一种物联网终端设备论文和设计-李继卿

全文摘要

本实用新型提供了一种物联网终端设备，包括控制器、SIM芯片、电池、USB接口以及电源选择开关，其中：所述控制器与所述SIM芯片通过串口相连，以控制所述SIM芯片连接服务器；所述电池、所述USB接口均适于经所述电源选择开关分别与所述控制器、所述SIM芯片的供电引脚电连接，所述电源选择开关用于选择接入所述电池和所述USB接口中的一个。本实用新型所述的物联网终端设备具有电池供电和USB接口供电两种供电方式，对于可连接外部电源的场合如室内，可选择电池供电；对于没有电源的场合如室外，可选择USB接口供电；从而本实施例中的物联网终端设备可满足物联网终端设备在不同场合下的供电需求，结构简单、适应性强。

主设计要求

1.一种物联网终端设备，其特征在于，包括控制器(19)、SIM芯片(22)、电池(11)、USB接口(12)以及电源选择开关(15)，其中：所述控制器(19)与所述SIM芯片(22)通过串口相连，以控制所述SIM芯片(22)连接服务器；所述电池(11)、所述USB接口(12)均适于经所述电源选择开关(15)分别与所述控制器(19)、所述SIM芯片(22)的供电引脚电连接，所述电源选择开关(15)用于选择接入所述电池(11)和所述USB接口(12)中的一个。

设计方案

1.一种物联网终端设备，其特征在于，包括控制器(19)、SIM芯片(22)、电池(11)、USB接口(12)以及电源选择开关(15)，其中：

所述控制器(19)与所述SIM芯片(22)通过串口相连，以控制所述SIM芯片(22)连接服务器；

所述电池(11)、所述USB接口(12)均适于经所述电源选择开关(15)分别与所述控制器(19)、所述SIM芯片(22)的供电引脚电连接，所述电源选择开关(15)用于选择接入所述电池(11)和所述USB接口(12)中的一个。

2.根据权利要求1所述的物联网终端设备，其特征在于，还包括显示屏(20)，所述显示屏(20)与所述控制器(19)电连接，以显示所述SIM芯片(22)连接服务器所需的配置信息。

3.根据权利要求1或2所述的物联网终端设备，其特征在于，还包括过压保护电路(14)，所述过压保护电路(14)接入所述USB接口(12)的供电回路，并在所述USB接口(12)过压时断开所述供电回路，以对电路进行过压保护。

4.根据权利要求3所述的物联网终端设备，其特征在于，所述过压保护电路(14)包括自恢复保险丝(F1)，所述USB接口(12)的接地引脚经所述自恢复保险丝(F1)接地。

5.根据权利要求1或2所述的物联网终端设备，其特征在于，还包括静电防护模块(23)，所述静电防护模块(23)与所述SIM芯片(22)电连接，以对所述SIM芯片(22)进行防静电保护。

6.根据权利要求5所述的物联网终端设备，其特征在于，所述静电防护模块(23)包括SMF05C芯片，所述SMF05C芯片的负极引脚分别与所述SIM芯片(22)的不同引脚电连接，所述SMF05C芯片的正极引脚接地。

7.根据权利要求1或2所述的物联网终端设备，其特征在于，还包括充电电路(10)，所述USB接口(12)经所述充电电路(10)与所述电池(11)电连接。

8.根据权利要求1或2所述的物联网终端设备，其特征在于，还包括总开关(16)，所述电源选择开关(15)经所述总开关(16)分别与所述控制器(19)、所述SIM芯片(22)的供电引脚电连接。

9.根据权利要求8所述的物联网终端设备，其特征在于，还包括失能开关(18)，所述失能开关(18)接入所述总开关(16)与所述SIM芯片(22)的供电引脚之间，以控制所述总开关(16)与所述SIM芯片(22)供电引脚电连接的导通与关断。

10.根据权利要求9所述的物联网终端设备，其特征在于，还包括第一稳压电路(17)，所述第一稳压电路(17)接入所述失能开关(18)与所述SIM芯片(22)的供电引脚之间，以对输入到所述SIM芯片(22)供电引脚的电压进行稳压。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及物联网技术领域，具体而言，涉及一种物联网终端设备。

背景技术

随着信息技术的发展，物联网设备应用于越来越多的领域。物联网设备通常均包括控制器和SIM芯片，SIM芯片用于与服务器进行连接，实现终端与服务器端的数据交互，控制器用于对数据进行处理。传统的物联网设备上均设有USB接口，通过数据线将USB接口与5V\/1A电源或计算机相连，以对物联网设备进行供电。然而，通过USB接口供电的方式存在一定的局限性，即在无电源或计算机不方便携带的场合，无法进行供电，无法满足物联网设备在不同场合下的供电需求。

实用新型内容

本实用新型解决的问题是：传统物联网设备的供电方式无法满足物联网设备在不同场合下的供电需求。

为解决上述问题，本实用新型提供一种物联网终端设备，包括控制器、SIM芯片、电池、USB接口以及电源选择开关，其中：

所述控制器与所述SIM芯片通过串口相连，以控制所述SIM芯片连接服务器；

所述电池、所述USB接口均适于经所述电源选择开关分别与所述控制器、所述SIM芯片的供电引脚电连接，所述电源选择开关用于选择接入所述电池和所述USB接口中的一个。

可选的，所述物联网终端设备还包括显示屏，所述显示屏与所述控制器电连接，以显示所述SIM芯片连接服务器所需的配置信息。

可选的，所述物联网终端设备还包括过压保护电路，所述过压保护电路接入所述USB接口的供电回路，并在所述USB接口过压时断开所述供电回路，以对电路进行过压保护。

可选的，所述过压保护电路包括自恢复保险丝，所述USB接口的接地引脚经所述自恢复保险丝接地。

可选的，所述物联网终端设备还包括静电防护模块，所述静电防护模块与所述SIM芯片电连接，以对所述SIM芯片进行防静电保护。

可选的，所述静电防护模块包括SMF05C芯片，所述SMF05C芯片的负极引脚分别与所述SIM芯片的不同引脚电连接，所述SMF05C芯片的正极引脚接地。

可选的，所述物联网终端设备还包括充电电路，所述USB接口经所述充电电路与所述电池电连接。

可选的，所述物联网终端设备还包括总开关，所述电源选择开关经所述总开关分别与所述控制器、所述SIM芯片的供电引脚电连接。

可选的，所述物联网终端设备还包括失能开关，所述失能开关接入所述总开关与所述SIM芯片的供电引脚之间，以控制所述总开关与所述SIM芯片供电引脚电连接的导通与关断。

可选的，所述物联网终端设备还包括第一稳压电路，所述第一稳压电路接入所述失能开关与所述SIM芯片的供电引脚之间，以对输入到所述SIM芯片供电引脚的电压进行稳压。

相对于现有技术，本实用新型所述的物联网终端设备具有以下优势：

本实用新型所述的物联网终端设备具有电池供电和USB接口供电两种供电方式，对于可连接外部电源的场合如室内，可选择电池供电；对于没有电源的场合如室外，可选择USB接口供电；从而本实施例中的物联网终端设备可满足物联网终端设备在不同场合下的供电需求，结构简单、适应性强。

附图说明

图1为本实用新型所述的物联网终端设备的结构框图；

图2为本实用新型所述的USB接口与过压保护电路的示意图；

图3为本实用新型所述的第一稳压电路的电路图；

图4为本实用新型所述的失能开关的示意图；

图5为本实用新型所述的第二稳压电路的电路图；

图6为本实用新型所述的静电防护模块的示意图；

图7为本实用新型所述的SMF05C芯片的原理图；

图8为本实用新型所述的SMF05C芯片钳位+8KV ESD电压的波形图；

图9为本实用新型所述的SMF05C芯片钳位-8KV ESD电压的波形图；

图10为本实用新型所述的充电电路的电路图；

图11为本实用新型所述的状态指示电路的电路图。

附图标记说明：

10-充电电路；11-电池；12-USB接口；13-电压转换电路；14-过压保护电路；15-电源选择开关；16-总开关；17-第一稳压电路；18-失能开关；19-控制器；20-显示屏；21-第二稳压电路；22-SIM芯片；23-静电防护模块；F1-自恢复保险丝；D1-第一二极管；D2-第二二极管；D3-第三二极管；D4-第四二极管；D5-第五二极管；D6-第六二极管。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。

如图1所示，其为本实施例中物联网终端设备的结构框图；其中，所述物联网终端设备包括控制器19、SIM芯片22、电池11、USB接口12以及电源选择开关15，其中：

所述控制器19与所述SIM芯片22通过串口相连，以控制所述SIM芯片22连接服务器；

所述电池11、所述USB接口12均适于经所述电源选择开关15分别与所述控制器19、所述SIM芯片22的供电引脚电连接，所述电源选择开关15用于选择接入所述电池11和所述USB接口12中的一个。

如图2所示，USB接口12包括供电引脚VCC和接地引脚GND，供电引脚VCC可通过导线与电源选择开关15电连接，接地引脚GND用于接地，供电引脚VCC、负载、接地引脚GND共同组成USB接口12的供电回路。USB接口12的内部可通过导线与外部电源电连接，USB接口12上电后，供电引脚VCC可输出如5V的电压。电源选择开关15用于选择接入电池11和USB接口12中的一个，如电源选择开关15可为单刀双掷开关，其两侧接线处可分别连接电池11和USB接口12，当单刀双掷开关掷向电池11一侧时，即选择电池11为负载供电；当单刀双掷开关掷向USB接口12一侧时，即选择USB接口12为负载供电。USB接口12供电和电池11共同组成物联网终端设备的系统电源。

这样，本实施例中的物联网终端设备具有电池供电和USB接口供电两种供电方式，对于可连接外部电源的场合如室内，可选择电池11供电；对于没有电源的场合如室外，可选择USB接口12供电。从而本实施例中的物联网终端设备可满足物联网终端设备在不同场合下的供电需求，结构简单、适应性强。

本实施例中，如图2所示，USB接口12还包括D+、D-、ID引脚，D+引脚、D-引脚可与下载电路电连接，实现一键下载，为开发人员提供二次开发的便利。

本实施例中，SIM芯片22上接有天线，以进行信号的发送与接收，服务器端数据从基站发出后，经天线接收，通过串口转发至控制器19。所述物联网终端设备还包括SIM芯片22和控制器19的外围电路，如SIM芯片22的外围电路中有工作指示灯、网络状态指示灯等，在SIM芯片22正常启动和工作时，工作指示灯常亮，网络状态指示灯每隔1s闪一次，此时表示已附着到网络并处于待机状态；如控制器19的外围电路中有晶振电路、复位电路、调试电路等，在此不再赘述。其中，SIM芯片22可为多种，如SIM900A、SIM800A，其能够实现HTTP请求和TCP链接，负责接收服务器端的数据或将终端的数据上传至服务器。控制器19可为多种，如STM32系列处理器、51单片机系列，其可控制SIM芯片22连接服务器以及对数据进行处理。所述物联网终端设备开机后，会自动与服务器端取得联系，服务器端开启网络服务后，通过nohup&指令后台挂起当前进程即可以退出控制台，输出的日志信息自动打印到对应的文件。此时，物联网终端设备就可以通过SPI，USART，IIC接口与其他硬件建立通信网络，同时向网络发起HTTP请求，实现数据的上传。在多个物联网终端设备同时向服务器发起TCP链接时，服务器端可以启动资源共享，实现网络化信息共享，也可以通过TCP链接进行数据的实时双向传输，实现地球上任意两点的实时控制。

本实施例中，所述物联网终端设备为轻量级的网络物联终端，优选控制器19为STM32系列处理器，成本较低，也与许多领域的控制器都能很好的兼容，可预留供二次开发的I\/O口与SWD调试接口。

可选的，如图1所示，所述物联网终端设备还包括显示屏20，所述显示屏20与所述控制器19电连接，以显示所述SIM芯片22连接服务器所需的配置信息。

所述物联网终端设备存储有服务器配置信息、HTTP以及TCP协议接口、域名解析规则、数据格式解码等，所述物联网终端设备开机后，控制器19会控制显示屏20显示SIM芯片22连接服务器所需的配置信息以及配置步骤，用户可根据显示屏20上的指示一步步配置服务器。其中，服务器配置信息推荐为内存、硬盘容量、带宽以及操作系统版本等。此外，控制器19还可控制显示屏20显示当前硬件的所有信息，包括电量、网络状态、机器序列号、当前版本号等。

这样，本实施例中的物联网终端设备可在开机后显示连接服务器所需的配置信息，用户可根据显示屏20上的指示一步步配置服务器，操作方便、高效；且可以让完全未接触过网络和服务器的人员操作所述物联网终端设备联网，在跨领域的二次开发应用中，可满足非专业人士、跨领域应用的快速便捷入门的要求，适应性强、适用人群广；还可显示所述物联网终端设备的状态信息，具有可视化界面，方便用户掌握设备状态。

可选的，如图1所示，所述物联网终端设备还包括过压保护电路14，所述过压保护电路14接入所述USB接口12的供电回路，并在所述USB接口12过压时断开所述供电回路，以对电路进行过压保护。

其中，如上所述，USB接口12的供电引脚VCC、负载、接地引脚GND共同组成USB接口12的供电回路。

可选的，如图2所示，所述过压保护电路14包括自恢复保险丝F1，所述USB接口12的接地引脚经所述自恢复保险丝F1接地。

本实施例优选500mA\/6V自恢复保险丝，跳闸时间1A，跳闸时间0.1S，自恢复保险丝F1在过压或过流时会自动断开，0.1S后恢复。自恢复保险丝F1断开时，USB接口12的接地引脚GND与地之间的连接断开，USB接口12的供电回路断开。

这样，可避免USB接口12过压或过流烧毁电路，安全性更高。

可选的，如图1所示，所述物联网终端设备还包括总开关16，所述电源选择开关15经所述总开关16分别与所述控制器19、所述SIM芯片22的供电引脚电连接。这样，电池11和USB接口12可依次经电源选择开关15、总开关16分别与控制器19、SIM芯片22的供电引脚电连接。总开关16位于电池11或USB接口12的供电支路上，总开关16关闭时，即切断所有的供电，可方便控制整个物联网终端设备的供电。

可选的，如图1所示，所述物联网终端设备还包括第一稳压电路17，所述第一稳压电路17接入所述总开关16与所述控制器19的供电引脚之间，以对输入到所述控制器19供电引脚的电压进行稳压。

本实施例中，第一稳压电路17由AMS1117-3.3稳压器及外围电路组成，第一稳压电路17为常见的稳压电路，其具体电路如图3所示，在此不再赘述。AMS1117-3.3稳压器为输出电压为3.3V的正向低压降稳压器，由于本实施例优选控制器19为STM32系列处理器，STM32系列处理器的供电电压为3.3V，AMS1117-3.3稳压器可将系统电源输出的5V电压转化为3.3V，为控制器19提供稳定的输入电压。

如图3所示，第一二极管D1为发光二极管，总开关16开启时，第一二极管D1常亮表示供电正常。且在AMS1117-3.3稳压器的输出端具有第二二极管D2，第二二极管D2为稳压二极管，保证控制器19的正常供电。

可选的，如图1所示，所述物联网终端设备还包括失能开关18，所述失能开关18接入所述总开关16与所述SIM芯片22的供电引脚之间，以控制所述总开关16与所述SIM芯片22供电引脚电连接的导通与关断。

如图4所示，失能开关18包括供电引脚VCC、使能引脚CE以及接地引脚GND，失能开关18的供电引脚VCC与SIM芯片22的供电引脚电连接，其使能引脚CE与总开关16电连接。失能开关18处于失能状态时，其使能引脚CE悬空，即输入到SIM芯片22的电源供应脚悬空，SIM芯片22与系统电源之间的电连接断开，此时可使用单独调试串口接入SIM芯片22进行调试。失能开关18使能时，则会关闭SIM芯片22的调试功能，接入系统电源。

这样，由于SIM芯片22需要通过AT指令来操作，直接通过控制器19来控制SIM芯片22进行调试会比较麻烦，本实施中，用户可通过失能开关18，使SIM芯片22处于关闭的状态，进而可通过单独调试串口对SIM芯片22进行供电调试，无需启动控制器19，从而实现更便捷的开发。

可选的，如图1所示，所述物联网终端设备还包括第二稳压电路21，所述第二稳压电路21接入所述失能开关18与所述SIM芯片22的供电引脚之间，以对输入到所述SIM芯片22供电引脚的电压进行稳压。

本实施例中，第二稳压电路21由MP1482稳压器及外围电路组成，第二稳压电路21为常见的稳压电路，其具体电路如图5所示，在此不再赘述。失能开关18的供电引脚VCC与第二稳压电路21的输入端电连接，第二稳压电路21的输出端与SIM芯片22的供电引脚电连接。设置物联网终端设备的参数时，第二稳压电路21的输入端电压为5-18V，无法直接对SIM芯片22进行供电，第二稳压电路21可对第二稳压电路21的输入电压进行降压和稳压，输出SIM芯片22所需的4V电压，从而为SIM芯片22提供稳定的输入电压。

可选的，如图1所示，所述物联网终端设备还包括静电防护模块23，所述静电防护模块23与所述SIM芯片22电连接，以对所述SIM芯片22进行防静电保护。

可选的，如图6所示，所述静电防护模块23包括SMF05C芯片，所述SMF05C芯片的负极引脚分别与所述SIM芯片22的不同引脚电连接，所述SMF05C芯片的正极引脚接地。

如图7所示，SMF05C芯片内部由五个瞬态抑制二极管组成，瞬态抑制二极管的负极分别引出，为引脚K1、K2、K3、K4、K5，分别与SIM芯片22的不同引脚电连接，如SIM芯片22的关键引脚CLK、RST、DATA、VCC等；五个瞬态抑制二极管的正极接在一起引出，为引脚A，引脚A接地。瞬态抑制二极管并接到负载之间，确保信号不会收到尖峰电压的影响。根据实际测试结果，数字地模拟地可以合并到GND且不影响防静电效果。

这样，由于SIM芯片22为射频器件，静电的尖端放电电压通常为10KV左右，尖峰电压可在SMF05C芯片内统一放电，以确保尖峰电压的高频分量不会对外部的射频信号产生干扰，也避免SIM芯片22直接被击穿，起到保护SIM芯片22的作用。如图8和图9所示，为SMF05C芯片在±8KV测试电压下的钳位波形图，可以看到，SMF05C芯片可以有效减小静电脉冲的电压，有效保护电路。

可选的，如图1所示，所述物联网终端设备还包括充电电路10，所述USB接口12经所述充电电路10与所述电池11电连接。

充电电路10由TC4056A充电器及外围电路组成，充电电路10为常见的充电电路10，其具体电路如图10所示，在此不再赘述。当总开关16关闭时，可使用数据线插入USB接口12，从而连接USB接口12与电池11，以对电池11进行充电。

这样，USB接口12不仅可以作为供电接口，还可以作为充电接口，方便对电池11进行充电。

如图10所示，充电电路10中，第三二极管D3和第四二极管D4均为发光二极管，第三二极管D3常亮表示正在充电，第四二极管D4常亮表示充电完成。

可选的，如图1所示，所述物联网终端设备还包括电压转换电路13，所述电池11经所述电压转换电路13与所述电源选择开关15电连接。

本实施例优选电池11为3.7V的锂电池。电压转换电路13由SX1308升压芯片及外围电路组成，可将3.7V电压转化为5V电压。电压转换电路13为常见的电压转换电路13，其具体电路在此不再赘述。

这样，可通过电压转换电路13将电池11电压转化为可供负载使用的标准电压。

可选的，如图11所示，所述物联网终端设备还包括状态指示电路，第六二极管D6为工作状态指示灯，终端设备正常启动和工作时，第六二极管D6常亮；第五二极管D5为网络状态指示灯，第五二极管D5每隔1s闪烁一次，表示已附着到网络并处于待机状态。

可选的，本实施例中，所述物联网终端设备还可设置多个独立按键，如菜单键、左右键、确认键等，在设定程序中，将按键与显示屏20相关联，通过菜单键选择TCP链接或者HTTP请求，选择向导功能，调出显示屏20上的配置信息，便可按照显示屏20的指示配置服务器。

本实施例中，所述物联网终端设备在设计中，可预先将SIM芯片22与用户的手机卡绑定，当出现电源欠压、服务器异常等特殊情况时，控制器19可直接将故障信息发送到用户手机。在电源欠压的情况下，若系统电源电压低于3.3V，系统将自动断电以防止锂电池过放。

虽然本公开披露如上，但本实用新型公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。

设计图

一种物联网终端设备论文和设计

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