数据中，保证数据能够实时发送和接收，数据收发延时率在10ms内。ARM微控制器对4G射频芯片和以太网芯片的驱动，使数据能稳定的发送，数据准确、丢包率低于1％。丢包率低于1％。丢包率低于1％。


技术研发人员：袁维超 宋英利 焦开洲
受保护的技术使用者：核工业理化工程研究院
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/7/19