CN106774038A - 环境监控或监测数据采集传输仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境监控或监测数据采集传输仪，其特征在于，所述数据采集传输仪包括主机单元、供电单元和接口单元，所述主机单元与接口单元连接；所述接口单元将主机单元的采集接口引出至接线端子，供用户连接下位机使用；所述供电单元与接口单元连接，所述供电单元通过接口单元为主机单元提供工作所必须的电源。该技术方案整体采用模块化设计，无线通信网络灵活配置，支持全网通，配置大尺寸触摸液晶屏，人机交互友好，用户可以免电脑免工具进行全部的安装和配置，方便用户及运维人员的日常使用和维护，降低使用成本。

Description

环境监控或监测数据采集传输仪

技术领域

本发明涉及一种数据传输仪，具体涉及一种环境监控或监测数据采集传输仪，属于环境监控技术领域。

背景技术

环境监控或监测数据采集传输仪，主要用于污染源监测、地表水监测、空气质量监测、区域环境噪声监测、大气环境污染源、地表水体污染源、地下水体污染源、海洋环境污染源、土壤环境监测、放射性环境污染源等环境监测领域。其通过多种信号输入输出接口，如串行数字量接口、模拟量输入接口、开关量输入接口和开关量输出接口等，采集各类污染物和参数数据，并且对采集到的数据进行合法的计算和存储，最终通过通讯网络将监测数据传输至远程监控系统，实现了对环境的在线监控和监测。

现有技术中的环境监控或监测数据采集传输仪的显示和控制方案都采用了小尺寸液晶屏搭配按键键盘或大尺寸触摸液晶屏两种方案。现有的数据采集传输仪设备参数的配置需要外接笔记本电脑或者采用手机无线连接配置的操作方式，较为繁琐；

现有技术中的环境监控或监测数据采集传输仪都已支持以太网及无线通信网两种通讯方式。当使用无线通信网进行数据传输时一般采用外接DTU、无线路由器或内置无线通信模块的方案。外接DTU会占用一路串行数字量接口，外接无线路由器会占用一路以太网接口，数据传输的稳定性依赖于DTU或无线路由器，并且DTU内置协议栈对TCP连接数有限制；采用内置无线通讯模块的数据采集传输仪采用的通信模块的物理接口都不统一，当进行网络制式升级改造时（例如由GPRS升级至4G LTE），需要重新改造电路，耗时耗力。

虽然无线通信4G网络覆盖越来越广，但在一些偏僻的地区信号覆盖很差，网络不稳定，仍然依靠2G网络进行数据传输；同时4G无线通信模块的价格成本高出2G无线通信模块数倍，因此未来一段时间内2G和4G无线通信模块将在市场中共存。

现有技术中的基于标准Mini PCIe接口的无线通信模块都是3G、4G通信模块，其在嵌入式操作系统（Linux或WinCE）中以USB Serial的方式工作，设备驱动生成至少两个UART串行口，一个用于拨号网络连接，一个用于AT指令执行。这种工作方式可以保证无线通信网络一直在线的同时，可以通过AT指令查询无线通信网络信号强度、基站定位等信息。仅支持2G（GPRS、EDGE）的通信模块内部集成了两路URAT串行口，一路为主串行口，用于拨号网络连接，一路为辅串行口，用于AT指令执行。但仅支持2G（GPRS、EDGE）的通信模块不兼容标准Mini PCIe接口，不支持以USB Serial的方式工作。标准Mini PCIe接口定义中只有一路UART串行口的定义，2G通信模块无法将集成的两路UART串行口全部引出使用，故无法在保持无线通信网络在线的情况下获取无线通信网络的信号强度、基站等位等信息。

现有技术中的环境监控或监测数据采集传输仪信号传输线一般采用螺丝固定的方式，日常维护时必须要使用工具，费时费力；同时由于缺乏必要的绝缘保护，多个接口间容易发生误短接，引起信号异常甚至是设备损坏。因此，迫切的需要一种新的方案解决该技术问题。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一个环境监控或监测数据采集传输仪, 该技术方案整体采用模块化设计，无线通信网络灵活配置，支持全网通，配置大尺寸触摸液晶屏，人机交互友好，用户可以免电脑免工具进行全部的安装和配置，方便用户及运维人员的日常使用和维护，降低使用成本。

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的技术方案如下：一种环境监控或监测数据采集传输仪，其特征在于，所述数据采集传输仪包括主机单元、供电单元和接口单元，所述主机单元与接口单元连接，为方便拆卸，接口处采用欧式插座连接；所述接口单元将主机单元的采集接口引出至接线端子，供用户连接下位机使用；所述供电单元与接口单元连接，为方便拆卸，接口处采用插拔式接线端子连接。所述供电单元通过接口单元为主机单元提供工作所必须的电源。

作为本发明的一种改进，所述主机单元设计独立电源开关，便于独立管理主机单元的供电，所述主机单元包括触摸显示模块、核心板模块、主板模块和无线通信板模块，所述触摸显示模块与主板模块通过电源电路和信号电路连接，接口处采用排线连接；所述核心板模块与主板模块通过电源电路和信号电路连接，接口处采用接插件或PCB直接焊接的方式连接，将核心板模块中的ARM处理器的所有接口引脚引出至主板模块以供使用。

作为本发明的一种改进，所述触摸显示模块包括触摸屏、液晶屏和液晶屏驱动板，所述触摸屏采用电阻式或电容式触摸屏，其覆盖在液晶屏之上，提供触摸点击功能，所述液晶屏和液晶屏驱动板连接，提供人机界面显示功能，所述触摸显示模块需要配合人机界面软件方可发挥作用。

作为本发明的一种改进，所述核心板模块包括ARM处理器、RAM内存、存储器和RTC，所述RAM内存与ARM处理器连接，为处理器提供运行内存；所述存储器与ARM处理器连接，采用掉电非易失的Nand Flash、Nor Flash或eMMC中的一种或多种，提供操作系统、软件及用户数据的存储空间，所述RTC是ARM处理器内部集成的RTC或外挂RTC芯片。

作为本发明的一种改进，所述主板模块包括电源电路、信号电路、看门狗电路、采集MCU、以太网芯片、无线通信控制电路、RTC备份电池、采集接口、通信接口和数据接口，所述看门狗电路与电源电路、信号电路连接，当检测到核心板模块出现死机时，自动对核心板模块进行断电复位，所述采集MCU与电源电路、信号电路连接，其集成多路模拟量输入、开关量输入和开关量输出通道，实现模拟量输入、开关量输入的采集功能，以及开关量输出的控制功能，所述采集MCU通过串行口，实现数字量信号的采集，所述串行口是核心板模块中的ARM处理器内部集成的串行口，或者是通过I2C、SPI、USB等总线经扩展芯片所扩展出的串行口；所述采集接口通过电源电路、信号电路与接口单元中的串行数字量接口、模拟量输入接口、开关量输入接口和开关量输出接口连接，其将用于数据采集及控制的串行口、模拟量输入、开关量输入和开关量输出通道引出至接口单元供用户接线和使用；所述通信接口与电源电路、信号电路连接，其包括RJ45接口、SMA天线接口和SIM卡接口；所述数据接口与电源电路、信号电路连接，其包括SD卡接口、USB存储设备接口；所述RTC备份电池与电源电路连接，当主机单元外部供电中断时，继续为核心板模块中的RTC提供供电，所述以太网芯片与电源电路、信号电路连接，提供以太网访问功能；所述无线通信控制电路与电源电路、信号电路连接，实现了对无线通信工作模式的切换控制。

作为本发明的一种改进，所述供电单元包括电源模块和电池模块，所述电源模块采用开关电源，所述电池模块采用铅酸蓄电池或锂离子电池，电源模块与电池模块采用在线式供电方式与接口单元连接，为主机单元提供工作所需的供电，所述电源模块与电池模块连接，为电池模块进行充电。

作为本发明的一种改进，所述接口单元包括电源接口、串行数字量接口、模拟量输入接口、开关量输入接口和开关量输出接口，所述电源接口包括电源输入接口和电源输出接口，所述电路输入接口与供电单元连接，采用插拔式接线端子，所述电源输出接口实现了对外部下位机或其他低功率设备供电，采用免螺丝接线端子，所述串行数字量接口、模拟量输入接口和开关量输入接口用于连接下位机，均采用免螺丝接线端子，所述开关量输出接口包括继电器和接线端子，每一路开关量输出接口包括一组共两个继电器，一个用于开启操作，一个用于关闭操作，所述接线端子采用免螺丝接线端子，所述免螺丝接线端子包括壳体、插线孔、弹簧片、按压卡扣和焊针，壳体采用PA66塑料，接线孔位于按压卡扣旁；弹簧片采用金属材质，其形状为弧形，上端卡在按压卡扣中，紧贴接线孔将其覆盖，下端连接至焊针，相邻端子的焊针错位排列。本方案中所述接口单元除电源输入接口之外全部采用免螺丝接线端子。其主体采用塑料件（通常采用PA66塑料），抗冲击性好，具备较高强度，绝缘性好。其外部设计了一个弹簧片按压卡扣和插线孔。其内部设计了一个弧形金属弹簧片，金属弹簧片上端紧紧覆盖住插线孔，下端连接至底部的焊针。通过按压弹簧片卡扣，使接线孔与弹簧片间产生空隙，导线由插线孔插入该空隙中，松开弹簧片卡扣后，借助弹簧片的弹力将导线卡在插线孔和弹簧片中，起到固定和导线连通的作用。所述免螺丝接线端子多个相邻的端子的焊针错位分布，以确保足够的间距，避免由于大电压或电流而导致击穿短路。所述免螺丝接线端子的优点在于安装及维护人员可实现免工具操作，同时每个接线端子内部绝缘，不会出现线路误短接的情况，提供易用性的同时也增强了安全性。

作为本发明的一种改进，所述数据采集传输仪内设置有一套嵌入式软件，实现了人机交互、下位机数据采集分析、统计和上位机数据传输及远程控制，用户通过嵌入式软件完成设备的安装、配置和使用，所述嵌入式软件包括操作系统和系统软件，其中所述操作系统负责硬件的驱动、运行和控制，为硬件提供运行环境，所述系统软件运行于操作系统中，操作系统为其提供运行环境；

所述操作系统包括系统内核Kernel、设备驱动程序、网络通信协议栈、图形环境运行库和文件系统rootfs，所述系统内核Kernel、设备驱动程序、网络通信协议栈、图形环境运行库和文件系统rootfs安装于主机单元中核心板模块的存储器（Nand Flash或eMMC）中，其共同为硬件设备/接口提供运行环境，同时为上层系统软件及应用软件提供软件接口，所述图形环境运行库采用X Window或FrameBuffer底层图形库配合Qt、GTK+或wxWidgets图形用户界面运行库的方案，所述系统软件包括人机界面模块、采集模块、通讯模块、看门狗模块和数据库系统，所述人机界面模块、采集模块和通讯模块与数据库系统交互，进行数据的读取和写入；

所述人机界面模块、采集模块和通讯模块按照规定的周期与看门狗模块进行交互，当看门狗模块检测到上述采集模块、人机界面模块和通讯模块中的一个或多个模块在一定时间内未进行交互，则复位该模块，使其恢复工作，若多次复位模块仍然无法使其正常工作，看门狗模块则断电复位数据采集传输仪，以确保各项功能能够连续正常工作，所述人机界面模块、采集模块和通讯模块之间通过共享内存、消息队列的方式进行数据共享和指令传递。

作为本发明的一种改进，所述人机界面模块采用图形用户开发库Qt、GTK+或wxWidgets开发，其包括主页、数据查询、日志查询、系统配置、系统信息和系统功能子模块，所述主页子模块实现实时数据及曲线图的实时刷新和显示，其显示内容包括因子名称、监测时间、检测值、数值单位、下位机工作状态、物理接口类型、物理接口编号，所述数据查询子模块实现实时数据、分钟数据、小时数据和日数据的查询和显示，其显示内容包括因子名称、统计时间、统计时间段内因子的排放量、最大值、平均值和最小值，所述日志查询子模块实现系统运行日志和上位机远程控制日志的查询和显示，所述系统配置子模块包括网络配置、上位机设置、MN设置和下位机设置子功能；所述系统信息包括网络信息、本机信息和运行信息。其中网络信息包括但不限于无线通信网络信息、以太网信息以及中心地址在线情况；本机信息包括但不限于设备型号、设备出厂编号、硬件编号、软件版本号；运行信息包括但不限于电池电量信息、存储空间使用情况、开机时间、系统运行状态和软件运行状态。所述系统功能包括功能调试、程序升级、数据导出和系统还原；所述功能调试包括无线通信网络信号强度调试、串行数字量功能调试、模拟量输入功能调试、开关量输入功能调试、开关量输出功能调试和看门狗模块功能调试；所述无线通信网络信号强度调试通过无线通信模块用于执行AT指令的串行口下发查询指令，实时查询并刷新显示无线通信网络信号强度，用户可根据实际情况调整无线通信网络天线的摆放位置，以达到最佳的网络通信环境；所述串行数字量功能调试是一个串行口调试工具，针对每一路串行数字量接口，用户可以设置波特率、数据位、停止位和校验位，将输入的数据包发送至对端设备，并将对端设备回复的数据包显示出来，以便对串行数字量下位机的通信传输协议进行对接和调试；所述模拟量输入功能调试实时读取并刷新显示每一路模拟量输入接口的测量值，并可以对已配置和连接下位机的接口进行模拟量的校零和校满的操作；所述开关量输入功能调试实时读取并刷新显示每一路开关量输入接口的测量值，并根据配置的阈值进行开关状态的判断；所述开关量输出功能调试中用户可以对任意一路开关量输出接口下发开启或关闭操作指令，通过开关量输出接口的一组继电器，实现对下位机的开启或关闭操作；所述看门狗模块功能调试通过模拟其他软件模块与看门狗模块的交互流程，测试其模块复位及断电复位功能，以验证看门狗模块功能的完好性；所述程序升级通过USB存储介质，将其中存储的系统软件更新至数据采集传输仪中。其具有程序版本判断和程序合法性判断，支持降级升级；同时，用户通过无线通信网络或以太网远程进行程序升级，节约人力，提高运维效率；

所述数据导出将数据采集传输仪内部存储的数据导出至USB存储介质中，用户可以灵活选择导出数据的时间段，导出格式支持Excel或数据库。数据导出后，用户可以使用Excel查看软件或配套专用软件进行数据的查看、打印；所述系统还原将数据采集传输仪还原至出厂状态，清除并重置所有配置，清空数据库。

相对于现有技术，该技术方案的优点如下：1）该技术方案采用模块化的设计，各组件采用可靠且低成本的连接方式，便于用户日常使用及维护，同时易于故障诊断和维修，能够使用多种应用环境，增强了产品的适用性；2）采用触摸液晶屏，同时搭配了功能完备的人机界面软件，用户可以通过人机界面完成信息查看、数据查询、设备配置、调试诊断等多种功能。设备的安装及使用不依赖于外接电脑或手机无线访问，降低了设备使用复杂度，提高了产品的易用性；3）采用内置无线通信设计方案，无线通信板采用独立设计，接口采用MiniPCIe标准接口。通过特殊定制方式复用标准Mini PCIe接口，使得2G、3G、4G以及未来的5G等无线通信模块采用统一的接口，有效降低了由于无线通信网络升级而带来的硬件方案的重新设计，增强了产品的兼容性；4）用户接线端子采用免螺丝接线端子，接线方便快捷，同时能够增强对线缆及设备的绝缘保护，设备安装实现了免工具快速安装，方便用户安装及日常使用；5）该技术方案成本较低，便于大规模的推广应用。

附图说明

图1整体结构示意图；

图2整体结构详细模块示意图；

图3嵌入式软件总体结构图；

图4人机界面软件功能模块结构图；

图5采集模块软件流程图；

图6通讯模块软件流程图；

图7看门狗模块软件流程图；

图8无线通信板模块电路图；

图9免螺丝接线端子不同侧面结构示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式，进一步介绍本发明。

实施例1：参见图1-图3，一种环境监控或监测数据采集传输仪，所述数据采集传输仪包括主机单元1、供电单元2和接口单元3，所述主机单元1与接口单元3连接，为方便拆卸，接口处采用欧式插座连接；所述接口单元3将主机单元的采集接口引出至接线端子，供用户连接下位机使用；所述供电单元2与接口单元3连接，为方便拆卸，接口处采用插拔式接线端子连接。所述供电单元2通过接口单元3为主机单元提供工作所必须的电源。

所述主机单元1包括触摸显示模块11、核心板模块12、主板模块13和无线通信板模块14，所述触摸显示模块11与主板模块13通过电源电路和信号电路连接，接口处采用排线连接；所述核心板模块12与主板模块13通过电源电路和信号电路连接，接口处采用接插件或PCB直接焊接的方式连接，将核心板模块中的ARM处理器的所有接口引脚引出至主板模块以供使用，所述无线通信板模块14与主板模块13采用Mini PCIe接口连接

参见图2，所述触摸显示模块11包括触摸屏111、液晶屏112和液晶屏驱动板113，所述触摸屏111采用电阻式或电容式触摸屏，其覆盖在液晶屏之上，提供触摸点击功能，所述液晶屏112和液晶屏驱动板113连接，提供人机界面显示功能，所述触摸显示模块需要配合人机界面软件方可发挥作用。

参见图2，所述核心板模块12包括ARM处理器121、RAM内存122、存储器123和RTC124，所述RAM内存与ARM处理器连接，为处理器提供运行内存；所述存储器与ARM处理器连接，采用掉电非易失的Nand Flash、Nor Flash或eMMC中的一种或多种，提供操作系统、软件及用户数据的存储空间，所述RTC是ARM处理器内部集成的RTC或外挂RTC芯片，所述RTC与ARM处理器121连接。

参见图2，所述主板模块13包括电源电路131、信号电路132、看门狗电路133、采集MCU134、以太网芯片135、无线通信控制电路136、RTC备份电池137、采集接口138、通信接口139和数据接口13A，所述看门狗电路与电源电路、信号电路连接，当检测到核心板模块出现死机时，自动对核心板模块进行断电复位，所述采集MCU与电源电路、信号电路连接，其集成多路模拟量输入、开关量输入和开关量输出通道，实现模拟量输入、开关量输入的采集功能，以及开关量输出的控制功能，所述采集MCU通过串行口，实现数字量信号的采集，所述串行口是核心板模块中的ARM处理器内部集成的串行口，或者是通过I2C、SPI、USB等总线经扩展芯片所扩展出的串行口；所述采集接口通过电源电路、信号电路与接口单元中的串行数字量接口、模拟量输入接口、开关量输入接口和开关量输出接口连接，其将用于数据采集及控制的串行口、模拟量输入、开关量输入和开关量输出通道引出至接口单元供用户接线和使用；所述通信接口与电源电路、信号电路连接，其包括RJ45接口、SMA天线接口和SIM卡接口；所述数据接口与电源电路、信号电路连接，其包括SD卡接口、USB存储设备接口；所述RTC备份电池与电源电路连接，当主机单元外部供电中断时，继续为核心板模块中的RTC提供供电，所述以太网芯片与电源电路、信号电路连接，提供以太网访问功能；所述无线通信控制电路136与电源电路131、信号电路132连接，实现了对无线通信工作模式的切换控制。所述无线通信控制电路136通过一组跳线柱和跳线夹实现无线通信板模块14中的USB定义管脚的复用。当无线通信板模块为GSM（GPRS）通信板时，复用管脚实际定义为UART管脚；当无线通信板模块为CDMA 2000、EVDO、WCDMA、TDSCDMA、TDDLTE、FDDLTE时，复用管脚实际定义为标准Mini PCIe定义，即USB管脚；当未来通信网络升级至5G或5G+，此部分电路依然可以兼容Mini PCIe接口的通信模块。

所述RTC备份电池137与电源电路131连接，其为核心板模块12中的RTC 124提供外部供电中断后的持续供电。

所述采集接口138通过电源电路131、信号电路132与接口单元3中的串行数字量接口32、模拟量输入接口33、开关量输入接口34和开关量输出接口35连接。

所述通信接口139与电源电路131、信号电路132连接，其包括RJ45接口、SMA天线接口和SIM卡接口。

所述数据接口13A与电源电路131、信号电路132连接，包括SD卡接口、USB存储设备接口。参见图8，本方案针对现有技术中的问题设计了一个定制的基于Mini PCIe的2G无线通信板和一个无线通信控制电路。2G无线通信板通过复用标准的Mini PCIe管脚定义，将标准Mini PCIe中的USB_D+和USB_D-复用为一路UART串行口的RX和TX，将2G通信模块的两路串行口全部引出。同时，无线通信控制电路通过一个跳线切换器MUX，进行标准Mini PCIe复用管脚的切换，以实现2G、3G、4G无线通信模块使用同一种Mini PCIe接口都能满足正常工作的要求。

参见图2，所述供电单元2包括电源模块21和电池模块22，所述电源模块21采用开关电源，所述电池模块22采用铅酸蓄电池或锂离子电池，电源模块与电池模块采用在线式供电方式与接口单元连接，为主机单元3提供工作所需的供电，所述电源模块与电池模块连接，为电池模块进行充电。

参见图2，所述接口单元3包括电源接口31、串行数字量接口32、模拟量输入接口33、开关量输入接口34和开关量输出接口35，所述电源接口包括电源输入接口和电源输出接口，所述电路输入接口与供电单元连接，所述串行数字量接口32、模拟量输入接口33、开关量输入接口34采用插拔式接线端子，所述电源输出接口实现了对外部下位机或其他低功率设备供电，采用免螺丝接线端子，所述串行数字量接口、模拟量输入接口和开关量输入接口用于连接下位机，均采用免螺丝接线端子，所述开关量输出接口35包括继电器和接线端子，每一路开关量输出接口包括一组共两个继电器，一个用于开启操作，一个用于关闭操作，所述接线端子采用免螺丝接线端子，参见图9，所述免螺丝接线端子包括壳体A、插线孔B、弹簧片C、按压卡扣D和焊针E，壳体A采用PA66塑料，接线孔B位于按压卡扣D旁；弹簧片C采用金属材质，其形状为弧形，上端卡在按压卡扣C中，紧贴接线孔B将其覆盖，下端连接至焊针E，相邻端子的焊针错位排列。本方案中所述接口单元除电源输入接口之外全部采用免螺丝接线端子。其主体采用塑料件（通常采用PA66塑料），抗冲击性好，具备较高强度，绝缘性好。其外部设计了一个弹簧片按压卡扣和插线孔。其内部设计了一个弧形金属弹簧片，金属弹簧片上端紧紧覆盖住插线孔，下端连接至底部的焊针。通过按压弹簧片卡扣，使接线孔与弹簧片间产生空隙，导线由插线孔插入该空隙中，松开弹簧片卡扣后，借助弹簧片的弹力将导线卡在插线孔和弹簧片中，起到固定和导线连通的作用。所述免螺丝接线端子多个相邻的端子的焊针错位分布，以确保足够的间距，避免由于大电压或电流而导致击穿短路。所述免螺丝接线端子的优点在于安装及维护人员可实现免工具操作，同时每个接线端子内部绝缘，不会出现线路误短接的情况，提供易用性的同时也增强了安全性。

参见图3，所述数据采集传输仪内设置有一套嵌入式软件，实现了人机交互、下位机数据采集分析和统计和上位机数据传输及远程控制，用户通过嵌入式软件完成设备的安装、配置和使用，所述嵌入式软件包括操作系统和系统软件，其中所述操作系统负责硬件的驱动、运行和控制，为硬件提供运行环境，所述系统软件运行于操作系统中，操作系统为其提供运行环境；所述操作系统包括系统内核Kernel、设备驱动程序、网络通信协议栈、图形环境运行库和文件系统rootfs，所述系统内核Kernel、设备驱动程序、网络通信协议栈、图形环境运行库和文件系统rootfs安装于主机单元中核心板模块的存储器（Nand Flash或eMMC）中，其共同为硬件设备/接口提供运行环境，同时为上层系统软件及应用软件提供软件接口，

所述图形环境运行库采用X Window或FrameBuffer底层图形库配合Qt、GTK+或wxWidgets图形用户界面运行库的方案，所述系统软件包括人机界面模块、采集模块、通讯模块、看门狗模块和数据库系统，所述人机界面模块、采集模块和通讯模块从数据库系统中读取和写入数据，所述人机界面模块、采集模块和通讯模块按照规定的周期与看门狗模块进行交互，当看门狗模块检测到上述采集模块、人机界面模块和通讯模块中的一个或多个模块在一定时间内未进行交互，则复位该模块，使其恢复工作，若多次复位模块仍然无法使其正常工作，看门狗模块则断电复位数据采集传输仪，以确保各项功能能够连续正常工作，所述人机界面模块、采集模块和通讯模块之间通过共享内存、消息队列的方式进行数据共享和指令传递。

参见图4，所述人机界面模块采用图形用户开发库Qt、GTK+或wxWidgets开发，其包括主页、数据查询、日志查询、系统配置、系统信息和系统功能子模块，所述主页子模块实现实时数据及曲线图的实时刷新和显示，其显示内容包括因子名称、监测时间、检测值、数值单位、下位机工作状态、物理接口类型、物理接口编号，所述数据查询子模块实现实时数据、分钟数据、小时数据和日数据的查询和显示，其显示内容包括因子名称、统计时间、统计时间段内因子的排放量、最大值、平均值和最小值，所述日志查询子模块实现系统运行日志和上位机远程控制日志的查询和显示，所述系统配置子模块包括网络配置、上位机设置、MN设置和下位机设置子功能；所述网络配置包括通讯方式配置、中心地址配置和本机以太网配置。所述通讯方式配置支持无线通信网方式、以太网方式和无线通信网及以太网同时工作三种模式。所述中心地址配置支持4路以上上位机通信地址配置，每一路中心地址包括中心地址IP或域名、通信端口。所述本机以太网配置用于设置本机以太网通信的IP地址、子网掩码、网关和DNS。所述上位机设置用于设置与上位机通信传输有关的参数，其包括但不限于《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》（HJ/T 212-2005）中涉及的与通信传输有关的参数。其涉及的参数包括但不限于：系统编码（ST）、实时数据上报间隔、分钟数据上报间隔、传输超时时间、传输重发次数、采集周期、污染处理设施启用开关、实时数据发送启用开关、分钟数据发送启用开关、小时数据发送启用开关、日数据发送启用开关、自动补传功能启用开关、网络校时启用开关、心跳包间隔、流量表头示数代码。所述上位机设置为满足不同用户的定制化需求，可选择不同的上位机通信协议格式，以兼容不同的上位机传输协议，适用性更广泛。所述MN设置中的MN为污染源自动监控系统中，对某一个排放口所设定的全国唯一编号。本方案中的嵌入式软件支持一台数据采集传输仪同时支持多个MN的功能，可将一台真实的数据采集传输仪虚拟为若干个符合《污染源在线自动监控（监测）系统数据传输标准》（HJ/T 212-2005）的虚拟数据采集传输仪，在一定的使用场合下可以节约用户建设和投资成本。所述下位机设置按照物理接口的不同划分为串行数字量、模拟量输入和开关量输入三类。其中串行数字量支持RS-232及RS-485两种接口，模拟量输入和开关量输入支持4~20mA、0~20mA和0~5V三种方式。串行数字量的下位机需要根据下位机的通信协议进行二次开发，通常情况下，通过不断的积累，软件可内置多种数字量下位机的通信协议可供用户选择使用。所述下位机设置需要与MN设置中的MN编号相对应，也就是说每一个下位机必须有一个对应的MN编号。所述系统信息包括网络信息、本机信息和运行信息。其中网络信息包括但不限于无线通信网络信息、以太网信息以及中心地址在线情况；本机信息包括但不限于设备型号、设备出厂编号、硬件编号、软件版本号；运行信息包括但不限于电池电量信息、存储空间使用情况、开机时间、系统运行状态和软件运行状态。所述系统功能包括功能调试、程序升级、数据导出和系统还原；所述功能调试包括无线通信网络信号强度调试、串行数字量功能调试、模拟量输入功能调试、开关量输入功能调试、开关量输出功能调试和看门狗模块功能调试；所述无线通信网络信号强度调试通过无线通信模块用于执行AT指令的串行口下发查询指令，实时查询并刷新显示无线通信网络信号强度，用户可根据实际情况调整无线通信网络天线的摆放位置，以达到最佳的网络通信环境；所述串行数字量功能调试是一个串行口调试工具，针对每一路串行数字量接口，用户可以设置波特率、数据位、停止位和校验位，将输入的数据包发送至对端设备，并将对端设备回复的数据包显示出来，以便对串行数字量下位机的通信传输协议进行对接和调试；所述模拟量输入功能调试实时读取并刷新显示每一路模拟量输入接口的测量值，并可以对已配置和连接下位机的接口进行模拟量的校零和校满的操作；所述开关量输入功能调试实时读取并刷新显示每一路开关量输入接口的测量值，并根据配置的阈值进行开关状态的判断；所述开关量输出功能调试中用户可以对任意一路开关量输出接口下发开启或关闭操作指令，通过开关量输出接口的一组继电器，实现对下位机的开启或关闭操作；所述看门狗模块功能调试通过模拟其他软件模块与看门狗模块的交互流程，测试其模块复位及断电复位功能，以验证看门狗模块功能的完好性；所述程序升级通过USB存储介质，将其中存储的系统软件更新至数据采集传输仪中。其具有程序版本判断和程序合法性判断，支持降级升级；同时，用户通过无线通信网络或以太网远程进行程序升级，节约人力，提高运维效率；

所述数据导出将数据采集传输仪内部存储的数据导出至USB存储介质中，用户可以灵活选择导出数据的时间段，导出格式支持Excel或数据库。数据导出后，用户可以使用Excel查看软件或配套专用软件进行数据的查看、打印；所述系统还原将数据采集传输仪还原至出厂状态，清除并重置所有配置，清空数据库。所述采集模块通过串行数字量接口、模拟量输入接口和开关量输入接口采集下位机实时监测数据，并通过合法的计算后将其存储于数据库中。数据采集过程可以是逐个接口采集，也可以是多个接口同时采集。

参见图5，所述采集模块通过不断采集下位机实时监测数据，按照一定的统计周期统计分钟、小时和日数据。同时其接收并执行来自通讯模块的远程控制指令，执行完成后将执行结果发送至通讯模块。

所述采集模块软件工作流程如下：

（1）软件启动时首先进行初始化，设定软件参数、加载配置文件，完成后进入下一流程。

（2）检查远程指令队列中是否存在未处理的指令，如存在则执行指令，指令执行完成后将执行结果发送至通讯模块，然后进入下一流程；如不存在未执行的指令，直接进入下一流程。

（3）检查是否到达数据采集周期，如已到达则通过采集串行数字量接口、模拟量输入接口和开关量输入接口进行数据的采集，数据采集完成后进行数据的计算和存储，进入下一流程；如未到达数据采集周期，直接进入下一流程。

（4）检查是否到达分钟数据计算周期，如已到达则进行分钟数据的计算，计算完成后存储计算结果，进入下一流程；如未到达分钟数据计算周期，直接进入下一流程。

（5）检查是否到达小时数据计算周期，如已到达则进行小时数据的计算，计算完成后存储计算结果，进入下一流程；如未到达小时数据计算周期，直接进入下一流程。

（6）检查是否到达日数据计算周期，如已到达则进行日数据的计算，计算完成后存储计算结果，进入下一流程；如未到达日数据计算周期，直接进入下一流程。

（7）检查是否收到软件退出指令，如收到则结束运行，退出软件；如未收到退出指令，返回流程（2）继续执行。

参见图6，所述通讯模块通过读取数据库系统中存储的各类监测数据，经过上位机协议封装后将数据包由无线通信网或以太网发送至远程数据中心。同时所述通讯模块接收来自远程数据中心的控制指令，通过执行或转发执行的方式处理控制指令，并将执行结果发送至远程数据中心。

所述通讯模块软件工作流程如下：

（1）软件启动时首先进行初始化，设定软件参数、加载配置文件，完成后进入下一流程。

（2）检查指令执行结果队列中是否存在未发送的执行结果，如存在则发送指令执行结果至远程服务器；如不存在未发送的执行结果，直接进入下一流程。

（3）检查远程指令队列中是否存在未处理的指令，如存在则未处理的指令，首先判断该指令是否通讯模块可执行的指令，如该指令是通讯模块可执行的指令，则执行指令，执行完成后发送指令执行结果至远程服务器，然后进入下一流程；如该指令不是通讯模块可执行指令，则将该指令转发至其他模块，由其他模块执行，转发完成后进入下一流程。

（4）检查是否存在待发送实时数据，如存在则提取数据、协议封装后发送至远程服务器，发送完成后进入下一流程；如不存在待发送实时数据，直接进入下一流程。

（5）检查是否存在待发送分钟数据，如存在则提取数据、协议封装后发送至远程服务器，发送完成后进入下一流程；如不存在待发送分钟数据，直接进入下一流程。

（6）检查是否存在待发送小时数据，如存在则提取数据、协议封装后发送至远程服务器，发送完成后进入下一流程；如不存在待发送小时数据，直接进入下一流程。

（7）检查是否存在待发送日数据，如存在则提取数据、协议封装后发送至远程服务器，发送完成后进入下一流程；如不存在待发送日数据，直接进入下一流程。

（8）检查是否收到软件退出指令，如收到则结束运行，退出软件；如未收到退出指令，返回流程（2）继续执行。

参见图7，所述看门狗模块通过不断的检测人机界面模块、采集模块和通讯模块的是否按照规定的周期与其进行交互。当人机界面模块、采集模块和通讯模块中的一个或多个模块在一定时间内未与看门狗模块进行交互，则复位该模块；当多次复位模块仍然无法正常工作时，看门狗模块通过断电复位的方式进行设备整机的软硬件复位。

所述看门狗模块软件工作流程如下：

（1）软件启动时首先进行初始化，设定软件参数、清零计数器，完成后进入下一流程。

（2）检查人机界面软件交互在规定时间内是否正常，若不正常则检查连续复位计数器是否超过上限，若计数器超过上限则断电重启设备，否则复位人机界面软件，同时使计数器加一；若人机界面软件交互正常，直接进入下一流程。

（3）检查采集模块软件交互在规定时间内是否正常，若不正常则检查连续复位计数器是否超过上限，若计数器超过上限则断电重启设备，否则复位采集模块软件，同时使计数器加一；若采集模块软件交互正常，直接进入下一流程。

（4）检查通讯模块软件交互在规定时间内是否正常，若不正常则检查连续复位计数器是否超过上限，若计数器超过上限则断电重启设备，否则复位通讯模块软件，同时使计数器加一；若通讯模块软件交互正常，直接进入下一流程。

（5）检查是否收到软件退出指令，如收到则结束运行，退出软件；如未收到退出指令，返回流程（2）继续执行。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (9)

1.一种环境监控或监测数据采集传输仪，其特征在于，所述数据采集传输仪包括主机单元、供电单元和接口单元，所述主机单元与接口单元连接；所述接口单元将主机单元的采集接口引出至接线端子，供用户连接下位机使用；所述供电单元与接口单元连接，所述供电单元通过接口单元为主机单元提供工作所必须的电源。

2.根据权利要求1所述的环境监控或监测数据采集传输仪，其特征在于，所述主机单元包括触摸显示模块、核心板模块、主板模块和无线通信板模块，所述触摸显示模块与主板模块通过电源电路和信号电路连接，接口处采用排线连接；所述核心板模块与主板模块通过电源电路和信号电路连接，接口处采用接插件或PCB直接焊接的方式连接，将核心板模块中的ARM处理器的所有接口引脚引出至主板模块以供使用。

3.根据权利要求2所述的环境监控或监测数据采集传输仪，其特征在于，所述触摸显示模块包括触摸屏、液晶屏和液晶屏驱动板，所述触摸屏采用电阻式或电容式触摸屏，其覆盖在液晶屏之上，提供触摸点击功能，所述液晶屏和液晶屏驱动板连接，提供人机界面显示功能，

所述触摸显示模块需要配合人机界面软件方可发挥作用。

4.根据权利要求2所述的环境监控或监测数据采集传输仪，其特征在于，所述核心板模块包括ARM处理器、RAM内存、存储器和RTC，所述RAM内存与ARM处理器连接，为处理器提供运行内存；所述存储器与ARM处理器连接，采用掉电非易失的Nand Flash、Nor Flash或eMMC中的一种或多种，提供操作系统、软件及用户数据的存储空间，

所述RTC是ARM处理器内部集成的RTC或外挂RTC芯片。

5.根据权利要求2所述的环境监控或监测数据采集传输仪，其特征在于，所述主板模块包括电源电路、信号电路、看门狗电路、采集MCU、以太网芯片、无线通信控制电路、RTC备份电池、采集接口、通信接口和数据接口，所述看门狗电路与电源电路、信号电路连接，当检测到核心板模块出现死机时，自动对核心板模块进行断电复位，所述采集MCU与电源电路、信号电路连接，其集成多路模拟量输入、开关量输入和开关量输出通道，实现模拟量输入、开关量输入的采集功能，以及开关量输出的控制功能，所述采集MCU通过串行口，实现数字量信号的采集，所述串行口是核心板模块中的ARM处理器内部集成的串行口，或者是通过I2C、SPI、USB等总线经扩展芯片所扩展出的串行口；所述采集接口通过电源电路、信号电路与接口单元中的串行数字量接口、模拟量输入接口、开关量输入接口和开关量输出接口连接，其将用于数据采集及控制的串行口、模拟量输入、开关量输入和开关量输出通道引出至接口单元供用户接线和使用；所述通信接口与电源电路、信号电路连接，其包括RJ45接口、SMA天线接口和SIM卡接口；所述数据接口与电源电路、信号电路连接，其包括SD卡接口、USB存储设备接口；所述RTC备份电池与电源电路连接，当主机单元外部供电中断时，继续为核心板模块中的RTC提供供电，所述以太网芯片与电源电路、信号电路连接，提供以太网访问功能；所述无线通信控制电路与电源电路、信号电路连接，实现了对无线通信工作模式的切换控制。

6.根据权利要求1所述的环境监控或监测数据采集传输仪，其特征在于，所述供电单元包括电源模块和电池模块，所述电源模块采用开关电源，所述电池模块采用铅酸蓄电池或锂离子电池，电源模块与电池模块采用在线式供电方式与接口单元连接，为主机单元提供工作所需的供电，所述电源模块与电池模块连接，为电池模块进行充电。

7.根据权利要求1所述的环境监控或监测数据采集传输仪，其特征在于，所述接口单元包括电源接口、串行数字量接口、模拟量输入接口、开关量输入接口和开关量输出接口，所述电源接口包括电源输入接口和电源输出接口，所述电路输入接口与供电单元连接，采用插拔式接线端子，所述电源输出接口实现了对外部下位机或其他低功率设备供电，采用免螺丝接线端子，所述串行数字量接口、模拟量输入接口和开关量输入接口用于连接下位机，均采用免螺丝接线端子，所述开关量输出接口包括继电器和接线端子，每一路开关量输出接口包括一组共两个继电器，一个用于开启操作，一个用于关闭操作，所述接线端子采用免螺丝接线端子，所述免螺丝接线端子包括壳体、插线孔、弹簧片、按压卡扣和焊针，壳体采用PA66塑料，接线孔位于按压卡扣旁；弹簧片采用金属材质，其形状为弧形，上端卡在按压卡扣中，紧贴接线孔将其覆盖，下端连接至焊针，相邻端子的焊针错位排列。

8.根据权利要求3所述的环境监控或监测数据采集传输仪，其特征在于，所述数据采集传输仪内设置有一套嵌入式软件，实现了人机交互、下位机数据采集分析、统计和上位机数据传输及远程控制，用户通过嵌入式软件完成设备的安装、配置和使用，所述嵌入式软件包括操作系统和系统软件，其中所述操作系统负责硬件的驱动、运行和控制，为硬件提供运行环境，所述系统软件运行于操作系统中，操作系统为其提供运行环境；

所述操作系统包括系统内核Kernel、设备驱动程序、网络通信协议栈、图形环境运行库和文件系统rootfs，

所述系统内核Kernel、设备驱动程序、网络通信协议栈、图形环境运行库和文件系统rootfs安装于主机单元中核心板模块的存储器（Nand Flash或eMMC）中，其共同为硬件设备/接口提供运行环境，同时为上层系统软件及应用软件提供软件接口，

所述图形环境运行库采用X Window或FrameBuffer底层图形库配合Qt、GTK+或wxWidgets图形用户界面运行库的方案，

所述系统软件包括人机界面模块、采集模块、通讯模块、看门狗模块和数据库系统，

所述人机界面模块、采集模块和通讯模块与数据库系统交互，进行数据的读取和写入，

所述人机界面模块、采集模块和通讯模块按照规定的周期与看门狗模块进行交互，当看门狗模块检测到上述采集模块、人机界面模块和通讯模块中的一个或多个模块在一定时间内未进行交互，则复位该模块，使其恢复工作，若多次复位模块仍然无法使其正常工作，看门狗模块则断电复位数据采集传输仪，以确保各项功能能够连续正常工作，

所述人机界面模块、采集模块和通讯模块之间通过共享内存、消息队列的方式进行数据共享和指令传递。

9.根据权利要求8所述的环境监控或监测数据采集传输仪，其特征在于，所述人机界面模块采用图形用户开发库Qt、GTK+或wxWidgets开发，其包括主页、数据查询、日志查询、系统配置、系统信息和系统功能子模块，

所述主页子模块实现实时数据及曲线图的实时刷新和显示，其显示内容包括因子名称、监测时间、检测值、数值单位、下位机工作状态、物理接口类型、物理接口编号，

所述数据查询子模块实现实时数据、分钟数据、小时数据和日数据的查询和显示，其显示内容包括因子名称、统计时间、统计时间段内因子的排放量、最大值、平均值和最小值，

所述日志查询子模块实现系统运行日志和上位机远程控制日志的查询和显示，

所述系统配置子模块包括网络配置、上位机设置、MN设置和下位机设置子功能；

所述系统信息包括网络信息、本机信息和运行信息，其中网络信息包括无线通信网络信息、以太网信息以及中心地址在线情况；本机信息包括设备型号、设备出厂编号、硬件编号、软件版本号；运行信息包括电池电量信息、存储空间使用情况、开机时间、系统运行状态和软件运行状态；

所述系统功能包括功能调试、程序升级、数据导出和系统还原；

所述功能调试包括无线通信网络信号强度调试、串行数字量功能调试、模拟量输入功能调试、开关量输入功能调试、开关量输出功能调试和看门狗模块功能调试；

所述无线通信网络信号强度调试通过无线通信模块用于执行AT指令的串行口下发查询指令，实时查询并刷新显示无线通信网络信号强度，用户可根据实际情况调整无线通信网络天线的摆放位置，以达到最佳的网络通信环境；

所述串行数字量功能调试是一个串行口调试工具，针对每一路串行数字量接口，用户可以设置波特率、数据位、停止位和校验位，将输入的数据包发送至对端设备，并将对端设备回复的数据包显示出来，以便对串行数字量下位机的通信传输协议进行对接和调试；

所述模拟量输入功能调试实时读取并刷新显示每一路模拟量输入接口的测量值，并可以对已配置和连接下位机的接口进行模拟量的校零和校满的操作；

所述开关量输入功能调试实时读取并刷新显示每一路开关量输入接口的测量值，并根据配置的阈值进行开关状态的判断；

所述开关量输出功能调试中用户可以对任意一路开关量输出接口下发开启或关闭操作指令，通过开关量输出接口的一组继电器，实现对下位机的开启或关闭操作；

所述看门狗模块功能调试通过模拟其他软件模块与看门狗模块的交互流程，测试其模块复位及断电复位功能，以验证看门狗模块功能的完好性；

所述程序升级通过USB存储介质，将其中存储的系统软件更新至数据采集传输仪中，其具有程序版本判断和程序合法性判断，支持降级升级；同时，用户通过无线通信网络或以太网远程进行程序升级，节约人力，提高运维效率；

所述数据导出将数据采集传输仪内部存储的数据导出至USB存储介质中，用户选择导出数据的时间段，导出格式支持Excel或数据库，数据导出后，用户可以使用Excel查看软件或配套专用软件进行数据的查看、打印；

所述系统还原将数据采集传输仪还原至出厂状态，清除并重置所有配置，清空数据库。