CN107831687A - 一种气象检测机器人控制系统 - Google Patents

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庄哲明
刘佳伟
张皓
黄睿扬
王星
吴美莲
王建荣
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Tianjin University
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Tianjin University
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    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
    • G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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Abstract

本发明公开了一种气象检测机器人控制系统，本系统涉及传感器技术、单片机、树莓派嵌入式Linux系统、串口通信、基于python的数据处理。传感器采集气象信号，以电信号的形式反馈到单片机，单片机对电信号做初级处理，将信号整合后通过无线串口发送到树莓派，树莓派接收信号并储存时间及对应气象信息。用户可通过APP用蓝牙发送指令，获取当前气象信息，远程监控气象传感器设置处的状态。树莓派可从储存中加载过往气象信息，并据此作出简单预测。

Description

一种气象检测机器人控制系统
技术领域
本发明属于物联网领域，尤其是一种气象检测机器人控制系统。
背景技术
传统的小型气象站广泛应用于气象、农业，检测气象变化对农作物的影响，科学管理农田种植，小型气象站是农业局、中科院、土肥站、高等院校专用的设备，适合标准良田、节水灌溉项目等。采集气象要素并通过配套的数据采集通讯线与计算机进行连接，将数据传输到气象计算机气象数据库中，用于统计分析和处理。这类专用的小型气象站往往价格不菲，而且数据处理必须使用计算机，配套的专业软件授权费用也较高，整体方案的成本相当高。另外还有一些小型气象站提供基本的气象数据采集和显示功能，提供给有一定需求的个人用户，但只有基本的功能，无法进行气象数据的分析。而且在检测发生位置的气象数据，来源于气象站所在地的气象数据，这容易造成偏差，如：某气象站周围若有洒水，可能造成测量湿度高于实际湿度，测量温度低于实际温度等情况。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种气象检测机器人控制系统。本系统涉及传感器技术、单片机、树莓派嵌入式Linux系统、串口通信、基于python的数据处理。传感器采集气象信号，以电信号的形式反馈到单片机，单片机对电信号做初级处理，将信号整合后通过无线串口发送到树莓派，树莓派接收信号并储存时间及对应气象信息。用户可通过APP用蓝牙发送指令，获取当前气象信息，远程监控气象传感器设置处的状态。树莓派可从储存中加载过往气象信息，并据此作出简单预测。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种气象检测机器人控制系统，包括一个数据处理节点和至少一个数据采集节点，数据采集节点通过无线与数据处理节点相连；其中数据采集节点包括Arduino电路板及均与Arduino电路板相连的温湿度模块、空气质量模块、气压海拔模块、光照模块、土壤湿度模块、雨量模块和无线串口模块，所述数据处理节点为树莓派单元。
进一步的，所述温湿度模块测试环境的温湿度，并输出数据给单片机，所述温湿度模块的型号为DHT22。
进一步的，所述温湿度模块和树莓派单元之间采取单总线数据格式进行通信。
进一步的，所述气压海拔模块测试环境的气压海拔，并输出数据给单片机，所述气压海拔模块的型号为MPL31152，与单片机之间采用I2C总线进行通信。
进一步的，所述光照模块采用的是GL5516光敏电阻。
进一步的，所述空气质量模块由对空气质量敏感的电阻元件等组成，检测环境的空气质量并通过函数计算对环境质量给出评价系数，并输出数据给单片机，所述空气质量模块的型号为MQ-135。
进一步的，所述土壤湿度模块测试环境的土壤湿度，并输出数据给单片机，所述土壤湿度模块的型号YL-69。
进一步的，所述雨量模块测试环境的雨量，并输出雨量数据给单片机，所述雨量模块的型号为MH-DR。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本系统相对于传统气象采集的基站式，更方便，更实时，更准确以及实现远程监控。
2、由于其体积小、易携带，方便装载到无人机、机器人等移动平台进行气象勘探与气象站的安装。
3、根据气象变化的规律性和连续性，提出数据预测数据的数据处理模型。
4、用途包括：室内环境监测(尤指博物馆等对环境条件要求严格处)、农业大鹏养殖、野外气象勘探，家用气象站等。
附图说明
图1为本发明中各模块的连接原理示意图。
图2为本发明中数据采集节点的组成，其中接线图只有数据接口，未标注GND/VCC。
图3为本发明中数据处理节点的通信示意图。
图4为GL5516光敏电阻的光照电阻特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：
以下实施例中，所使用的系统模块及各传感器如下所述：
树莓派3b:是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有4个USB接口和一个10/100以太网接口，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC的基本功能。其系统基于Linux。
Arduino uno R3：是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)。由一个欧洲开发团队于2005年冬季开发。它构建于开放原始码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。主要包含两个主要的部分：硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板；另外一个则是Arduino IDE，计算机中的程序开发环境。
传感器：
温湿度DHT22/AM2302数字温湿度模块
空气质量MQ-135空气质量检测模块
气压海拔MPL3115A2气压传感器
光照强度GL5516光敏电阻
土壤湿度YL-69土壤湿度模块
降雨MH-RD雨量模块
AS32-TTL-100无线串口模块
实施例：
(1)传感器数据采集和电信号到实际信号的转换
A.温湿度传感器，DHT22为常用温湿度检测模块，其与单片机之间的通讯采取单总线数据格式；
具体格式说明如下:
此状态下数据传输为40bit,高位先出，数据格式为40bit。
则可得数据＝16bit湿度数据+16bit温度数据+8bit校验和
B.气压海拔传感器，同上MPL31152为常用气压海拔传感器，与单片机之间采用I2C总线进行通信。
C.光照强度：
采用的是GL5516光敏电阻，光照电阻特性曲线如图4所示。
D.空气质量传感器，由对空气质量敏感的电阻元件等组成，根据电路特征，可求得传感器特性导出函数为
函数说明：
pin为模拟信号所读取的值，大小介于0～1023，t为此时气温，h为此时湿度。
350ppm：健康，正常的户外水平
450ppm：可接受水平
600ppm：不自然，有异味
1000ppm：令人头晕
2500ppm：不利健康
E.土壤湿度：YL-69的极板间的阻值与水分含量成线性关系，暴露在空气中(或者拔掉传感器测量单元)测得湿度为0时的电平为：672，放入纯水中测得湿度为100时电平为：280，做出关系曲线，导出土壤湿度对应电平的转换方程为：
Wet＝-0.2551*_data_test+100
F.降雨：MH-DR传感器原理同上，计算得转换公式：
Wet＝-0.1976*_data_test+100.0
(2)数据传输及存储
数据传输采用泽耀公司433Mhz无线串口，减少传输中的信号损耗的同时，可以达到无障碍传输3000km的效果，可实现远距离监测。
树莓派接收程序思路(基于python)：判断是否已建立文件管理系统(数据储存文件夹及子文件夹)，若否，则建立。判断无线串口是否打开，若否，则打开串口。接收来自串口的数据(arduino每1s发送一次)，进行次级处理(arduino转换一部分电信号并加入分隔符初始符结束符合并为一条字符串，称为初级处理。此处将整条字符串信号切割，转换类型为浮点型，并将所有信号转换为实际信号，返回一个包含所有气象浮点型数据的数组并添加时间标识，称次级处理)，将每天的24小时分为n份(n取决于设定储存采样计数)，时间标识即当前时间点在一天中占的份数，日期标识将以文件名的形式标识。接收蓝牙串口指令，判断是否有调用需求，若有则根据通信协议通过蓝牙发送当前气象信息，由app进行解码。查看程序循环计数，若达到60，即计时达到60s，运行数据存储，同时循环计数归零。
树莓派储存程序思路：判断文件系统中最新的一个文件末数据时间标识是否达到一天数据总量的最大值，若是，则新建一天的数据文件，向最新文件中写入数据，格式为：时间标识+跳格+数据+换行符。
数据预测：研究数据变化曲线的变化趋势。
气象数据的变化具有规律性和连续性，如每天的温度曲线应该是近似的一条上凸曲线，而数天内同一时刻的温度变化反应该阶段的温度变化趋势，则：通过python提供的numpy的库，可以拟合得到每天的多项式拟合数据曲线及其系数矩阵，由上述的规律，我们认为其系数矩阵的变化在相同阶数的拟合当中是有规律的，对每个系数再拟合，做出近期的数据曲线变化趋势拟合矩阵，得出下一天的预测系数。但是这种方法预测得到的必然存在误差，这里我们加入一个惩罚系数来缩小这个预测的误差。首先考虑误差产生的原因，一个数据的变化受其他数据的影响，因此惩罚系数必然与其他气象数据有关，具体的关系理论推导比较复杂，因此直接构建简单浅层神经网络，为湿度、气压、光照、空气质量赋一定权值，惩罚系数为对这些权值和数据乘积的求和，并不断通过新数据的纠正调节权值，得到惩罚系数。
这种数据预测的方式就像是：我们在生活中，发现最近几天气温越来越高，那么我们认为明天气温依旧会上升，这就是初始由数据拟合得到的基准数据。但是我们发现今天天气又湿又闷，明天就有可能会下雨，或者其他原因，那明天的温度可能并不像我们预测的那般上升或者上升没有那么多，我们对明天温度的预期就会降低，这就相当于惩罚系数。
以上所述个流程详见附图3所示。
以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (8)

1.一种气象检测机器人控制系统，其特征在于：包括一个数据处理节点和至少一个数据采集节点，数据采集节点通过无线与数据处理节点相连；其中数据采集节点包括Arduino电路板及均与Arduino电路板相连的温湿度模块、空气质量模块、气压海拔模块、光照模块、土壤湿度模块、雨量模块和无线串口模块，所述数据处理节点为树莓派单元。
2.根据权利要求1所述的一种气象检测机器人控制系统，其特征在于：所述温湿度模块测试环境的温湿度，并输出数据给单片机，所述温湿度模块的型号为DHT22。
3.根据权利要求1所述的一种气象检测机器人控制系统，其特征在于：所述温湿度模块和树莓派单元之间采取单总线数据格式进行通信。
4.根据权利要求1所述的一种气象检测机器人控制系统，其特征在于：所述气压海拔模块测试环境的气压海拔，并输出数据给单片机，所述气压海拔模块的型号为MPL31152，与单片机之间采用I2C总线进行通信。
5.根据权利要求1所述的一种气象检测机器人控制系统，其特征在于：所述光照模块采用的是GL5516光敏电阻。
6.根据权利要求1所述的一种气象检测机器人控制系统，其特征在于：所述空气质量模块由对空气质量敏感的电阻元件等组成，检测环境的空气质量并通过函数计算对环境质量给出评价系数，并输出数据给单片机，所述空气质量模块的型号为MQ-135。
7.根据权利要求1所述的一种气象检测机器人控制系统，其特征在于：所述土壤湿度模块测试环境的土壤湿度，并输出数据给单片机，所述土壤湿度模块的型号YL-69。
8.根据权利要求1所述的一种气象检测机器人控制系统，其特征在于：所述雨量模块测试环境的雨量，并输出雨量数据给单片机，所述雨量模块的型号为MH-DR。
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