CN103376478A - 便携式小区域气象/环境信息监测智能系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种便携式小区域气象/环境信息监测智能系统，能对小区域范围内多种气象环境信息进行实时监测。系统由支架和核心电路构成。支架是系统的支撑部分，包括可折叠三脚架、电路托盘和超声阵列支架，提供定位和支撑的功能；核心电路安装在电路托盘上，由信息采集模块、数据处理模块、数据传输模块、自供能模块和外围电路五个部分组成，实现状态感知、数据处理、信息传输等核心功能。两者之间通过螺纹连接，便于快速组装和分解。系统可以在地震灾区、高原环境及核设施周围等人类不便于长期值守的环境下使用；系统体积小重量轻，能够实现快速组装和分解，便于携带和快速展开；系统具有丰富的数据传输接口，可以实现分布式、网络化监控。

Description

便携式小区域气象/环境信息监测智能系统

技术领域：

本发明属于智能微系统的集成与应用领域。本发明使用多传感器数据融合技术和无线网络传输技术，实现了小地域范围内温度、湿度、气压、风速、风向等气象和环境信息的实时在线监测和数据远程传输。 

背景技术：

1.小区域气象/环境信息的概念 

小区域气象/环境信息是指生活小区、学校、厂区、运动场、旅游景点等较小区域范围内的温度、湿度、气压、风速及风向等气象和环境状况。 

2.背景与意义 

在气候和环境状态日趋复杂的今天，气象环境状况成为影响社会行为的重要因素，不仅直接影响一切户外生产和生活活动，还会间接地影响决策制定，进而产生更为深远的影响。不同规模气象环境因素产生的作用各不相同，其中小区域气象环境信息产生的作用最直接、最显著，影响到人们衣食住行的每一个方面，并且得到了越来越多人的重视。 

现有的气象监测/预报系统基于气象卫星、气象雷达和地面观测站等大型气象观测设备，能够提供温湿度、风速风向、气压、降水等数十种气象和环境状态的信息，并通过大型计算机和数据模型进行气象变化的预测。这种气象监测/预报系统能够提供大尺度地域范围和大跨度时间范围内的气象状态及趋势，但是不能提供小区域内精确、实时的气象信息。 

针对以上状况，本发明首次提出并设计实现了一种针对小区域的气象环境信息监测系统。 

本发明可以对所在区域的温度、湿度、气压、噪声、风速和风向等多项气象和环境信息进行测量，提供实时、精确的数据信息；系统同时提供本地显示和远程监控两种方式进行信息发布；系统具有强大的通讯功能，可以实现远程通讯，多个系统可以快速实现网络覆盖监控，从而实现不同区域面积的分布式监控。 

本发明可以长期固定安装在小区、校园、运动场、旅游景点等户外活动场所，也可以在大型户外演出、活动、比赛现场快速布置使用。此外，由于系统使用了太阳能+蓄电池的功能方式，因此适用于对自然灾害受灾区、矿井等人员不易到达或者能源中断的地区进行气象信息监控，并通过无线方式实现区域外远程监控。 

通过专利查询发现，在国内外行业技术现状中尚没有发布相关的产品信息。 

发明内容：

本发明的目的是：设计一个能感知小区域范围内多种气象环境信息(包括温度、湿度、气压、噪声、风向、风速、辐射剂量等)，并可以实现远程数据传输和系统组网的完整系统。该系统采用了多传感器数据融合技术，集成多种传感监测方式，对多种气象/环境信息进行实时监测和记录；该系统使用了MEMS技术和成果，实现了系统小型化和低功耗，便于携带和快速展开，并能长时间工作；该系统集成了丰富的数据传输接口，可以实现多链路数据传输和不同规模的系统组网。 

为实现上述目的，本发明提供了一种便携式小区域气象/环境信息监测智能系统，系统由支架和核心电路构成。支架是系统的支撑部分，包括可折叠三脚架、电路托盘和超声阵列支架，提供定位和支撑的功能；核心电路安装在电路托盘上，实现状态感知、数据处理、信息传输等核心功能。两者之间通过螺纹连接，便于快速组装和分解。 

核心电路由信息采集模块、数据处理模块、数据传输模块、自供能模块和外围电路五个部分组成。信息采集模块中集成了多种气象/环境传感器，可以对系统周围的温度、湿度、气压、噪声、风向、风速、辐射剂量等状态进行采集；数据处理模块对采集到的数据进行放大、滤波等信号处理，然后根据特定的算法进行补偿、解耦和解算，从而获得环境信息的数值，数据处理模块中包含了大容量存储器，用于实现数据的本地存储；数据传输模块包括USB接口、zigbee接口和GPRS接口，分别提供有线传输、短距离无线传输和远程数据传输功能；自供能模块包括太阳能电池和可充式锂电池，使系统具备了自供能和全天候工作的能力；外围电路包括LCD屏接口和按键面板等，提供本地数据显示和参数设置功能。 

系统支架包括可折叠三脚架、电路托盘和超声阵列支架三个部分，可折叠三脚架为系统提供支撑功能；电路托盘为核心电路提供定位和支撑；超声阵列支架为可折叠式十字支架，为超声波传感器提供定位和对准功能。系统支架为铝合金制造，保证了系统强度和轻量化。支架折叠后体积小于70mm×12mm×12mm，质量小于1.5kg，十分便于携带。支架与核心电路通过螺纹连接、卡榫固定，便于组装和分解。 

本发明的工作流程是：首先根据需要进行放置和展开，启动系统并对工作模式、采集频率、上传频率等进行参数初始化；系统开始工作后，首先进行功能自检，检测检测传感器是否正常工作；在普通工作模式下，系统根据设定的采集频率对各项气象参数进行采集、转换、处理和存储，根据设定的上传频率对信息进行打包和上传；在节能工作模式下，系统进入低功耗休眠状态，只有在收到指令时才进行数据采集和上传。系统自动实现供能方式切换，在太阳光照强时使用太阳能供电，光照不足时使用蓄电池供电。 

本发明实现的效果是：本发明首次实现了对小区域气象和环境信息的多状态实时测量、处理和传输；系统具备全天候无人值守工作的能力，可以在地震灾区、高原环境及核设施周围等人类不便于长期值守的环境下使用；系统体积小重量轻，可以折叠，能够实现快速组装和分解，便于携带和快速展开；系统具有丰富的数据传输接口，并具有组网能力，可以实现分布式、网络化监控。 

附图说明：

图1是系统样机实物图； 

图2是系统结构框图； 

图3是超声波阵列风速风向测量示意图； 

图4是超声波测试电路图； 

图5是温湿度测试电路图； 

图6是噪声检测电路图； 

图7是气压检测电路图。 

具体实施方式：

本发明系统由支架和核心电路构成，如图1所示。 

核心电路由1信息采集模块、2数据处理模块、3数据传输模块、4自供能模块和5外围电路五个主体部分组成，如图2所示。 

1信息采集模块包括11风速风向检测、12温湿度检测、13噪声检测、14气压检测和15时间日期芯片，21-24用于对应的气象或环境状态的监测，25则用于提供与状态信息对应的时间信息。2数据处理模块包括21计算器、22存储器和23控制器三个部分，分别实现数据处理、数据存储和系统控制。3数据传输模块包括31GPRS模块和32USB接口，GPRS模块用于实现数据无线远程传输，USB接口则实现数据的有线传输。4自供能模块包括太阳能电池和大容量可充式锂电池，用于向系统提供电源，实现全天候工作。5外围电路包括51液晶屏和52操作按键，分别实现数据的本地显示和人工操作。 

11风速风向检测检测，本发明首次设计了“交错阵列式”的超声波风速风向测量方案，如图3所示.结构由两组高度不同的超声波收发一体传感器，形成十字交错的超声波检测阵列。通过检测超声波声速变化，即可计算出超声波传播法线方向上的风速；再根据矢量合成算法，即可计算出风向与超声波传播方向的夹角，以及合成后的实际风速。超声波测量电路如图4所示。12温湿度检测使用了基于MEMS的数字式温湿度一体化传感器SHT10，电路如图5所示。13噪声检测使用了硅麦克风作为测试元件，并根据预先标定即可获得噪声信息。电路如图6所示。14气压检测使用了MPX4115AP，电路如图7所示。 

Claims (5)

1.一种小区域气象环境信息监测系统，其特征是：系统由数据处理模块、信息检测模块、本地显示模块和远程通讯模块，系统使用太阳能自供电，集成了GPRS远程通讯模块，系统能感知小区域范围内多种气象环境信息(包括温度、湿度、气压、噪声、风向、风速、辐射剂量等)，并可以实现远程数据传输和系统组网的完整系统，从而实现对小区域气象环境状态的全天候、无人化、实时远程监控。

2.根据权利要求1所述的小区域气象环境信息监测系统，其特征是：采用“交错阵列式”超声风速风向测试方案，采用两组超声波测距阵列，形成十字形的交错阵列，通过风向矢量合成算法，实现风速和风向的测量与反演。

3.根据权利要求1所述的小区域气象环境信息监测系统，其特征是：系统支架包括三脚架、电路托盘和超声阵列支架，其中三脚架和超声阵列支架均为可折叠式，在折叠状态下，支架体积小于60cm×10cm×10cm。

4.根据权利要求1所述的小区域气象环境信息监测系统，其特征是：系统中集成了USB接口、Zigbee接口和GPRS接口，分别提供有线传输、短距离无线传输和远程数据传输功能，同时使系统具备了组网能力。

5.根据权利要求1所述的小区域气象环境信息监测系统，其特征是：系统使用太阳能电池+大容量锂电池的功能方式，具有一定的自供电功能，可以实现无人值守工作。

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