CN104678458B

CN104678458B - 一种便携式环境参数测量记录装置

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Publication number: CN104678458B
Application number: CN201510100562.8A
Authority: CN
Inventors: 赵岭; 雷志东; 侯毅; 刘荣科
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2015-03-06
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2035-03-06
Also published as: CN104678458A

Abstract

本发明公开了一种温度、相对湿度、压力的便携式测量记录装置和使用方法。该装置使用电池供电，用于采集环境的温度、相对湿度和压力信号，并进行存储。该装置主要由压力敏感元件、温湿度敏感元件、主控制器、存储器、控制开关、电池和机械外壳组成。本发明的优点与积极效果在于：采用电池供电，便携性好；能同时采集环境的压力、温度和相对湿度三种参数，集成度高；装置掉电已经采集的数据不丢失；装置的工作环境温度范围达到‑40～85℃。

Description

一种便携式环境参数测量记录装置

技术领域

本发明涉及环境参数的采集记录装置，具体涉及一种用于测量环境温度、相对湿度、压力的便携式测量记录装置。

背景技术

某些比较昂贵的仪器设备对放置环境的温度、湿度、压力等环境参数有着较为严格的要求，而且需要长时间对环境参数进行测试，而有时由于放置环境限制，无法对测试环境参数的装置进行供电，因此需要一种能同时测量环境的温度、相对湿度、压力，能使用电池供电，并能记录且掉电后测量数据不丢失的装置。目前市场上缺乏能在工业级温度环境下工作的同时测量环境的温度、相对湿度、压力且使用电池供电的便携式装置，为满足上述需求，本发明提供了一种使用电池供电的环境温度、相对湿度、压力测量记录装置，测量数据掉电后不丢失，工作环境温度达到-40～85℃。

发明内容

本发明的目的是提供一种温度、相对湿度(为简便起见，以下简称湿度)、压力的便携式测量记录装置(为简便起见，以下简称装置)，用于对上述环境参数进行测量与记录。

本发明提供的装置，其主要由压力敏感元件、温湿度敏感元件、存储器、主控制器、控制开关、供电电池、外接口和机械外壳组成。压力敏感元件和温湿度敏感元件分别用于采集环境压力和温度、相对湿度，并将其转换为数字信号输出；存储器用于存储所采集的环境参数、采集时间以及用户设置的相关参数；主控制器用于控制装置的工作进程，对敏感元件进行控制，对存储器进行操作以及响应用户的设置指令；控制开关用于控制是否给装置进行供电以及装置的工作模式；供电电池用于给装置供电；外接口为装置对外的数据接口；机械外壳用于对上述部件进行固定与保护。

装置具有两个控制开关：供电开关和模式开关。供电开关用于控制是否给装置进行供电，模式开关用于控制装置的工作模式。装置的工作模式有两种，通信模式和采集模式。在通信模式下，装置能通过外接口接收用户的设置指令，对装置的各项参数进行设置或者将已采集的环境参数数据输出给用户。在采集模式下，装置周期性采集环境参数，不响应用户的设置指令。

装置所使用存储器为铁电存储器，特点是非易失即掉电后数据不丢失。

装置所使用的供电电池为3.6V锂电池，固定在装置内的电池盒里。

用户操作装置的设置指令格式如下：

指令长度为15个字节，前两个字节为帧头，具体为0xAA，0x55，第三个字节为命令字0x01，第四到第八字节为采集初始时间，第九字节为工作模式，第十一到十三字节为装置固有参数，第十五字节为校验和，其余字节保留，设置指令的具体定义如表1所示。

表1 装置设置指令格式定义

字节顺序	内容(代号)	功能
			1	0xAA	帧头关键字
2	0x55	帧头关键字
			3	0x01	命令字
4	YEAR	年
			5	DAY[15:8]	日[15:8]
6	DAY[7:0]	日[7:0]
			7	HOUR	小时
8	MIN	分钟
			9	MODE	工作模式
10		保留
			11	INTERVAL[23:16]	固有参数[23:16]
12	INTERVAL[15:8]	固有参数[15:8]
			13	INTERVAL[7:0]	固有参数[7:0]
14		保留
			15	XOR	校验和

如表1所示，采集初始时间包括年，日，小时和分钟4部分。年的设置范围为0～127，对应含义为2000年～2127年，日的设置范围为0～366，对应一年相应的天，小时设置的范围为0～23，分钟设置的范围是0～59。

工作模式MODE的位域定义如表2所示。

表2 设置指令中工作模式MODE的位域定义

位域	默认值	功能
			0(LSB)	0	读取标志(1＝读取；0＝设置参数)
2-1	0	采集间隔(0＝15分钟；1＝30分钟；2＝60分钟；3＝120分钟)
			7-3		保留

MODE的bit[0]用于表征用户对装置的操作目的是设置装置的采集参数还是读取已经采集的环境参数数据，bit[0]＝1为读取数据，bit[0]＝0为设置参数；bit[2:1]用于设置装置采集环境参数的时间间隔，共有四种情况，分别为15分钟，30分钟，60分钟以及120分钟。

INTERVAL共24比特，为装置的固有参数，该参数在出厂时便会被测定，并告知用户，用户按此设定即可。

XOR为除去帧头关键字0xAA，0x55后所有字节的异或和。

装置在接收到用户的设置指令后，如果判定用户需要读取数据(即MODE的bit[0]被设置为1)，则装置将按照表3的格式将已经采集的环境参数传输给用户。

表3 装置回传数据指令格式定义

字节顺序	内容(代号)	功能
			1	0x55	帧头关键字
2	0xAA	帧头关键字
			3	NUMBER[23:16]	环境参数数据字节数[23:16]
4	NUMBER[15:8]	环境参数数据字节数[15:8]
			5	NUMBER[7:0]	环境参数数据字节数[7:0]
6～NUMBER+5		环境参数数据
			NUMBER+6	XOR2	校验和

如表3所示，数据指令指令的前两个字节为帧头，具体为0x55，0xAA，紧接着为所采集的环境参数总共的字节数NUMBER，NUMBER共24位。XOR2为除去帧头关键字0x55，0xAA后所有字节的异或和。

环境参数每8个字节构成一组，为一次采集的数据，包含采集的时间，以及采集的温度、相对湿度和压力。每组环境参数的具体格式如表4所示。

表4 环境参数分组格式定义

字节顺序	内容(代号)	功能
			1	环境参数A	环境压力[11:4]
2	环境参数B	环境压力[3:0]，环境温度[10:7]
			3	环境参数C	环境温度[6:0]，环境湿度[8]
4	环境参数D	环境湿度[7:0]
			5	采集时间A	小时

6	采集时间B	分钟
			7	采集时间C	年，日[8]
8	采集时间D	日[7:0]

如表4所示，一组环境参数共8个字节，其中字节1～4为所测量的环境压力、温度和湿度数值，字节5～8为该次测量的具体时间。其中，环境参数中的压力共12比特，数值0对应70Kpa，步进精度为0.025Kpa；温度共11比特，数值0对应-40℃，步进精度为0.1℃；湿度共9比特，数值0对应0％RH，步进精度为0.2％RH；采集时间的小时为8比特，分钟为8比特，年为7比特，日为9比特。为清楚起见，下面以环境压力为例说明各测量参数与分组的字节以及比特的具体对应关系。如表4所示，环境压力共12比特，其中环境参数A的bit[7]～bit[0]分别对应环境压力的bit[11]～bit[4]，环境参数B的bit[7]～bit[4]分别对应环境压力的bit[3]～bit[0]，因此，环境压力＝(环境参数A<<4)+(环境参数B>>4)。其余参数依次类推。

本发明的优点与积极效果在于：采用电池供电，便携性好；能同时采集环境的压力、温度和相对湿度三种参数，集成度高；装置掉电已经采集的数据不丢失；装置的工作环境温度范围达到-40～85℃。

附图说明

图1为本发明所涉及的环境参数自动记录设备系统组成框图。

图2为本发明所涉及的环境参数记录装置的实物图。

图3为本发明所涉及的环境参数记录装置的结构示意图。

图4为本发明所涉及的环境参数记录装置的前开盖图。

图5为本发明所涉及的环境参数记录装置的后开盖图。

图6装置工作流程框图

图7装置通信流程框图

图8装置采集流程框图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

首先说明装置使用的主要元件。

装置使用的压力敏感元件为MEAS公司的MS5803-02BA贴片型数字压力传感器，采集的压力范围为1KPa～200KPa；使用的温湿度敏感元件为SENSIRION公司的贴片型数字温湿度传感器SHT15，温度测量范围为-40℃～123.8℃，湿度测量范围为0～100％RH；

装置使用的存储器使用铁电存储器FM24V10，该存储器的特点是非易失；

装置使用的主控制器选用Altera公司MAXII系列的CPLD EPM2210G256I5，该芯片内部有专门针对低功耗的设计，可在-40～125℃环境中正常工作；

装置使用的电池可选用1号或2号工业锂电池，电池电压为3.6V。

上述元件之间的逻辑关系框图如图1所示。压力敏感元件、温湿度敏感元件、存储器、控制开关以及对外接口均是直接与主控制器相联接，主控制器根据用户的设置指令完成对环境参数的采集与记录，并将记录结果传输给用户。

接着说明装置的结构。

装置采用铝制结构，实物图如图2所示，装置整体分为三个部分，分别为顶腔、前腔与后腔，其结构示意图如图3所示。装置的顶腔内放置压力敏感元件和温湿度敏感元件，顶腔外为顶盖。装置的主体分成前腔与后腔两个空间，装置的控制电路板固定在前腔内，控制电路板主要由主控制器、存储器以及相关外围电路组成；电池盒(电池)、控制开关以及对外接口固定在后腔内。前腔与后腔分别通过前盖与后盖与外部接触。图4与图5分别给出了装置的前开盖图与后开盖图。如图5所示，后腔内的左上为9针接插件，是装置的对外接口。后腔的右上为4路拨码开关，从左往右依次为拨码开关1，拨码开关2，拨码开关3，拨码开关4，其中拨码开关1为供电开关，拨码开关4为工作模式开关。拨码向上拨为开关闭合或将信号设置为1，拨码向下拨为开关断开或将信号设置为0。后腔下部为电池盒，用于安装电池。

然后说明装置的工作流程。

装置的工作流程框图如图6所示。装置供电开关打开后，根据用户对工作模式开关的设置，主控制器判断装置是工作在采集模式还是通信模式，如果是通信模式，则装置进入通信流程，通信流程仅执行一次。如果是采集模式，则装置进入采集流程，采集流程结束后，装置重新判断工作模式，再次重复上述流程。

装置的通信流程框图如图7所示。通信流程下，装置接收到用户的设置指令后，按照表1格式对设置指令进行解析，计算校验和，如果校验和错误，则此次通信流程结束，如果校验和正确，则再根据设置指令的第九字节MODE判断用户操作装置的目的为读取数据还是设置参数。如果为设置参数，则主控制器将指令中的采集初始时间，工作模式控制寄存器MODE中的采集间隔以及装置固有参数读入并写入存储器中；如果为读取数据，则主控制器将存储器内的数据读出，并按照表3格式对数据进行组帧，按照标准串口协议通过对外接口将数据输出。串口协议格式定义为波特率57600bps，8位数据位，2位停止位，偶校验。

装置的采集流程框图如图8所示。主控制器首先读取上次的采集时间，如果是首次采集则读取用户设置的采集初始时间。然后开始计时并进行判断，如果达到用户设置的时间间隔，则控制器控制压力敏感元件与温湿度敏感元件分别采集环境的压力与温湿度，采集完成后将采集到的数据以及当前时间写入存储器。至此，本次采集流程完成。

实施例：

本实施例说明了用户在使用装置时的具体方法与步骤。

下面首先说明用户控制装置采集环境参数的步骤。

步骤1：将装置后盖打开，如图5所示，使用标准9针串口线将装置后腔内的9针接口与电脑串口相联接，安装好电池，并将供电开关闭合，将工作模式开关设置为0，即将装置设置为通信模式。

步骤2：按照表1格式，产生设置指令，并通过电脑串口将设置指令传入装置中，设置装置的采集参数，电脑的串口参数设置为波特率57600bps，数据位8位，停止位2位，偶校验。假定用户需要装置采集间隔为15分钟，装置固有参数为0x10，当前时间为2015年1月28日16时33分。那么设置指令的15个字节依次是0xAA，0x55，0x01，0x0F，0x00，0x1C，0x10，0x21，0x00，0x00，0x00，0x00，0x00，0x10，0x00，0x33。为清楚起见，将上述设置指令的15字节列在表5中。

表5 设置装置采集参数时设置指令具体内容

字节顺序	功能	具体设置内容
			1	帧头关键字	0xAA
2	帧头关键字	0x55
			3	命令字	0x01
4	年	0x0F
			5	日[15:8]	0x00
6	日[7:0]	0x1C
			7	小时	0x10
8	分钟	0x21
			9	工作模式	0x00
10	保留	0x00
			11	固有参数[23:16]	0x00
12	固有参数[15:8]	0x00
			13	固有参数[7:0]	0x10
14	保留	0x00
			15	校验和	0x33

步骤3：将供电开关断开，将串口线取下，将装置模式开关向上拨，设置为采集模式，然后将供电开关闭合，并将装置后盖盖上与固定好。此时，装置开始工作在采集模式下，每15分钟采集一次环境参数。

30分钟后，装置采集了两次环境参数，第一次采集时间为2015年1月28日16时48分，第二次采集时间为2015年1月28日17时03分。假定第一次采集时的环境参数分别为101.1Kpa，30℃和62％RH，第二次采集时的环境参数分别为101.3Kpa，35℃和57％RH。根据表4下方所述的环境参数与装置内采集数值对应关系，那么第一次采集的压力，温度和相对湿度对应的数值分别为0x4DC，0x2BC和0x136，第二次采集的压力，温度和相对湿度对应的数值分别为0x4E4，0x2EE和0x11D，根据表4中所示的环境参数数值字节对应关系，两次采集存储在存储器中的数据如表6所示。

表6 两次环境参数采集具体内容

字节顺序	内容(代号)	功能	第一次采集	第二次采集
					1	环境参数A	环境压力[11:4]	0x4D	0x4E
2	环境参数B	环境压力[3:0]，环境温度[10:7]	0xC5	0x45
					3	环境参数C	环境温度[6:0]，环境湿度[8]	0x79	0xDD
4	环境参数D	环境湿度[7:0]	0x36	0x1D
					5	采集时间A	小时	0x10	0x11
6	采集时间B	分钟	0x30	0x03
					7	采集时间C	年，日[8]	0x1E	0x1E
8	采集时间D	日[7:0]	0x1C	0x1C

下面说明用户从装置中读取已经采集的环境参数的步骤。

步骤4：将装置后盖打开，将装置供电开关断开，并设置为通信模式，使用标准9针串口线将装置后腔内的9针接口与电脑串口相联接，然后将供电开关闭合。

步骤5：按照表1格式，产生设置指令，并通过电脑串口将设置指令传入装置中，设置装置的采集参数，电脑的串口参数设置为波特率57600bps，数据位8位，停止位2位，偶校验。注意，由于用户目的为读取数据，因此只需要将MODE的最低位设置为1即可，装置的其它采集参数，包括采集初始时间、采集间隔和装置固有参数等可设置为0。为清楚起见，将读取数据时的设置指令的具体内容列在表7中。

表7 读取装置数据时设置指令内容

字节顺序	功能	具体设置内容
			1	帧头关键字	0xAA

2	帧头关键字	0x55
			3	命令字	0x01
4	年	0x00
			5	日[15:8]	0x00
6	日[7:0]	0x00
			7	小时	0x00
8	分钟	0x00
			9	工作模式	0x01
10	保留	0x00
			11	固有参数[23:16]	0x00
12	固有参数[15:8]	0x00
			13	固有参数[7:0]	0x00
14	保留	0x00
			15	校验和	0x01

步骤6：装置接收到用户的设置指令后，会将已经采集的数据按照表3所示格式输出。本实施例中，装置工作了30分钟，采集了两次环境参数，因此环境参数数据总字节数为16。装置回传数据指令具体内容如表8所示。

表8 装置回传数据指令具体内容

字节顺序	内容	字节顺序	内容	字节顺序	内容
						1	0x55	9	0x36	17	0x1D
2	0xAA	10	0x10	18	0x11
						3	0x00	11	0x30	19	0x03
4	0x00	12	0x1E	20	0x1E
						5	0x10	13	0x1C	21	0x1C
6	0x4D	14	0x4E	22	0xC0
						7	0xC5	15	0x45
8	0x79	16	0xDD

步骤7：用户接收到装置输出的数据后，按照表3所示格式便可获得采集的环境参数数据，按照表4所示格式，便能将环境参数数据转换为具体的物理量数值以及采集时间。以第一次采集的环境压力为例说明数据与物理量数值的转换关系。表8中的第6与第7字节包含了第一次采集的环境压力数据，按照表4所示格式，第一次采集的环境压力数据P＝(0x4D<<4)+(0xC5>>4)＝0x4DC，而环境压力的步进精度为0.025Kpa，即P的1LSB表示0.025Kpa，且环境压力的初始值为70Kpa，于是实际环境压力数值＝70Kpa+P×0.025Kpa＝101.1Kpa。

Claims

1.一种测量温度、相对湿度、压力的便携式测量记录装置，其特征在于，包括：压力敏感元件、温湿度敏感元件、存储器、主控制器、控制开关、供电电池、外接口和机械外壳，其中，

压力敏感元件和温湿度敏感元件分别用于采集环境压力和温度、相对湿度，并将其转换为数字信号输出；

存储器用于存储所采集的环境参数、采集时间以及用户设置的相关参数；

主控制器用于控制装置的工作进程，对敏感元件进行控制，对存储器进行操作，接收用户的设置指令以及回传数据；

控制开关用于控制是否给装置进行供电以及装置的工作模式；

供电电池用于给装置供电；

外接口为装置对外的数据接口；

机械外壳用于对上述部件进行固定与保护；

装置还具有两个控制开关：供电开关和模式开关，供电开关用于控制是否给装置进行供电，模式开关用于控制装置的工作模式；

装置的工作模式有两种，通信模式和采集模式，在通信模式下，装置能通过外接口接收用户的设置指令，对装置的各项参数进行设置或者将已采集的环境参数数据输出给用户；

在采集模式下，装置周期性采集环境参数，不响应用户的设置指令；

装置所使用存储器为非易失性铁电存储器，掉电后数据不丢失；

装置所使用的供电电池为3.6V锂电池；所述的用户的设置指令格式如下：

指令长度为15个字节，前两个字节为帧头，具体为0xAA，0x55，第三个字节为命令字0x01，第四到第八字节为采集初始时间，第九字节为工作模式，第十一到十三字节为装置固有参数，第十五字节为校验和，其余字节保留，设置指令的具体定义如下表所示：

2.根据权利要求1所述的用户操作装置的设置指令格式，其特征在于，所述的采集初始时间包括年、日、小时和分钟4部分；年的设置范围为0～127，对应含义为2000年～2127年，日的设置范围为0～366，对应一年相应的天，小时设置的范围为0～23，分钟设置的范围是0～59；

所述的工作模式MODE的位域定义如下表所示

位域默认值功能 0(LSB) 0 读取标志(1＝读取；0＝设置参数) 2-1 0 采集间隔(0＝15分钟；1＝30分钟；2＝60分钟；3＝120分钟) 7-3 保留

MODE的bit[0]用于表征用户对装置的操作目的是设置装置的采集参数还是读取已经采集的环境参数数据，bit[0]＝1为读取数据，bit[0]＝0为设置参数；bit[2:1]用于设置装置采集环境参数的时间间隔，共有四种情况，分别为15分钟，30分钟，60分钟以及120分钟；

所述的固有参数INTERVAL共24比特，为装置的固有参数，该参数在出厂时便会被测定，并告知用户；

所述的校验和XOR为除去帧头关键字0xAA，0x55后所有字节的异或和；

3.根据权利要求1所述的一种温度、相对湿度、压力的便携式测量记录装置，其特征在于，所述的回传数据的格式如下表所示，

字节顺序内容(代号) 功能 1 0x55 帧头关键字 2 0xAA 帧头关键字 3 NUMBER[23:16] 环境参数数据字节数[23:16] 4 NUMBER[15:8] 环境参数数据字节数[15:8] 5 NUMBER[7:0] 环境参数数据字节数[7:0] 6～NUMBER+5 环境参数数据 NUMBER+6 XOR2 校验和

其中NUMBER为所采集的环境参数总共的字节数，共24位；XOR2为除去帧头关键字0x55，0xAA后所有字节的异或和。

4.根据权利要求3所述的回传数据的格式，其特征在于，所述的环境参数数据每8个字节构成一组，为一次采集的数据，包含采集的时间，以及采集的温度、相对湿度和压力，每组环境参数的具体格式如下表所示：

5.根据权利要求1所述的一种温度、相对湿度、压力的便携式测量记录装置，其特征在于，装置使用的压力敏感元件为MEAS公司的MS5803-02BA贴片型数字压力传感器，采集的压力范围为1KPa～200KPa；使用的温湿度敏感元件为SENSIRION公司的贴片型数字温湿度传感器SHT15，温度测量范围为-40℃～123.8℃，湿度测量范围为0～100％RH；

装置使用的存储器使用铁电存储器FM24V10；

装置使用的主控制器选用Altera公司MAXII系列的CPLD EPM2210G256I5，该芯片内部有专门针对低功耗的设计，可在-40℃～125℃环境中正常工作；

6.根据权利要求1所述的一种温度、相对湿度、压力的便携式测量记录装置，其特征在于，所述的装置机械外壳采用铝制结构，装置整体分为三个部分，分别为顶腔、前腔与后腔；装置的顶腔内放置压力敏感元件和温湿度敏感元件，顶腔外为顶盖；装置的主体分成前腔与后腔两个空间，装置的控制电路板固定在前腔内，控制电路板主要由主控制器、存储器以及相关外围电路组成；电池或用于容纳电池的电池盒、控制开关以及对外接口固定在后腔内；前腔与后腔分别通过前盖与后盖与外部接触。