CN106124372A - 一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置 - Google Patents
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Abstract
一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，其特征在于它包括电源单元、CPU控制单元、颗粒物浓度检测单元和4G远程数据传输单元；其优越性在于：数据通过4G基站将浓度数据传输至4G移动终端或4G转以太网协议转换装置传输到监控中心，实施环境监测任务中的快速响应与决策；传输抗干扰性强、传送距离远、传输的速率快、即时性好；运行协调精确，实现了据的实时采集和传输。
Description
(一)技术领域：
本发明涉及环境监测技术领域，主要涉及一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置。
(二)背景技术：
随着计算机技术和通信技术的不断发展，监测系统在环境领域中扮演着越来越重要的角色。以往传统的环境监测系统大部分采用的是人工采集或是采用有线监测的方法，人工采集数据，既消耗大量的人力和物力又不能够实时的采集环境监测数据，有时还会给数据采集带来误差；有线监测虽然具有很多优点，但是由于监测点分布广而散，有些监测点既偏远又危险，给有线监测的实现带来非常巨大的困难，同时有线监测需要大量的电话线进行数据传输增加了巨大的成本。
4G(The 4 Generation Mobile Communication Technology)-第四代移动通信技术,该技术包括TD-LTE(Time Division Long Term Evolution-分时长期演进)和FDD-LTE(Long Term Evolution-长期演进技术)两种制式。4G是集3G与WLAN(Wireless Local AreaNetworks-无线局域网)于一体，与传统的网络相比，其最大的优势在于传输速率高和安全性强。4G能够以100Mbps以上的速度下载，比目前的家用宽带ADSL(Asymmetric DigitalSubscriber Line-非对称数字用户线)(4M)快25倍，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求，被中国物联网校企联盟誉为机器之间当之无愧的“高速对话”。
最近几年我国的环境状态越来越不乐观，大气中颗粒物浓度在逐年上升，特别是PM2.5，直接影响着人们的身心健康，也制约着工业的快速发展。当前，迫切需要开发出一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，可以实现精确、快速的检测到大气中颗粒物的浓度，并且及时传输到监控中心，做到实时掌握颗粒物浓度数据，以此制定相应的措施。
(三)发明内容：
本发明的目的在于提供一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，使用TD-LTE4G传输技术进行数据的远程传输，克服了以往数据采集和远距离传输的缺点，且结构简单，易于实现。
本发明的技术方案：一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，其特征在于它包括电源单元、CPU(Central Processing Unit-中央处理器)控制单元、颗粒物浓度检测单元和4G远程数据传输单元；其中，所述电源单元为CPU控制单元、颗粒物浓度检测单元和4G远程数据传输单元供电；所述颗粒物浓度检测单元和4G远程数据传输单元分别与CPU控制单元呈双向连接；所述颗粒物浓度检测单元的输出端连接4G远程数据传输单元的输入端。
所述电源单元由模块化交流变直流以及太阳能板蓄电池构成；所述模块化交流变直流为辅助供电方式，为太阳能板蓄电池供电；所述太阳能板蓄电池模块为主供电模块，连接CPU控制单元、颗粒物浓度检测单元和4G远程数据传输单元。
所述CPU控制单元采用高效能嵌入式中央处理器ARM(Advanced RISC Machines-RISC微处理器)为主控芯片。
所述颗粒物浓度检测单元是由颗粒物浓度采集模块、颗粒物浓度数据处理模块和颗粒物浓度采集通道构成；所述颗粒物浓度采集模块和颗粒物浓度数据处理模块分别由电源单元供电，且所述颗粒物浓度采集模块和颗粒物浓度数据处理模块分别与CPU控制单元的ARM主控芯片呈双向连接；所述颗粒物浓度采集模块通过颗粒物浓度采集通道采集颗粒物信息；所述颗粒物浓度采集模块与颗粒物浓度数据处理模块呈双向连接；所述颗粒物浓度数据处理模块还与4G远程数据传输单元呈双向连接。
所述颗粒物浓度采集模块采用专用高精度激光颗粒物传感器模块，依模数转换器件A/D完成信号采集功能；所述颗粒物浓度数据处理模块依其内部总线与颗粒物浓度采集模块连接。
所述4G远程数据传输单元由高速存储模块、4G传输模块以及4G天线构成；所述高速存储模块分别与颗粒物浓度数据处理模块以及4G传输模块呈双向连接；所述颗粒物浓度数据依4G天线传输至4G视频移动终端；所述高速存储模块和4G传输模块分别与CPU控制单元呈双向连接；所述高速存储器模块依颗粒物浓度数据处理模块的内部总线相互连接。
所述高速存储器模块通过其内部总线连接颗粒物浓度数据处理模块和4G传输模块，完成采集数据的存储的功能。
所述4G传输模块是由TD-LTE 4G通讯模块和天线构成；所述TD-LTE 4G通讯模块采用CLM920芯片。
所述4G传输模块通过其内部总线与高速存储模块和CPU控制模块连接，完成采集指令和配置信息无线接收以及颗粒物浓度信号的无线远程传输功能。
本发明的工作原理：
在本发明中，一种大气颗粒物的远程传输装置所接受的为颗粒物数据采集模块采集到的大气中的颗粒物浓度所产生的电信号，由颗粒物浓度采集模块采集，经颗粒物浓度数据处理模块处理后，由4G传输模块传输到移动终端或监测中心。
如图3所示，本发明提供的一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，其特征包括：电源单元，CPU控制模块(ARM)，颗粒物检测单元，4G传输单元；颗粒物检测单元包括：颗粒物浓度采集模块、颗粒物浓度数据处理模块和颗粒物浓度采集通道；4G传输单元包括：高速存储模块和4G传输模块。
所述电源单元，主要为系统提供电源；所述CPU控制单元(ARM)，采用嵌入式RAM芯片用于控制颗粒物浓度采集模块、颗粒物浓度数据处理模块、高速存储模块和4G传输模块；所述颗粒物浓度采集模块，用于把采集到的模拟信号通过模数转换器件A/D转换后传送给颗粒物浓度数据处理模块，颗粒物浓度采集模块采用精度激光颗粒物传感器；所述颗粒物浓度数据处理模块，用于处理数据信号中幂次方函数和对数函数；所述高速存储模块，用于存储处理后的颗粒物浓度以及CPU的配置信息(采样频率，采样时间和测量参数值类型)；所述4G传输模块，用于把高速存储器中的数据传输到移动终端上或者环境监测中心，完成数据信号的远程传输；所述4G天线，用于发送信号和接受信号。
在本发明中，CPU控制模块的性能至关重要，其直接影响着颗粒物浓度实时采集和远程传输仪的性能。一般来说，微处理器性能越高和功耗越低，对于控制精度越高，越适合于实际应用。
本发明的CPU控制模块采用ARM微处理器，采用linux嵌入式系统，通过修改内核，开发适合自己的Linux系统，并且该系统可以综合了多种算法，运行多个程序；ARM微处理器还具有性能高、体积小、功耗低、实时性好的特点；从而选择ARM微处理器作为本发明的控制中心。
本发明中电源单元，采用太阳能板蓄电池供电方式和模块化交流转直流方式，蓄电池主要采用太阳能电池板蓄电；当蓄电池正处于充电模式时，主要由蓄电池向装置供电；当蓄电池充满电时，系统会自动切换到太阳能电池板直接向装置供电模式；模块化交流转直流方式主要考虑到天气状况不好情况下，供电模式转换为：由模块化交流转直流向太阳能板蓄电池充电，蓄电池向装置供电，以满足设计要求—实时性。
本发明中的无线数据传输采用4G远程数据传输模块，4G无线网络具有多模式，传输速率高，安全性强和能与其他网络无缝连接等优点，使其被誉为机器之间当之无愧的“高速对话”。
在本发明中，目前市场上使用较多的编译语言为C语言，此编译语言可实现灵活快速编程，并且方便修改的要求。
本发明装置的核心是:①通过主控芯片—ARM控制各个模块协调运行，以及通过对Linux内核的修改，移植和程序的写入，能够实现远程设置该发明装置参数，启动和停止等功能。②运用4G无线通讯技术与数据采集处理技术,实现颗粒物浓度数据的远程无线采集处理和远距离传输，4G无线通讯技术在国内已经成熟，基站建设在全国不断完善，这为监测点组网奠定了基础，也大大降低了成本；③每个监测点采用多个信号传感器通道,可以实现多个通道信号的同时采集、处理和远程无线传输，求平均值以保证检测结果的准确性。
本发明的优越性在于：处理后的数据存储在高速存储模块里，最后数据通过4G基站将浓度数据传输至4G移动终端或4G转以太网协议转换装置传输到监控中心，从而实施环境监测任务中的快速响应与决策；具有传输抗干扰性强、传送距离远、传输的速率快、即时性好等特点；ARM为主控芯片，嵌入Linux系统控制颗粒物浓度采集模块、颗粒物浓度数据处理模块、高速存储模块和4G传输模块协调精确运行，实现数据的实时采集和传输。
(四)附图说明：
图1为本发明所涉一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置的整体结构框图。
图2为本发明所涉一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置中电源单元的结构框图。
图3为本发明所涉一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置的具体结构原理示意图。
图4为本发明所涉一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置的工作原理流程示意图。
(五)具体实施方式：
实施例：一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置(见图1)，其特征在于它包括电源单元、CPU(Central Processing Unit-中央处理器)控制单元、颗粒物浓度检测单元和4G远程数据传输单元；其中，所述电源单元为CPU控制单元、颗粒物浓度检测单元和4G远程数据传输单元供电；所述颗粒物浓度检测单元和4G远程数据传输单元分别与CPU控制单元呈双向连接；所述颗粒物浓度检测单元的输出端连接4G远程数据传输单元的输入端。
所述电源单元(见图2)由模块化交流变直流以及太阳能板蓄电池构成；所述模块化交流变直流为辅助供电方式，为太阳能板蓄电池供电；所述太阳能板蓄电池模块为主供电模块，连接CPU控制单元、颗粒物浓度检测单元和4G远程数据传输单元。
所述CPU控制单元采用高效能嵌入式中央处理器ARM(Advanced RISC Machines-RISC微处理器)为主控芯片。
所述颗粒物浓度检测单元(见图3)是由颗粒物浓度采集模块、颗粒物浓度数据处理模块和颗粒物浓度采集通道构成；所述颗粒物浓度采集模块和颗粒物浓度数据处理模块分别由电源单元供电，且所述颗粒物浓度采集模块和颗粒物浓度数据处理模块分别与CPU控制单元的ARM主控芯片呈双向连接；所述颗粒物浓度采集模块通过颗粒物浓度采集通道采集颗粒物信息；所述颗粒物浓度采集模块与颗粒物浓度数据处理模块呈双向连接；所述颗粒物浓度数据处理模块还与4G远程数据传输单元呈双向连接。
所述颗粒物浓度采集模块采用专用高精度激光颗粒物传感器模块，依模数转换器件A/D完成信号采集功能；所述颗粒物浓度数据处理模块依其内部总线与颗粒物浓度采集模块连接。
所述4G远程数据传输单元(见图3)由高速存储模块、4G传输模块以及4G天线构成；所述高速存储模块分别与颗粒物浓度数据处理模块以及4G传输模块呈双向连接；所述颗粒物浓度数据依4G天线传输至4G视频移动终端；所述高速存储模块和4G传输模块分别与CPU控制单元呈双向连接；所述高速存储器模块依颗粒物浓度数据处理模块的内部总线相互连接。
所述高速存储器模块通过其内部总线连接颗粒物浓度数据处理模块和4G传输模块，完成采集数据的存储的功能。
所述4G传输模块是由TD-LTE 4G通讯模块和天线构成；所述TD-LTE 4G通讯模块采用CLM920芯片。
所述4G传输模块通过其内部总线与高速存储模块和CPU控制模块连接，完成采集指令和配置信息无线接收以及颗粒物浓度信号的无线远程传输功能。
图3是本发明提供的一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置的详细结构示意图。
CPU控制模块对颗粒浓度采集通道、颗粒物浓度采集模块、颗粒物浓度数据处理模块、颗粒物浓度采集通道、高速存储模块和4G传输模块发出相应指令；所述颗粒物浓度采集通道把一定量的待检气体吸入通道中；所述颗粒物浓度采集模块对气体中的颗粒物进行检测，该检测主要采集气体中PM10和PM2.5的浓度，并且设置检测频率；所述颗粒物浓度数据处理模块接受到为颗粒物浓度采集模块采集到的模拟信号通过模数转换器件A/D转换后的数字信号，首先颗粒物浓度数据处理模块通过幂次方函数和对数函数对数据进行初步处理，然后采用算数编码的数据压缩算法对颗粒物浓度数据进行打包压缩；所述高速存储模块把接收到的颗粒物浓度数据存储在相应的内存中，这样是为了防止4G传输模块出现错误，不能传输数据，导致数据的丢失；所述4G传输模块通过AT拨号连接上移动设备或者监控中心，把数据远程传输过去，数据传输完毕，系统会进入待机状态，待再次接到检测指令后，系统由待机进入工作状态。
具体实现上，在CPU控制模块中运用C语言进行软件编程、运算，然后通过串口控制各个模块。
Claims (9)
1.一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，其特征在于它包括电源单元、CPU控制单元、颗粒物浓度检测单元和4G远程数据传输单元；其中，所述电源单元为CPU控制单元、颗粒物浓度检测单元和4G远程数据传输单元供电；所述颗粒物浓度检测单元和4G远程数据传输单元分别与CPU控制单元呈双向连接；所述颗粒物浓度检测单元的输出端连接4G远程数据传输单元的输入端。
2.根据权利要求1所述一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，其特征在于所述电源单元由模块化交流变直流以及太阳能板蓄电池构成；所述模块化交流变直流为辅助供电方式，为太阳能板蓄电池供电；所述太阳能板蓄电池模块为主供电模块，连接CPU控制单元、颗粒物浓度检测单元和4G远程数据传输单元。
3.根据权利要求1所述一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，其特征在于所述CPU控制单元采用高效能嵌入式中央处理器ARM为主控芯片。
4.根据权利要求1所述一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，其特征在于所述颗粒物浓度检测单元是由颗粒物浓度采集模块、颗粒物浓度数据处理模块和颗粒物浓度采集通道构成；所述颗粒物浓度采集模块和颗粒物浓度数据处理模块分别由电源单元供电，且所述颗粒物浓度采集模块和颗粒物浓度数据处理模块分别与CPU控制单元的ARM主控芯片呈双向连接；所述颗粒物浓度采集模块通过颗粒物浓度采集通道采集颗粒物信息；所述颗粒物浓度采集模块与颗粒物浓度数据处理模块呈双向连接；所述颗粒物浓度数据处理模块还与4G远程数据传输单元呈双向连接。
5.根据权利要求4所述一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，其特征在于所述颗粒物浓度采集模块采用专用高精度激光颗粒物传感器模块，依模数转换器件A/D完成信号采集功能；所述颗粒物浓度数据处理模块依其内部总线与颗粒物浓度采集模块连接。
6.根据权利要求1所述一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，其特征在于所述4G远程数据传输单元由高速存储模块、4G传输模块以及4G天线构成；所述高速存储模块分别与颗粒物浓度数据处理模块以及4G传输模块呈双向连接；所述颗粒物浓度数据依4G天线传输至4G视频移动终端；所述高速存储模块和4G传输模块分别与CPU控制单元呈双向连接；所述高速存储器模块依颗粒物浓度数据处理模块的内部总线相互连接。
7.根据权利要求6所述一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，其特征在于所述高速存储器模块通过其内部总线连接颗粒物浓度数据处理模块和4G传输模块，完成采集数据的存储的功能。
8.根据权利要求6所述一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，其特征在于所述4G传输模块是由TD-LTE 4G通讯模块和天线构成；所述TD-LTE 4G通讯模块采用CLM920芯片。
9.根据权利要求1所述一种大气颗粒物的实时采集和远程传输装置，其特征在于所述4G传输模块通过其内部总线与高速存储模块和CPU控制模块连接，完成采集指令和配置信息无线接收以及颗粒物浓度信号的无线远程传输功能。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20161116 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |