CN105043441A - 一种基于北斗授时与定位技术的环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，涉及通信领域。本发明所提供的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，通过在采集器中加设了北斗授时模块，进而使得受控芯片每次在获取到环境信息的时候，均能够通过北斗授时模块精确的确定采集到环境信息的时间或者生成待发送数据的时间，从而，对端(如服务平台)在接收到发送数据的时候，能够准确的获知环境变化的时间点，使得服务平台能够依据发送数据进行更为精准的控制。

Description

一种基于北斗授时与定位技术的环境监测系统

技术领域

本发明涉及通信领域，具体而言，涉及一种基于北斗授时与定位技术的环境监测系统。

背景技术

随着物联网技术、监控技术的发展，自动控制系统主键应用到了各行各业中。

自动控制系统主要分为三个部分，首先是信息采集装置，主要是采集受控物或者受控物周围的相关信息，如温控系统中的温度传感器；其次是判断装置，主要是根据预设的程序，对信息采集装置所采集到的参数进行判断，如温控系统中的温度比较器，来比较信息采集装置所采集到的受控物环境温度与预设标准温度的大小，并且在比较的结果满足一定条件的时候发出动作信号；最后是信号控制装置，主要是根据动作信号控制相应的设备工作，如温控系统中，当信号控制装置接收到动作信号的时候，控制受控物周围的升温器/降温器工作。进而，通过信息采集装置、判断装置和信号控制装置的一连串工作，以达到控制受控物，或受控物所在环境的功能。

随着自动控制系统对安全要求和集控性的提升，原本相互靠近的三个装置(信息采集装置、判断装置和信号控制装置)已经分离的越来越远了，三者之间的信息交互，则是使用无线传输的方式进行。进而信息采集装置作为单独的装置，已经可以从自动控制系统中脱离，来完成单纯信息采集的任务。

并且，随着控制精度的提升，对靠近受控物或者信息采集物的信息采集装置有了越来越高的要求，但，传统的信息采集装置无法满足当前使用的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，以提高采器的采集精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，包括：

主控芯片、通讯模块、信息采集模块、北斗授时模块和第一电源模块；

所述主控芯片，用于将所述信息采集模块采集到的环境信息、预先获取的位置信息和北斗授时模块获取到的北斗授时信息打包，并生成待发送数据；

通讯模块，用于将所述待发送数据向预设的对端发送；

第一电源模块，用于向所述主控芯片提供电能。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述第一电源模块包括：

稳压单元、工作状态检测单元和备用供能单元；

所述稳压单元用于将获取到的交流电能进行整流和稳压，并将经过整流和稳压的电能输送至所述主控芯片；

所述工作状态检测单元，用于检测所述稳压单元的工作状态，并当所述稳压单元停止向所述主控芯片输送电能时，向所述备用供能单元发送第一工作信号；

备用供能单元，用于当获取到所述第一工作信号时，向所述主控芯片提供电能。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述第一电源模块还包括太阳能电池板，用于将采集到的太阳能转化为电能，用储存至所述备用供能单元内。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述通讯模块包括GPRS通讯单元、通讯检测单元和北斗通讯单元；

GPRS通讯单元用于将所述待发送数据向预设的对端发送；

通讯检测单元用于检测所述GPRS通讯单元的工作状态，并当所述GPRS通讯单元处于未工作状态时，向所述北斗通讯单元发出第二工作信号；

北斗通讯单元，用于当获取到所述第二工作信号后，通过北斗通讯链路，将所述待发送数据向预设的对端发送。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述北斗授时模块包括定时单元、时钟信息获取单元和北斗位置信息获取单元；

定时单元，用于每隔预定的时间生成获取指令；

时钟信息获取单元，用于在获取到所述获取指令后，采集所述北斗授时信息；

北斗位置信息获取单元，用于在获取到所述获取指令后，采集所述位置信息。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，还包括外壳，所述主控芯片、通讯模块、北斗授时模块所述信息和电源模块均设置在所述外壳内部，所述采集模块与所述外壳分离设置，且所述采集模块与所述主控芯片间设置有电磁隔离层。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述信息采集模块通过磁隔离485芯片与所述主控芯片电连接。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，还包括设置在所述外壳外部的第二电源模块，所述第二电源模块用于向所述信息采集模块供电。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述信息采集模块包括传感器单元、短报文生成单元和短报文发送单元；

所述传感器单元，用于将采集到的环境参数发送至所述短报文发送单元；

短报文生成单元，用于按照预设的短报文格式，将所述环境参数编写成待发送短报文；

短报文发送单元，用于将所述待发送报文向所述主控芯片发送；

所述短报文的数据结构顺序为数据头、命令字、设备地址、校验和结束字。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述通讯模块包括长报文生成单元和长报文发送单元；

长报文生成单元，用于按照预设的长报文格式，将所述待发送数据编写成待发送长报文；

长报文发送单元，用于将所述待发送长报文发送至目标服务平台。

本发明实施例提供的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，采用北斗授时模块进行时间校准，与现有技术中的采集器只能简单的采集温度、湿度等信号相比，其通过在采集器中加设了北斗授时模块，进而使得受控芯片每次在获取到环境信息的时候，均能够通过北斗授时模块精确的确定采集到环境信息的时间或者生成待发送数据的时间，以保证对端(如服务平台)能够准确的获知环境变化的时间点，解决了现有技术中的不足。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统的基本模块连接图；

图2示出了本发明实施例所提供的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统的第一电源模块电路图；

图3示出了本发明实施例所提供的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统的时钟信息获取单元和北斗位置信息获取单元电路图；

图4示出了本发明实施例所提供的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统的第二电源模块电路图；

图5示出了本发明实施例所提供的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统的主控模块和信息采集模块之间连接芯片电路示意图；

图6示出了本发明实施例所提供的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统的第一电源模块细节模块图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在进行环境监控的时候，最主要的应当是环境信息的获取，如果环境信息获取出现了偏差，那么根据这些环境信息进行的任何控制均是错误的，或者有误差的。

相关技术中的采集器通常将重点放在了监控数据的身上，如增加可探测数据的多样性，增加可探测数据的准确度。具体如在传统的采集器上增加湿度传感器、土壤墒情传感器等；又如可以改善各种传感器的硬件条件，以使得传感器的灵敏度增加，从而保证了探测到数据的精准程度。

但实际上，除了改善监控数据的获取精度能够提高监控质量，还可以通过精确的确定数据的获取时间来提高监控质量。通常，采集器与服务平台(接收采集器所发出的信息，并对采集到的信息进行处理，以确定控制方式的控制中枢)相距较远，如一些远距离监控系统，采集器与服务器经常会相距数十公里，甚至更远，因此信息在经过远距离传输后，采集器发出信息的时间就难以确定了(除了信息传输过程所消耗掉的时间，还有采集器发出该信息和服务器接收并解读该信息所消耗掉的时间)，从而造成了服务器进行的控制不够准确。如温控系统，采集器将采集到的温度信息发送给了服务平台，但服务平台读取到该温度信息的时候距离采集到温度信息已经相隔数分钟，如果服务平台将读取到该温度信息的时刻作为采集到该温度信息的时刻，则必然会造成后续控制的偏差。

有鉴于此，本申请提供了一种基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，如图1所示，包括：

主控芯片103、通讯模块102、信息采集模块105、北斗授时模块104和第一电源模块101；

主控芯片103，用于将信息采集模块采集到的环境信息、预先获取的位置信息和北斗授时模块获取到的北斗授时信息打包，并生成待发送数据；

通讯模块102，用于将待发送数据向预设的对端发送；

第一电源模块101，用于向主控芯片103提供电能。

在将待发送数据发送出去之前，为了精确的测定时间，便可以通过北斗授时模块104来获取时间，具体的，北斗授时模块104可以是间隔预定的时间工作，也可以是每次采集模块采集到环境信息后工作。也就是北斗授时模块104，用于在信息采集模块105采集到环境信息后，采集北斗授时信息。或者北斗授时模块104，用于每隔预定的时间采集北斗授时信息。

除了统计采集到环境信息的时间还可以是通过北斗授时模块104采集生成待发送数据的时间。这样能够使得服务平台更清楚发出待发送数据的时刻，以便于进行精确的控制。

第一电源模块101的作用是向主控芯片103提供电能，通常主控芯片103会直接与通讯模块102和北斗授时模块104相连，因此主控芯片103会向北斗授时模块104和通讯模块102供电，而不需要第一电源模块101向北斗授时模块104和通讯模块102供电。

信息采集模块105的主要组成部分是传感器，根据具体检测情况的需要，信息采集模块105中的传感器可以是温度传感器、湿传感器度、PM2.5浓度传感器、紫外线指数传感器、大气压力传感器等多种类型。

需要说明的是，通讯模块102中预先存储有对端地址(也就是服务器的地址)，因此通讯模块102可以在接受到待发送数据后，直接将待发送数据发送到指定的地址。当然，通讯模块102中所储存的地址可以是多个，每次发送的时候可以将待发送信息同时将这多个地址发送，也可以是通过识别预先存储的权限表，和待发送数据的内容来将待发送数据发送到指定的对端。如待发送数据的内容是温度，权限列表中，表明A-F这6个地址，能够接收温度信息的只有C和D两个地址，因此，在进行发送的时候，通讯模块102只能将待发送数据(携带有温度信息的待发送数据)向C和D这两个地址发送。

进一步，通讯模块102还可以设置加密模块，也就是为了保证传输数据的安全性，可以在发送待发送数据之前，使用秘钥对待发送数据进行加密，具体加密秘钥可以是对称密钥，也可以是非对称秘钥。还可以是在主控模块内部增加分解单元，用于将待发送的数据字符进行拆分，服务平台在接收到经过拆分后的数据后，按照预定的规则进行组装即可以完成环境信息的解读。

为了保证工作的持久性，如图6所示，第一电源模块包括：

稳压单元、工作状态检测单元和备用供能单元；

稳压单元用于将获取到的交流电能进行整流和稳压，并将经过整流和稳压的电能输送至主控芯片；

工作状态检测单元，用于检测稳压单元的工作状态，并当稳压单元停止向主控芯片输送电能时，向备用供能单元发送第一工作信号；

备用供能单元，用于当获取到第一工作信号时，向主控芯片提供电能。

采集器通常是设置在用电设备上的，如路灯(本申请所提供的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统尤其适用于安装在路灯灯杆上)，因此采集器的用电可以通过借助受控物(如路灯)的电能，或者是直接接入家用交流电，因此当使用交流电的时候，则需要通过设置稳压单元进行整流和稳压，来使得第一电源模块提供给主控芯片的电能能够直接被使用。

并且，还通过设置了工作状态检测单元，来检测稳压单元的工作状态，当稳压单元不再工作(也可以说当稳压单元不再像主控芯片提供电能)的时候，则可以使用备用供能单元对主控芯片进行供能，以保证采集器的正常工作。

实际上，稳压单元只有两种情况下会停止工作，一是稳压单元连接的供电线路故障，二是稳压单元自身由于器件老化而引起的损坏，而这两种情况均不多见，因此，工作状态检测单元可以每个预定的一端时间进行一次检查，如每间隔1个小时。

备用供能单元采用的是独立供电的方式(如蓄电池供电)，通过预先储备的电能向主控模块进行供电。

备用供能单元不会经常使用到，因此只要保证其能够在必要时进行供电即可，而不需要备用供电单元能够储存过多的电能。因此可以采用太阳能充电的方式来保证备用供能单元中所储备电能的充沛。

也就是，第一电源模块还包括太阳能电池板，用于将采集到的太阳能转化为电能，用储存至备用供能单元内。

如图2所示，提供了AC220(稳压单元供电)或者太阳能电池板(备用供能单元+太阳能电池板配合作用)两种方式进行供电，AC供电方式通过AC-DC模块，将电压稳定到系统电压。采集器配置有备用供能单元，备用供能单元用于保证在外部供电缺失的情况下系统继续工作。后备电源采用大容量锂电池，并配置有高效安全的锂电管理和充电电路，

图2中，芯片U10用于对锂电池进行实时监控管理，监控内容包括充电启停、充电电压、充电电流。充电过程中通过对锂电池的检测，自动选择最佳充电电流。

为了保证采集器的通讯足够畅通，通讯模块包括GPRS通讯单元、通讯检测单元和北斗通讯单元；

GPRS通讯单元用于将待发送数据向预设的对端发送；

通讯检测单元用于检测GPRS通讯单元的工作状态，并当GPRS通讯单元处于未工作状态时，向北斗通讯单元发出第二工作信号；

北斗通讯单元，用于当获取到第二工作信号后，通过北斗通讯链路，将待发送数据向预设的对端发送。

也就是当GPRS通讯单元无法正常工作的时候，则启用北斗通讯单元进行数据的发送。具体的，采集器内部配置有GPRS通讯电路，采集器所有收集到的环境数据后，最后都通过GPRS通讯链路发送到服务平台。同时通讯端口还留有一个RS232通讯接口，用于连接外置的北斗1代通讯模块。在移动信号无法覆盖的地区(GPRS通讯单元无法工作的地区)，可以启动北斗通讯链路，依然可以保证数据稳定安全的发送到平台服务端。

采集器对环境数据的采集具有很高的地点确定性和时间准确性，为了达到这两点要求，采集器配置有北斗授时和定位模块，电路图如图3所示：为了降低系统功耗，获取北斗时间和位置数据可以采用间隔获取方式，通过图中MOS管M1控制北斗模块的电源，间隔一定的时间启动北斗模块，获取一次采集器位置和北斗卫星时间，然后校正系统内部时钟。

也就是，北斗授时模块包括定时单元、时钟信息获取单元和北斗位置信息获取单元；

定时单元，用于每隔预定的时间生成获取指令；

时钟信息获取单元，用于在获取到获取指令后，采集北斗授时信息；

北斗位置信息获取单元，用于在获取到获取指令后，采集位置信息。

需要说明的是，定时单元的预定时间可以根据具体情况进行调节，如某个时间段所需要发送的数据较多，则可以将预定的时间缩小，如果某个时间段所需要发送的数据较少，则可以将预定的时间增大。

定位除了使用北斗定位，还可以使用基站定位等方式来获取位置信息，进而通过符合定位的方式来精确的确定采集器的位置。具体如北斗定位确定的位置坐标为(1,6)，使用基站定位确定的位置坐标为(1,8)，通过加权求平均的方式可以确定采集器的精确位置为(1,7)。

为了提高采集器的安全性和稳定性，可以将采集器的主体与传感器(属于信息采集模块)分离设置，这样的设计可以让传感器更好的接触环境(传感器不受采集器主体的制约)，采集到的数据更加准确。同时，由于采用分离设计，方便了传感器探头的更换以及功能的更改和升级。由于探头放置在采集器箱体(壳体)以外，通过壳体外部电缆连接信息采集模块和主控芯片，为了防止环境电磁干扰对采集器主板造成损坏，传感器探头和采集器主板之间的供电和通信均可以采用隔离方式。由于传感器探头供电线缆较长，为了降低线路对电压的损耗和增强电源线的抗干扰能力，传感器探头供电电压采用直流12V，具体供电电路如图4所示：

图4中，DC1是一个DC-DC升压稳压模块，该升压稳压模块输入端由系统主电源供电，经过内部升压和稳压，最后输出12V的电压。VR3用来给隔离后的RS485芯片提供逻辑电平。

即，本申请所提供的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，还包括外壳，主控芯片、通讯模块、北斗授时模块信息和电源模块均设置在外壳内部，采集模块与外壳分离设置，且采集模块与主控芯片间设置有电磁隔离层。

主控芯片和传感器探头之间通讯可以采用标准工业总线RS485。RS485采用差分信号通信，具有非常强的抗干扰能力。同时为了避免壳体外部线路携带的静电、电磁干扰等对采集器主板造成损坏，主板RS485通讯也采用了隔离方式，原理图如图5所示。

图5中，芯片U4是一个磁隔离485芯片，芯片信号输入端支持TTL串口信号输入，经过内部电平转换，由输出端输出隔离后的RS485信号。芯片隔离前后采用独立电源供电，保证物理上的绝对隔离，从而有效保证主板系统的安全运行。

也就是，信息采集模块通过磁隔离485芯片与主控芯片电连接。

独立供电能够一定程度上的放置电磁干扰现象的发生，因而本申请所提供的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，还包括设置在外壳外部的第二电源模块，第二电源模块用于向信息采集模块供电。

采集器和传感器探头之间的数据交互需要有通讯协议的支持才能正常进行，才能保证数据交互的正确和安全。本申请所提供的采集器，为了提升通讯效率和安全，将通讯协议报文分为两种格式，一种为固定帧长的短报文。另一种为长度不固定的长报文。

短报文用于主控芯片和传感器之间数据交互时使用，由于其帧长固定，数据帧短，所以可以加快处理器数据处理速度，并缩短通讯时间，增强系统稳定性。

即，为了便于进行数据交互，保证传感器与主控芯片之间的数据交互安全和时效性，信息采集模块包括传感器单元、短报文生成单元和短报文发送单元；

传感器单元，用于将采集到的环境参数发送至短报文发送单元；

短报文生成单元，用于按照预设的短报文格式，将环境参数编写成待发送短报文；

短报文发送单元，用于将待发送报文向主控芯片发送；

短报文的数据结构顺序为数据头、命令字、设备地址、校验和结束字。

短报文的固定帧报文数据结构如下：

数据头

命令字

设备地址

校验

结束字

同样的，为了保证服务平台与主控芯片之间的数据交互安全和时效性，可以规定服务平台与主控芯片之间的数据交互使用长报文。即，数据头用于识别固定帧和不定帧数据包，结束字用于判断报文的结束。不定帧数据包用于实际数据交互，报文长度由传感器采集数据数量决定。不定帧报文数据结构如下：

也就是，通讯模块包括长报文生成单元和长报文发送单元；

长报文生成单元，用于按照预设的长报文格式，将待发送数据编写成待发送长报文；

长报文发送单元，用于将待发送长报文发送至目标服务平台。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，其特征在于，包括：

主控芯片、通讯模块、信息采集模块、北斗授时模块和第一电源模块；

所述主控芯片，用于将所述信息采集模块采集到的环境信息、预先获取的位置信息和北斗授时模块获取到的北斗授时信息打包，并生成待发送数据；

通讯模块，用于将所述待发送数据向预设的对端发送；

第一电源模块，用于向所述主控芯片提供电能。

2.根据权利要求1所述的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，其特征在于，所述第一电源模块包括：

稳压单元、工作状态检测单元和备用供能单元；

所述稳压单元用于将获取到的交流电能进行整流和稳压，并将经过整流和稳压的电能输送至所述主控芯片；

所述工作状态检测单元，用于检测所述稳压单元的工作状态，并当所述稳压单元停止向所述主控芯片输送电能时，向所述备用供能单元发送第一工作信号；

备用供能单元，用于当获取到所述第一工作信号时，向所述主控芯片提供电能。

3.根据权利要求2所述的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，其特征在于，所述第一电源模块还包括太阳能电池板，用于将采集到的太阳能转化为电能，用储存至所述备用供能单元内。

4.根据权利要求1所述的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，其特征在于，所述通讯模块包括GPRS通讯单元、通讯检测单元和北斗通讯单元；

GPRS通讯单元用于将所述待发送数据向预设的对端发送；

通讯检测单元用于检测所述GPRS通讯单元的工作状态，并当所述GPRS通讯单元处于未工作状态时，向所述北斗通讯单元发出第二工作信号；

北斗通讯单元，用于当获取到所述第二工作信号后，通过北斗通讯链路，将所述待发送数据向预设的对端发送。

5.根据权利要求1所述的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，其特征在于，所述北斗授时模块包括定时单元、时钟信息获取单元和北斗位置信息获取单元；

定时单元，用于每隔预定的时间生成获取指令；

时钟信息获取单元，用于在获取到所述获取指令后，采集所述北斗授时信息；

北斗位置信息获取单元，用于在获取到所述获取指令后，采集所述位置信息。

6.根据权利要求1所述的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，其特征在于，还包括外壳，所述主控芯片、通讯模块、北斗授时模块所述信息和电源模块均设置在所述外壳内部，所述采集模块与所述外壳分离设置，且所述采集模块与所述主控芯片间设置有电磁隔离层。

7.根据权利要求1所述的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，其特征在于，所述信息采集模块通过磁隔离485芯片与所述主控芯片电连接。

8.根据权利要求7所述的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，其特征在于，还包括设置在所述外壳外部的第二电源模块，所述第二电源模块用于向所述信息采集模块供电。

9.根据权利要求1所述的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，其特征在于，

所述信息采集模块包括传感器单元、短报文生成单元和短报文发送单元；

所述传感器单元，用于将采集到的环境参数发送至所述短报文发送单元；

短报文生成单元，用于按照预设的短报文格式，将所述环境参数编写成待发送短报文；

短报文发送单元，用于将所述待发送报文向所述主控芯片发送；

所述短报文的数据结构顺序为数据头、命令字、设备地址、校验和结束字。

10.根据权利要求1所述的基于北斗授时与定位技术的环境监测系统，其特征在于，所述通讯模块包括长报文生成单元和长报文发送单元；

长报文生成单元，用于按照预设的长报文格式，将所述待发送数据编写成待发送长报文；

长报文发送单元，用于将所述待发送长报文发送至目标服务平台。