CN105185076A - 便携式城市绿化辅助规划设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式城市绿化辅助规划设备，采用单片PCB叠加电池单元结构，并设有外壳，PCB主要设有单片机、大气温湿度传感器、时钟芯片、无线传输模块、电源转换模组、继电器、土壤湿度传感探针、温度传感器、光照传感器。所有传感器以及无线传输模块均与单片机相连，单片机具有读取数据和控制无线传输模块的功能，实现数据的获取和上传。数据可上传客户端，客户端对数据进行分析处理，最终将城市绿化规划方案反馈用户。本发明运装置便携小巧，便于测量数据，适用范围广。

Description

便携式城市绿化辅助规划设备

技术领域

本发明涉及一种便携式城市绿化辅助规划系统，可以利用蓝牙将传感器数据传输到用户手机客户端，进行智能化分析与评估。

背景技术

目前国内外城市绿化规划设计的产品主要有以下几种形式。其中一种城市绿化规划设计的系统主要是基于GIS/GPS/GPRS的城市绿化管理信息系统，这类系统通常将GPS接收器安装在设备上，导致设备造价高，使用环境较为苛刻。由于GPRS速度的限制，很难将大量的数据及时上传至云端或者下载到移动端；第二种城市绿化规划设计的系统主要是将数据保存到本地，没有将数据保存至云端，在检测完所有的样本点后由PC统一进行计算，加大了人员的工作量，而且往往需要很长的时间才能得到最终的结果和规划；第三种城市绿化规划设计的系统主要是通过硬件部分采集数据通过Wi-Fi发送至PC端，PC端对大量数据进行处理，可以进行实时的规划。但这类系统也只能够利用该区域的地理位置数据作为监测与评估指标；而且数据的处理需要经过很多的步骤，没能达到简化流程的效果，这使得结果存在着较大的误差而且过程变得更加的繁琐。

发明内容

本发明提供一个便携式城市绿化辅助规划系统，实现在任何地区进行数据采集并即时分析，生产评估方案的功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种便携式城市绿化辅助规划设备，包括PCB和叠加在PCB背部的电池单元，电池单元为整个装置供电；PCB正面设有单片机、大气温湿度传感器、时钟芯片、无线传输模块、电源转换模组、继电器、温度传感器和光强度传感器，光强度传感器位于PCB上部，温度传感器位于PCB下部；PCB底部设有两根土壤湿度传感探针，构成插针式结构，便于将装置直立插入土壤内工作；大气温湿度传感器、温度传感器、光强度传感器、土壤湿度传感探针、时钟芯片、无线传输模块、电源转换模组和继电器均与单片机相连，通过单片机读取传感器的数据，并控制继电器的通断，进而控制无线传输模块的开关；所述的单片机将读取的传感器的数据通过无线传输模块传输到客户端；通过客户端的绿化区域评估模块、多种植物的数据库、历史气候数据库、地理位置数据库，对采集的传感器数据进行处理，给出针对当前区域绿化规划方案。

进一步地，所述的电池单元为可充锂电池单元。

进一步地，所述的电池单元通过USB线充电。

进一步地，所述的PCB进一步设有状态指示呼吸灯和系统电源开关，所述状态指示呼吸灯和系统电源开关均与单片机相连。

进一步地，所述的无线传输模块为蓝牙模块。

进一步地，所述的PCB进一步预留模块扩展口，可接入太阳能电池板、GSM通信模块、GPRS通信模块中的一种或多种。

进一步地，所述PCB进一步设有外壳，外壳顶部设有透明顶盖，侧面设有通风口。

本发明的有益效果是：装置便携小巧，适用范围广；即时分析处理数据，对区域规划进行评估；通过手机客户端实时监控；应用无线网络进行数据传输；节约劳动力，降低规划成本。

附图说明

图1(a)和(b)分别是本发明实施例的不同视角的立体结构示意图；

图2是本发明的一个实施例的外壳设计图；

图3是本发明的工作流程图；

图4是本发明客户端的结构图；

图5是本发明的扩展应用例；

图中，状态指示呼吸灯1、大气温湿度传感器2、单片机3、时钟芯片4、电源转换模组5、继电器6、无线传输模块7、土壤湿度传感探针8、温度传感器9、通风口10、电池单元11、外壳12、光强度传感器13、系统电源开关14、透明顶盖15。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

在图1(a)和(b)中，展示了绿化规划设备的结构设计。整体采用单片PCB叠加锂电池的结构，PCB主要部分放置有单片机3、大气温湿度传感器2、时钟芯片4、无线传输模块7、电源转换模组5、继电器6、系统电源开关14、状态指示呼吸灯1，下部采用插针式的结构，同时也是土壤湿度传感探针8和温度传感器9的所在地，便于将装置直立插入土壤内工作。所有传感器与单片机互连，用单片机读取传感器的数据，连接无线传输模块7(可以为蓝牙模块)进行数据传输。电池单元11(可以为锂电池)为整个装置供应电能，同时可以通过USB口进行充电。预留的模块扩展口可接入如太阳能电池板、GSM通信模块、GPRS通信模块等扩展，根据不同的需要可以灵活配置。时钟芯片4用以给单片机3提供时钟数据，定时唤醒系统进行一次短时间的数据采样后再进入低功耗休眠模式。在唤醒的同时控制继电器6的导通，使无线传输模块7传输开启，休眠后关闭其他元件，由此达到节能省电的目的，内置电池充满电后续航可以达到1个月以上。

图2展示了本发明的外壳设计。整体为直立长方体型外壳12，透明顶盖15便于光强度传感器13采集数据，顶部附近的侧壁开倾斜向下的通风口10，可以在保持内外空气流通的同时，起到防水的功效。除了通风口10，装置外壳整体密闭，可以起到防水防尘防虫的效果，整体装置长宽可以控制在3cm×3cm以下，高12cm以下，体现便携性的特点。

图3展示了本便携式城市绿化辅助规划设备。由硬件层的传感器、单片机、无线模块，感知植物土壤和周围环境数据并上传到物联网平台服务器中。再由物联网云平台将数据进行整合后传送至用户手机客户端。应用层上的用户手机，通过配套的手机应用程序，通过内置算法对获取的数据进行评估与分析，最终将结果呈现在手机界面供用户查看。客户端包括绿化区域评估模块、植物数据库、历史气候数据库、地理位置数据库，客户端对采集的传感器数据进行处理，给出针对当前区域绿化规划方案。具体如下：

对区域的评估指标有五个，分别是空气温度，土壤温度，空气湿度，土壤含水量，光照强度。考虑到对植物生长状况的描述允许具有一定的模糊度的特点，因此内置算法的主体采用分段线性插值法。以空气温度为例，算法可表示为：

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x<p1\\ \frac{60}{p1-p0}(x-p0)& p0<x<p1\\ \frac{40}{p2-p1}(x-p1)+60& p1<x<p2\\ 100& p2<x<q2\\ \frac{40}{q2-q1}(x-q1)+60& q2<x<q1\\ \frac{60}{q1-q0}(x-q0)& q1<x<q0\\ 0& x>q0\end{array}\right.$

其中x为测量区域的温度，即传感器在某处测得的数据。p2,q2为某种植物最适温度的下限和上限；p1,q1为临界温度的下限和上限，表示在该范围外植物的生长状况将由好变坏；p0,q0为极限温度的下限和上限，表示在该范围外植物将无法生长。上述六个数据可从植物数据库获得，对于不同的植物，上述数据相应地也不同。

对于土壤温度，空气温湿度，光照强度的评估，采用的算法类似，差别仅仅在于分段函数的定义域略有差异(例如光照强度不能小于0)。

通过以上函数能够算出在某一测量点的得分f(x)，要得到最终的综合评分，还需要对每项权重进行加权处理后求和。在确定每项指标的权重过程中，我们采用层次分析法求出权重，表达式如下：

f_总＝f_土壤温度×0.12+f_空气温度×0.18+f_空气湿度×0.20+f_光照×0.23+f_土壤湿度×0.27

考虑到测量数据都是实时数据，如果能结合历史数据可以使评估更精确。因为我们利用从气象站获取的气候数据(空气温度，空气湿度)，对上式的权重进行进一步修正。

引入相关系数k_空气温度和k_空气湿度，当空气温度和空气湿度的测量值与同期历史数据相差较大时，相关系数值较小，表示该测量数据与历史情况相关度较小；反之相关系数大，表示测量数据与历史情况相关度较大。修正后的表达式为：

f_总＝f_土壤温度×0.12+f_空气温度×k_空气温度×0.18+f_空气湿度×k_空气湿度×0.20+f_光照×0.23+f_土壤湿度×0.27

当空气温度和空气湿度的测量值与同期历史数据相差较大时，它们的权重相应减小，对最终分数的影响也相应减小；反之权重增大，影响增大。相关系数的引入，能够防止测量时遇到偶然性的特殊情况对最终结果造成较大影响的情况，避免了误判的出现。

将分数段分为五个区间，分别是91～100；81～90；71～80；61～70；0～60，分别表示种植某一植物的条件很好、较好、良好、一般、差。

由于评估对象为一片区域，因此对于每一个测量点都需要利用上述算法进行计算，得到最终的结果。为了使评估结果更直观，我们将五个分数段用五种不同的颜色代表(分别是深绿，绿，黄，橙，红)，并呈现在地图上。

为了最大程度地方便用户的使用，算法会对用户提供决策性建议。若用户想知道被测区域是否适合种植某一种植物，软件通过调用植物数据库里该植物的数据执行上述算法，得到这片区域的最终得分f(x)，通过判断分数属于哪一个分数段进而给出对应的评价；若用户想知道被测区域最适合哪一种植物生长，算法会调用植物数据库内所有植物的数据逐个进行计算分析，最终为用户提供最适合的在该区域种植的某一种或几种植物。

图4展示了本植物监测系统所匹配的手机应用程序部分的功能结构设计。通过底部的标签页，可在主界面、区域评分、区域规划三个页面之间切换。主界面具有控制硬件进行数据上传和控制手机应用程序从云平台获取数据两个功能。此外，还可以显示反映设备工作状态的数据，例如GPS信息以及当前采集数据量；在区域评分模式下，用户可从右上角的下拉菜单中选定某一种植物，系统将会给出在测试区域中该植物的评分。在区域规划模式下，系统可向用户提供对于被测区域最佳的种植方案，即评分最高的植物。

图5展示了本发明的数据整合原理。由于此发明可以基于互联网进行数据管理，那么多个设备便可以方便的组成一个网络进行统一管理和扩展。例如在实际测量中，可以采用多台设备协同工作的方法，多台设备的数据同时上传至物联网云平台进行储存，并通过物联网云平台对所有的数据进行整合处理。可以大大提高区域测量的速度，在对大片区域测量时优势更加明显。

尽管以上描述了本发明的一个典型例子，但本领域的技术人员将很容易地意识到：在本质上不脱离该发明的新颖性教导和优点的情况下，这些典型的实施例可以有许多变形。因此，所有这样的变形应当包含在本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种便携式城市绿化辅助规划设备，其特征是，包括PCB和叠加在PCB背部的电池单元(11)，电池单元(11)为整个装置供电；PCB正面设有单片机(3)、大气温湿度传感器(2)、时钟芯片(4)、无线传输模块(7)、电源转换模组(5)、继电器(6)、温度传感器(9)和光强度传感器(13)，光强度传感器(13)位于PCB上部，温度传感器(9)位于PCB下部；PCB底部设有两根土壤湿度传感探针(8)，构成插针式结构，便于将装置直立插入土壤内工作；大气温湿度传感器(2)、温度传感器(9)、光强度传感器(13)、土壤湿度传感探针(8)、时钟芯片(4)、无线传输模块(7)、电源转换模组(5)和继电器(6)均与单片机(3)相连，通过单片机(3)读取传感器的数据，并控制继电器(6)的通断，进而控制无线传输模块(7)的开关；所述的单片机(3)将读取的传感器的数据通过无线传输模块(7)传输到客户端；通过客户端的绿化区域评估模块、多种植物的数据库、历史气候数据库、地理位置数据库，对采集的传感器数据进行处理，给出针对当前区域绿化规划方案。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述的电池单元(11)为可充锂电池单元。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述的电池单元(11)通过USB线充电。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述的PCB进一步设有状态指示呼吸灯(1)和系统电源开关(14)，所述状态指示呼吸灯(1)和系统电源开关(14)均与单片机(3)相连。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述的无线传输模块(7)为蓝牙模块。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述的PCB进一步预留模块扩展口，可接入太阳能电池板、GSM通信模块、GPRS通信模块中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征是，所述PCB进一步设有外壳(12)，外壳(12)顶部设有透明顶盖(15)，侧面设有通风口(10)。