CN104484990A - 通信装置和环境参数监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通信装置和环境参数监测系统。首先采用近距离通信方式将环境参数采集装置采集的环境参数通过第一近距离通信装置发送至无线中继通信装置；再通过无线中继通信装置进行进一步的环境参数传输，能使独立的环境参数采集装置与数据中心联网，数据中心统一管理环境参数采集装置的数据，提高了环境参数采集装置的数据管理效率，数据中心能及时掌握现场的数据，便于管理、决策。此外，第一控制器的工作模式采用分时控制的模式，具体包括数据采集模式和通信模式，使环境参数采集装置在采集环境参数的过程中，可以在保证环境参数传输的时效性，稳定性的基础上，进一步降低整个通信装置传输环境参数的功耗。

Description

通信装置和环境参数监测系统

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别是涉及一种通信装置和环境参数监测系统。

背景技术

随着物联网技术的发展及应用，人们对独立设备的联网需求越来越迫切，无线通信在环境监测中的应用愈发广泛。现有的环境监测系统中，某种采集环境参数经相关测量或者感应生成了环境参数后，一般需要通过数据线，3G网络等传统的数据传输方式将环境参数传输至数据中心服务器，进行进一步分析，并针对所获取的环境数据采取对应的措施(事后处理，无及时性)，其中的通信设备及所采用的通信方式一般没有采用低功耗的控制策略设计通信设备和系统的通信方式，容易导致环境参数传输的响应速度低，数据中心不能及时了解现场环境参数情况，不能有效指导现场作业。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中的通信设备及所采用的没有采用低功耗的控制策略设计通信设备和系统的通信方式，容易导致环境参数传输的响应速度低，数据中心不能及时了解现场环境参数情况，不能有效指导现场作业。本发明提供一种通信装置和环境参数监测系统。

一种通信装置，包括：第一近距离通信装置，第一控制器，无线中继通信装置，设于数据中心的第一远距离通信装置；

所述第一控制器在数据采集模式下控制环境参数采集装置采集环境参数，并在通信模式下控制第一近距离通信装置将采集的环境参数发送至无线中继通信装置；其中，第一控制器的工作模式包括数据采集模式和通信模式，所述数据采集模式为关闭第一近距离通信装置并启动环境参数采集装置；所述通信模式为启动第一近距离通信装置并关闭环境参数采集装置；

所述无线中继通信装置通过远距离无线通信方式将所述环境参数发送至第一远距离通信装置；

所述第一远距离通信装置将所述环境参数发送至数据中心服务器。

上述通信装置首先采用近距离通信方式将环境参数采集装置采集的环境参数通过第一近距离通信装置发送至无线中继通信装置，其中的第一近距离通信装置及其对应的近距离通信方式具有相对低的功耗；再通过无线中继通信装置进行进一步的环境参数传输，能使独立的环境参数采集装置与数据中心联网，数据中心统一管理环境参数采集装置的数据，提高了环境参数采集装置的数据管理效率，数据中心能及时掌握现场的数据，便于管理、决策。此外，第一控制器的工作模式采用分时控制的模式，具体包括数据采集模式和通信模式，使环境参数采集装置在采集环境参数的过程中，也就是环境参数还不够完整，无需立即发送时，暂停相关通信设备的通信工作；而在环境参数采集完整，需要及时发送时，暂停环境参数采集装置的相关工作，进行通信；可以在保证环境参数传输的时效性，稳定性的基础上，进一步降低整个通信装置传输环境参数的功耗。

一种环境参数监测系统，包括：手持设备，无线中继通信装置，设于数据中心的第一远距离通信装置，

其中，所述手持设备包括：第一控制器、电源、第一近距离通信装置、传感器；

所述第一控制器在数据采集模式下控制手持设备的传感器采集环境参数，并在通信模式下控制第一近距离通信装置将采集的环境参数发送至无线中继通信装置；其中，第一控制器的工作模式包括数据采集模式和通信模式，所述数据采集模式为关闭第一近距离通信装置并启动环境参数采集装置的环境参数采集功能；所述通信模式为启动第一近距离通信装置并关闭环境参数采集装置的环境参数采集功能；

所述无线中继通信装置通过远距离无线通信方式将所述环境参数发送至第一远距离通信装置；

所述第一远距离通信装置将所述环境参数发送至数据中心服务器。

本发明提供的环境参数监测系统，首先采用近距离通信方式将手持设备的传感器采集的环境参数通过第一近距离通信装置发送至无线中继通信装置，其中的第一近距离通信装置及其对应的近距离通信方式具有相对低的功耗；再通过无线中继通信装置进行进一步的环境参数传输，能使独立的手持设备与数据中心联网，数据中心统一管理手持设备的数据，提高了手持设备的数据管理效率，数据中心能及时掌握现场的数据，便于管理、决策。此外，第一控制器的工作模式采用分时控制的模式，具体包括数据采集模式和通信模式，使手持设备在采集环境参数的过程中，也就是环境参数还不够完整，无需立即发送时，暂停相关通信设备的通信工作；而在环境参数采集完整，需要及时发送时，暂停手持设备的相关工作，进行通信；可以在保证环境参数传输的时效性，稳定性的基础上，进一步降低整个环境参数监测系统传输环境参数的功耗。

附图说明

图1为一个实施例的通信装置结构示意图；

图2为一个优选实施例的通信装置结构示意图；

图3为一个实施例的环境参数监测系统结构示意图；

图4为一个优选实施例环境参数监测系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的通信装置和环境参数监测系统的具体实施方式作详细描述。

参考图1，图1所示为一个实施例的通信装置结构示意图，包括：第一近距离通信装置12，第一控制器11，无线中继通信装置20，设于数据中心的第一远距离通信装置30；

所述第一控制器11在数据采集模式下控制环境参数采集装置13采集环境参数，并在通信模式下控制第一近距离通信装置12将采集的环境参数发送至无线中继通信装置20；其中，第一控制器11的工作模式包括数据采集模式和通信模式，所述数据采集模式为关闭第一近距离通信装置12并启动采集环境参数；所述通信模式为启动第一近距离通信装置12并关闭采集环境参数；

所述无线中继通信装置20通过远距离无线通信方式将所述环境参数发送至第一远距离通信装置30；

所述第一远距离通信装置30将所述环境参数发送至数据中心服务器。

上述通信装置，采用近距离通信方式将环境参数采集装置采集13的环境参数通过第一近距离通信装置12发送至无线中继通信装置20，其中的第一近距离通信装置12及其对应的近距离通信方式具有相对低的功耗，能更好地适应现场应用；通过无线中继通信装置20进行通信中转传输，能使独立的环境参数采集装置13与数据中心联网，数据中心统一管理环境参数采集装置13采集的数据，提高了环境参数采集装置13的数据管理效率，数据中心能及时掌握现场的数据，便于管理、决策。

此外，为了减少通信功耗，第一控制器11采用分时控制的工作模式，即采集模式和通信模式，充分结合了环境参数采集装置13的工作特性，在采集环境参数时暂停相关通信设备的通信工作，在进行环境参数通信时暂停环境参数采集装置13的采集工作，由此即使在增加了第一近距离通信装置12后，整体功耗增加也不多，实现了在保证环境参数采集和传输的时效性的基础上，第一近距离通信装置12和环境参数采集装置13的功耗处于较低水平。

在一个实施例中，上述通信模式和数据采集模式可以循环交替，每种工作模式的持续工作时间可以为T。其中，T值可以取15秒，也可以根据采集环境参数生成环境参数以及完成上述环境参数的传输所需要的具体时间设置为其他值。

本实施例提供的循环交替的通信模式和数据采集模式，使采集环境参数在生成环境参数时，可以暂停通信的相关工作；而通信装置进行通信工作时，可以暂停环境参数采集的相关工作，使第一控制器在同一时间只控制一种工作模式，可以降低第一控制器的功耗，其中，上述两种工作模式：通信模式和数据采集模式，循环交替，在数据采集模式下环境参数采集装置采集完环境参数后，及时进入通信模式进行环境参数的传输，可以保证上述环境参数传输的效率，有利于针对所采集的环境参数尽快采取相关处理措施。

在一个实施例中，上述第一控制器接收数据中心下发的模式时间调整指令，根据指令更新当前的通信模式和数据采集模式的持续时间；其中，所述时间调整指令由数据中心服务器通过无线中继通信装置、第一近距离通信装置转发至第一控制器。

本实施例中，数据中心根据采集具体的环境参数以及完成该环境参数的传输需要的时间下发模式时间调整指令，并通过无线中继通信装置、第一近距离通信装置转发至第一控制器，第一控制器根据上述模式时间调整指令调整数据采集模式和通信模式的持续工作时间，可以根据具体的采集环境合理安排采集模式和通信模式的持续工作时间，使上述采集模式和通信模式的持续工作时间不至于其中某个模式的持续工作时间过长影响环境参数传输的时效性，或者过短导致环境参数采集不完整，不能准确说明当前的环境问题。合理的安排采集模式和通信模式的持续工作时间，进一步可以降低上述通信装置的功率损耗量，并且保证采集到的环境参数的完整性，以及传输至数据中心服务器进行下一步处理的时效性。

在一个实施例中，上述第一控制器在工作模式下可以包括循环的活动阶段和休眠阶段；

所述工作模式为数据采集模式时：

第一控制器进入活动阶段，控制环境参数采集装置采集环境参数，并在环境参数采集装置开始采集环境参数，并且活动阶段结束后，进入休眠阶段，暂停第一控制器的控制工作，并在休眠阶段结束后进入活动阶段，启动第一控制器控制环境参数采集装置采集环境参数；

上述第一控制器的工作模式为数据采集模式时，第一控制器的活动阶段和休眠阶段循环出现，其中，活动阶段的时间可以设置为20毫秒，休眠阶段的时间可以设置为980毫秒，也可以根据具体的环境参数采取情况进行设置，可以在保证环境参数采集的完整性和时效性的前提下，进一步降低第一控制器的功耗。

所述工作模式为通信模式时：

第一控制器进入活动阶段，控制第一近距离通信装置将环境参数发送至无线中继通信装置，并在该次环境参数发送完，并且活动阶段结束后，进入休眠阶段，暂停第一控制器的控制工作，并在休眠阶段结束后进入活动阶段，启动第一控制器控制第一近距离通信装置将环境参数发送至无线中继通信装置。

上述第一控制器的工作模式为通信模式时，第一控制器的活动阶段和休眠阶段循环出现，其中，活动阶段的时间可以设置为2秒，休眠阶段的时间可以设置为2秒，也可以根据第一近距离通信装置完成一次收发数据所需要的时间，以及与下一次进行收发数据所存在的时间间隔进行设置，可以在保证环境参数传输效率的基础上，进一步降低第一控制器的功耗。

在一个实施例中，在通信模式下，所述第一控制器接收数据中心服务器下发的读取数据指令，控制第一近距离通信装置将采集的环境参数转发至数据中心服务器；并在发送完环境参数后，关闭第一近距离通信装置，并在下一次通信模式开始时启动第一近距离通信装置，并继续控制第一近距离通信装置将采集的环境参数转发至数据中心服务器。

本实施例中，第一控制器接收数据中心服务器下发的读取数据指令，控制第一近距离通信装置将采集的环境参数转发至数据中心服务器；并在发送完环境参数后，关闭第一近距离通信装置，使第一近距离通信装置在发送完此次环境参数后，暂停相关数据传输工作，相应的可以减少其损耗的功率。

参考图2，图2所示为一个优选实施例的通信装置结构示意图，如图示，上述无线中继通信装置20可以包括依次连接的第二近距离通信装置21、第二控制器22、第二远距离通信装置23；

所述第二近距离通信装置21接收第一近距离通信装置12发送过来的环境参数，并通过第二控制器22传输至第二远距离通信装置23，第二远距离通信装置23将所述环境参数发送第一远距离通信装置30；

所述第二控制器22检测第二近距离通信装置21是否接收到环境参数；

若是，则启动第二远距离通信装置23，通过远距离无线通信方式将所述环境参数发送至第一远距离通信装置30；若否，则关闭第二远距离通信装置23。

本实施例中，第二控制器22通过第二近距离通信装置21检测第一近距离通信装置12是否发送环境参数，并根据其检测结果控制相关通信装置的工作状态，使各通信装置间通信实现时钟同步，即在无需传输环境参数时暂停通信工作，在需要进行环境参数传输的时候，同时启动对应的通信工作，可以保证环境参数传输的时效性，并且降低相关通信装置所损耗的功率。

作为一个实施例，上述第二远距离通信装置可以包括数字对讲机。数字对讲机可以快速传输语音、环境参数数据、位置信息等数据，有效地保证环境参数的传输速度及质量。

作为一个实施例中，上述第一近距离通信装置和第二近距离通信装置可以分别为ZigBee节点设备。上述第一近距离通信装置和第二近距离通信装置采用ZigBee节点设备可以降低相关成本，节省功耗，同时不影响环境参数的传输质量。

参考图3，图3所示为一个实施例的环境参数监测系统结构示意图，包括：手持设备50，无线中继通信装置60，设于数据中心的第一远距离通信装置70，

其中，所述手持设备50可以包括：第一控制器52、电源54、第一近距离通信装置51、传感器53；

所述第一控制器52在数据采集模式下控制手持设备50的传感器53采集环境参数，并在通信模式下控制第一近距离通信装置51将采集的环境参数发送至无线中继通信装置60；其中，第一控制器52的工作模式包括数据采集模式和通信模式，所述数据采集模式为关闭第一近距离通信装置51并启动手持设备50的环境参数采集功能；所述通信模式为启动第一近距离通信装置51并关闭手持设备的环境参数采集功能；

所述无线中继通信装置60通过远距离无线通信方式将所述环境参数发送至第一远距离通信装置70；

所述第一远距离通信装置70将所述环境参数发送至数据中心服务器。

上述环境参数监测系统，首先采用近距离通信方式将手持设备50的传感器53采集的环境参数通过第一近距离通信装置51发送至无线中继通信装置60，其中的第一近距离通信装置51及其对应的近距离通信方式具有相对低的功耗，能更好地适应现场应用；再通过无线中继通信装置60进行进一步的环境参数传输，能使独立的手持设备50与数据中心联网，数据中心统一管理手持设备50的数据，提高了手持设备50的数据管理效率，数据中心能及时掌握现场的数据，便于管理、决策。

此外，为了减少通信功耗，第一控制器52的工作模式采用分时控制的工作模式，具体包括数据采集模式和通信模式，使手持设备50在采集环境参数的过程中，也就是环境参数还不够完整，无需立即发送时，暂停相关通信设备的通信工作；而在环境参数采集完整，需要及时发送时，暂停手持设备50的相关环境参数采集的工作，进行通信；可以在保证环境参数传输的时效性，稳定性的基础上，进一步降低整个环境参数监测系统所损耗的功率。

参考图4，图4所示为一个优选实施例环境参数监测系统结构示意图，如图示，上述无线中继通信装置60可以包括依次连接的第二近距离通信装置61、第二控制器62、第二远距离通信装置63；

所述第二近距离通信装置61接收第一近距离通信装置51发送过来的环境参数，并通过第二控制器传62输至第二远距离通信装置63，第二远距离通信装置63将所述环境参数发送第一远距离通信装置70；

所述第二控制器62检测第二近距离通信装置61是否接收到环境参数；

若是，则启动第二远距离通信装置63，通过远距离无线通信方式将所述环境参数发送至第一远距离通信装置70；若否，则关闭第二远距离通信装置63。

本实施例中，第二控制器62通过第二近距离通信装置61检测手持设备50的第一近距离通信装置51是否发送环境参数，并根据其检测结果控制相关通信装置的工作状态，使各通信装置间的通信实现时钟同步，即在无需传输环境参数时暂停通信工作，在需要进行环境参数传输的时候，同时启动对应的通信工作，可以保证环境参数传输的时效性，并且降低环境参数监测系统所损耗的功率。

在一个实施例中，将本发明提供的环境参数监测系统与现有技术中无数据通信及联网功能的环境参数监测系统进行对比试验。

经统计，现有技术中无数据通信及联网功能的环境参数监测系统连续工作100小时需要电池容量约为1000mAh(毫安时)。

本发明提供的环境参数监测系统，采用低功耗的通信方式，除数据采集功能外，还具有数据通信功能，其工作模式可以分为数据采集模式和通信模式，本实施例中可以平均每15秒切换一次，每种模式下又可分为休眠阶段和活动阶段，其中的近距离无线通信方式可以选用低功耗的ZigBee节点设备，上述ZigBee节点设备的时延段、响应速度较快，一般从休眠阶段转入活动阶段只需15毫秒，ZigBee节点设备连接进入网络只需30毫秒，可以进一步节省电能。在蓝牙环境下进行依次环境数据传输只需要3～10s、在WiFi环境下进行一次无线数据传输只需要3秒。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个ZigBee节点设备至少工作6～24个月，甚至更长，这是ZigBee节点设备的突出优势，而蓝牙环境下该设备能工作数周、WiFi环境下可工作数小时。

ZigBee节点设备所承载的应用数据速率都比较低。在不需要通信时，节点可以进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一。由于一般情况下，休眠时间占总运行时间的大部分，有时正常工作的时间还不到百分之一，因此达到很高的节能效果。

在每15秒的数据采集模式下，平均功耗为10mA，每次完成数据采集约1秒，即每分钟数据采集时间4秒，每小时数据采集时间约240秒，每小时平均耗电为10mA*240s/3600s＝2/3mAh(毫安时)，其他时间均进入休眠模式，休眠模式的平均功耗为100μA(微安)，即在数据采集模式下，每小时平均耗电为2/3mAh(毫安时)+100μA h(微安时)。

在每15秒的通信模式下，平均功耗为40mA(毫安)，通信速率为250Kbit/s(千位每秒)，每次完成数据通信约1秒，即每分钟数据通信时间4秒，每小时数据采集时间约240秒，每小时平均耗电为40mA*240s/3600s＝8/3mAh，其他时间均进入休眠模式，休眠模式的平均功耗为100μA，即在数据通信模式下，每小时平均耗电为8/3mAh+100μA。

综上可知，采用本发明提供的环境参数监测系统，每小时平均耗电为：

2/3mAh+100μA h+8/3mAh+100μA＝3.33mAh+0.2mAh＝3.53mAh

连续工作100小时需要电池容量约为353mAh，远小于现有技术中无数据通信及联网功能的环境参数监测系统连续工作100小时需要电池容量：1000mAh。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种通信装置，其特征在于，包括：第一近距离通信装置，第一控制器，无线中继通信装置，设于数据中心的第一远距离通信装置；

所述第一控制器在数据采集模式下控制环境参数采集装置采集环境参数，并在通信模式下控制第一近距离通信装置将采集的环境参数发送至无线中继通信装置；其中，第一控制器的工作模式包括数据采集模式和通信模式，所述数据采集模式为关闭第一近距离通信装置并启动环境参数采集装置；所述通信模式为启动第一近距离通信装置并关闭环境参数采集装置；

所述无线中继通信装置通过远距离无线通信方式将所述环境参数发送至第一远距离通信装置；

所述第一远距离通信装置将所述环境参数发送至数据中心服务器。

2.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于，所述通信模式和数据采集模式循环交替，每种工作模式的持续工作时间为T。

3.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于，所述第一控制器接收数据中心下发的模式时间调整指令，根据指令更新当前的通信模式和数据采集模式的持续时间；其中，所述时间调整指令由数据中心服务器通过无线中继通信装置、第一近距离通信装置转发至第一控制器。

4.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于，所述第一控制器在工作模式下包括循环的活动阶段和休眠阶段；

所述工作模式为数据采集模式时：

第一控制器进入活动阶段，控制环境参数采集装置采集环境参数，并在环境参数采集装置开始采集环境参数，并且活动阶段结束后，进入休眠阶段，暂停第一控制器的控制工作，并在休眠阶段结束后进入活动阶段，启动第一控制器控制环境参数采集装置采集环境参数；

所述工作模式为通信模式时：

第一控制器进入活动阶段，控制第一近距离通信装置将环境参数发送至无线中继通信装置，并在该次环境参数发送完，并且活动阶段结束后，进入休眠阶段，暂停第一控制器的控制工作，并在休眠阶段结束后进入活动阶段，启动第一控制器控制第一近距离通信装置将环境参数发送至无线中继通信装置。

5.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于，在通信模式下，所述第一控制器接收数据中心服务器下发的读取数据指令，控制第一近距离通信装置将采集的环境参数转发至数据中心服务器；并在发送完环境参数后，关闭第一近距离通信装置，并在下一次通信模式开始时启动第一近距离通信装置，并继续控制第一近距离通信装置将采集的环境参数转发至数据中心服务器。

6.根据权利要求1所述的通信装置，其特征在于，所述无线中继通信装置包括依次连接的第二近距离通信装置、第二控制器、第二远距离通信装置；

所述第二近距离通信装置接收第一近距离通信装置发送过来的环境参数，并通过第二控制器传输至第二远距离通信装置，第二远距离通信装置将所述环境参数发送第一远距离通信装置；

所述第二控制器检测第二近距离通信装置是否接收到环境参数；

若是，则启动第二远距离通信装置，通过远距离无线通信方式将所述环境参数发送至第一远距离通信装置；若否，则关闭第二远距离通信装置。

7.根据权利要求6所述的通信装置，其特征在于，所述第二远距离通信装置包括数字对讲机。

8.根据权利要求6所述的通信装置，其特征在于，所述第一近距离通信装置和第二近距离通信装置分别为ZigBee节点设备。

9.一种环境参数监测系统，其特征在于，包括：手持设备，无线中继通信装置，设于数据中心的第一远距离通信装置，

其中，所述手持设备包括：第一控制器、电源、第一近距离通信装置、传感器；

所述第一控制器在数据采集模式下控制手持设备的传感器采集环境参数，并在通信模式下控制第一近距离通信装置将采集的环境参数发送至无线中继通信装置；其中，第一控制器的工作模式包括数据采集模式和通信模式，所述数据采集模式为关闭第一近距离通信装置并启动环境参数采集装置的环境参数采集功能；所述通信模式为启动第一近距离通信装置并关闭环境参数采集装置的环境参数采集功能；

所述无线中继通信装置通过远距离无线通信方式将所述环境参数发送至第一远距离通信装置；

所述第一远距离通信装置将所述环境参数发送至数据中心服务器。

10.根据权利要求9所述的环境参数监测系统，其特征在于，所述无线中继通信装置包括依次连接的第二近距离通信装置、第二控制器、第二远距离通信装置；

所述第二近距离通信装置接收第一近距离通信装置发送过来的环境参数，并通过第二控制器传输至第二远距离通信装置，第二远距离通信装置将所述环境参数发送第一远距离通信装置；

所述第二控制器检测第二近距离通信装置是否接收到环境参数；

若是，则启动第二远距离通信装置，通过远距离无线通信方式将所述环境参数发送至第一远距离通信装置；若否，则关闭第二远距离通信装置。