CN107896120A - 一种环境信息自动监测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种环境信息自动监测方法及系统。其中，该系统至少包括：所述系统至少包括：构成可视化网络布局的多个终端节点、PLC载波模块、网关模块、无线传输模块、服务器设备。通过本发明，环境信息自动监测系统中的终端节点能够实现自适应可视化网络布局，布局均匀，线路清晰，交叉点少，效果良好，从而提高了系统灵活性；本发明采用电力载波无主通信方式，有效解决主从通信架构的实时性问题。

Description

一种环境信息自动监测方法及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种环境信息自动监测方法及系统。
背景技术
在实际应用中，人们对各种环境信息进行监控，例如气象信息监测、家居生活中的空气品质监测、水质监测、工业生产线运行情况自动监测等，这些监测的应用极大提升了感知环境信息的便利性和实时性。但上述监测手段有的是单点实现，有的虽然是多点分布但终端节点分布不合理，导致监测的数据不够准确，无法同时对上述所有功能实现智能集中式的监测。
例如，针对环境温湿度的监测，现有技术手段是将温湿度传感器采集的数据通过有线方式连接至上位机，上位机处理后传输至传输设备，传输设备再将监测到的信息发送到服务器等应用设备，或者每个终端节点接一个GPRS模块才能把数据送到服务器连入网络。
这些监测应用虽然技术成熟、设备廉价，但如果监测点比较多且分布范围比较广，监测数据的传输则大多采用有线传输(比如RS-485总线等)，这种主从式结构很难保证系统实时性。另外，整个系统扩展性比较差，系统涉及布线、安装等，不便于分布式的灵活部署。特别是对于监测内容多变(例如传感器类型不同)、监测地点随机不固定的情况，灵活性非常差，阻碍了环境信息监测的应用广度。
因此，现有的环境信息系统的监测手段主要存在以下问题：
(1)现有环境信息系统中灵活性差、实时性差，系统涉及布线、安装时系统不够灵活；
(2)现有环境信息系统中传感器类型多变，导致整个系统复杂，兼容性比较差。
针对现有技术中环境信息监测的灵活性差、传感器类型多变的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例中提供一种环境信息自动监测方法及系统，以解决现有技术中环境信息监测的灵活性差、传感器类型多变的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种环境信息自动监测系统，其中，该系统至少包括：构成可视化网络布局的多个终端节点、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)载波模块、网关模块、无线传输模块、服务器设备；其中，所述终端节点，用于采集环境数据，并基于电力线载波通讯方式通过所述PLC载波模块将所述环境数据发送给所述网关模块；其中，一个所述终端节点对应连接一个所述PLC载波模块；所述网关模块，用于对所述环境数据进行汇总打包处理后，通过所述无线传输模块将处理后的数据转发给所述服务器设备；所述服务器设备，用于针对接收到的数据执行显示、分析、预警操作。
进一步地，所述终端节点采用32位ARM芯片，片上接口至少包括以下之一：电源适配器接口、LoRA射频接口、通信接口、电源输出和GND(电线接地)接口、传感器接口；其中，所述电源适配器接口用于所述终端节点的预设距离内供电；所述LoRA射频接口用于无线收发数据；所述通信接口用于有线收发数据；所述电源输出和GND接口用于给传感器供电；所述传感器接口用于连接传感器；其中，所述终端节点通过所述传感器采集所述环境数据。
进一步地，所述传感器至少包括以下之一：温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器、CO2浓度传感器。
进一步地，所述PLC载波模块，通过RS-485通讯接口与所述终端节点一一对应连接。
进一步地，所述网关模块，采用通用数字控制器GDC1000，片上接RS-485通讯接口用以接收所述环境数据；所述网关模块对所述环境数据中的电压电流值进行汇总打包处理，解析为环境信息数据，并通过所述无线传输模块输出所述环境信息数据；所述无线传输模块是LoRA射频模块，包括发送端口和接收端口，所述接收端口将接收到的所述环境信息数据输送至所述服务器设备。
本发明还提供了一种环境信息自动监测方法，应用于上述的环境信息自动监测系统，其中，该方法包括：终端节点通过传感器采集环境数据，并基于电力线载波通讯方式通过所述PLC载波模块将所述环境数据发送给网关模块；其中，多个终端节点通过电力线连接，构成可视化网络；所述网关模块对所述环境数据进行汇总打包处理后，通过所述无线传输模块将处理后的数据转发给所述服务器设备；所述服务器设备针对接收到的数据执行显示、分析、预警操作。
进一步地，终端节点通过传感器采集环境数据，包括：所述终端节点接收到参数配置命令后，判断所述参数配置命令是传感器配置命令还是低功耗配置命令；如果是传感器配置命令，则接收传感器地址和类型编码，将所述传感器地址和所述类型编码写入到寄存器；之后，判断传感器是否打开，如果打开，则读取传感器采集到的环境数据，并返回读取成功消息；如果没有打开，则返回读取失败消息；如果是低功耗配置命令，则接收已开启的传感器的地址，将该地址写入到寄存器；之后，触发开启与该地址对应的传感器电源，读取传感器采集到的环境数据，并返回读取成功消息。
进一步地，多个终端节点通过电力线连接，构成可视化网络，通过以下方式实现：确定选中区域或者指定拓扑文件；其中，所述选中区域是指通过可视化网管系统框选的自动布局对象区域，所述拓扑文件是指包括终端节点和连线信息的文件，所述终端节点和连线信息是终端节点之间存在连接关系的信息；获取终端节点之间的邻居关系，生成可视化网络拓扑结构；确定布局算法，根据所述布局算法计算所述终端节点的坐标，以实现对所述可视化网络拓扑结构的自动布局；根据终端节点的坐标调整所述布局的大小，根据调整后的偏移量重新计算所述终端节点的坐标，根据所述终端节点以及终端节点之间的连线绘制网络布局图；判断所述网络布局图是否是最优布局图，如果否则重新布局。
进一步地，判断所述网络布局图是否是最优布局图，通过以下方式实现：如果所有终端节点在同一区域内连线后，无交叉或相对位置无重叠，则确定所述网络布局图是最优布局图。
应用本发明的技术方案，环境信息自动监测系统中的终端节点能够实现自适应可视化网络布局，布局均匀，线路清晰，交叉点少，效果良好，从而提高了系统灵活性；本发明采用电力载波无主通信方式，有效解决主从通信架构的实时性问题。
附图说明
图1是根据本发明实施例的环境信息自动监测系统的结构框图；
图2是根据本发明实施例的环境信息自动监测方法的流程图；
图3是根据本发明实施例的终端节点低功耗模式流程图；
图4是根据本发明实施例的终端节点的可视化网络布局流程图；
图5是根据本发明实施例的可视化网络的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
实施例一
图1是根据本发明实施例的环境信息自动监测系统的结构框图，如图1所示，该系统至少包括：构成可视化网络布局的多个终端节点、PLC载波模块、网关模块、无线传输模块、服务器设备；其中，
终端节点，用于采集环境数据，并基于电力线载波通讯方式通过PLC载波模块将环境数据发送给网关模块；一个终端节点对应连接一个PLC载波模块；
网关模块，用于对环境数据进行汇总打包处理后，通过无线传输模块将处理后的数据转发给服务器设备；
服务器设备，用于针对接收到的数据执行显示、分析、预警操作，从而实现统一管理，集中监控。
在本实施例中，上述无线传输模块可以替换为GPRS模块进行数据交互。上述终端节点可以通过服务器配置实现可视化网络布局，并且采用电力载波通信，但是不限于电力载波通信，也可通过无线通信等其它方式实现。
下面分别对各个模块进行详细介绍。
终端节点采用32位ARM芯片，片上接口至少包括以下之一：电源适配器接口、LoRA射频接口、通信接口(例如CAN、RS-485)、电源输出和GND接口、传感器接口(例如AI、DI、总线型接口)；
其中，电源适配器接口用于终端节点的预设距离(即：近距离)内供电；LoRA射频接口用于无线收发数据；通信接口用于有线收发数据；电源输出和GND接口用于给传感器供电；传感器接口用于连接传感器；其中，终端节点通过传感器采集环境数据。
PLC载波模块，通过RS-485通讯接口与终端节点一一对应连接。这样做的目的在于简化系统的复杂度；系统中所有终端节点(即设备)通过电力线连接成一个网络，将终端节点的环境数据通过PLC载波模块发送给网关模块，实现整个系统通信的连通性。
网关模块，采用通用数字控制器GDC1000，片上接RS-485通讯接口用以接收环境数据；网关模块对环境数据中的电压电流值进行汇总打包处理，解析为环境信息数据，并通过无线传输模块输出环境信息数据；网关模块上的双八书数码管作为数据显示和网关配置使用。
无线传输模块是LoRA射频模块，包括一对基于透传的、特别适合于远距离数据无线传输的发送端口和接收端口，接收端口将接收到的环境信息数据输送至服务器设备。
移动终端可与服务器设备进行数据交互，便于用户通过移动终端实现对环境信息自动监测系统的操作。
本实施例实现了系统内各个设备的统一管理，集中监控，具有成本低、结构简单的特点，便于推广应用。
实施例二
本实施例提供了一种环境信息自动监测方法，应用于上述实施例介绍的环境信息自动监测系统。图2是根据本发明实施例的环境信息自动监测方法的流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤(步骤S201-步骤S203)：
步骤S201，终端节点通过传感器采集环境数据，并基于电力线载波通讯方式通过PLC载波模块将环境数据发送给网关模块；其中，多个终端节点通过电力线连接，构成可视化网络；
步骤S202，网关模块对环境数据进行汇总打包处理后，通过无线传输模块将处理后的数据转发给服务器设备；
步骤S203，服务器设备针对接收到的数据执行显示、分析、预警操作。
在本实施例中，终端节点能够实现自适应可视化网络布局，布局均匀，线路清晰，交叉点少，效果良好，从而提高了系统灵活性；本发明采用电力载波无主通信方式，有效解决主从通信架构的实时性问题。
终端节点通过传感器实时采集环境数据，为了减少传感器功耗，延长待机时间，系统中的终端节点采取低功耗模式。图3是根据本发明实施例的终端节点低功耗模式流程图，如图3所示，该流程包括以下步骤(步骤S301-步骤S316)：
步骤S301，终端节点接收到参数配置命令。
步骤S302，判断参数配置命令是否是传感器配置命令；如果是，则执行步骤S303，如果不是，则执行步骤S310。
步骤S303，接收传感器地址和类型编码。
步骤S304，将传感器地址和类型编码写入到寄存器。
步骤S305，判断传感器是否打开；如果打开，则执行步骤S306，如果没有打开，则执行步骤S308。
步骤S306，结合传感器地址，读取传感器采集到的环境数据。
步骤S307，返回传感器数据和读取成功消息。
步骤S308，返回传感器关闭和读取失败消息。
步骤S309，该流程结束。
步骤S310，判断参数配置命令是否是低功耗配置命令；如果是，则执行步骤S311，如果否，则执行步骤S316。
步骤S311，接收已开启的传感器的地址。
步骤S312，将该地址写入到寄存器。
步骤S313，触发开启与该地址对应的传感器电源。
步骤S314，结合传感器地址，读取传感器采集到的环境数据。
步骤S315，返回传感器数据和读取成功消息。
步骤S316，该流程结束。
终端节点在同一空间中采集数据的有效性在传感器施工安装工程中显得很关键。图4是根据本发明实施例的终端节点的可视化网络布局流程图，如图4所示，该流程包括以下步骤(步骤S401-步骤S406)：
步骤S401，确定选中区域或者指定拓扑文件；其中，选中区域是指通过可视化网管系统框选的自动布局对象区域，拓扑文件是指包括终端节点和连线信息的文件，终端节点和连线信息是终端节点之间存在连接关系的信息；
步骤S402，获取终端节点之间的邻居关系，生成可视化网络拓扑结构；具体地，如图5所示的可视化网络的示意图，通过连线获取终端节点(A、B、C)的邻居关系，判断连线是否存在，所述是否存在表示连线所描述的两个节点是否出现在需要布局的节点中，如果是则生成网络拓扑；
步骤S403，确定布局算法，根据布局算法计算终端节点的坐标，以实现对可视化网络拓扑结构的自动布局；
步骤S404，根据终端节点的坐标调整布局的大小，根据调整后的偏移量重新计算终端节点的坐标，根据终端节点以及终端节点之间的连线绘制网络布局图；
步骤S405，判断网络布局图是否是最优布局图，如果是则执行步骤S406，如果否，则执行步骤S403，重新布局。具体地，如果所有终端节点在同一区域内连线后，无交叉或相对位置无重叠，则确定网络布局图是最优布局图。
步骤S406，该流程结束。
基于此，准确有效的实现达到理想化效果的可视化网络的布局。
从以上的描述中可知，本发明设计了一种具有成本低、结构简单的环境信息自动监测系统及方法，可解决传统环境信息监测中灵活性差、传感器类型多变的问题。采用本发明的环境信息自动监测系统，保证在系统中的终端节点能够自适应可视化网络布局(服务器自动配置)，并且采用低功耗工作方式，提高系统灵活性；使用电力线载波通讯方式保证系统信息实时传输，简化系统使其更容易实现组网功能，提升了整个系统的实时性；将不同传感器采集到的数据统一在网关模块处理，提升了系统应用于不同环境监测对象的兼容性和可靠性；采用无线模块发送数据，大大提升了数据无线传输的距离。
当然，以上是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种环境信息自动监测系统，其特征在于，所述系统至少包括：构成可视化网络布局的多个终端节点、PLC载波模块、网关模块、无线传输模块、服务器设备；其中，
所述终端节点，用于采集环境数据，并基于电力线载波通讯方式通过所述PLC载波模块将所述环境数据发送给所述网关模块；其中，一个所述终端节点对应连接一个所述PLC载波模块；
所述网关模块，用于对所述环境数据进行汇总打包处理后，通过所述无线传输模块将处理后的数据转发给所述服务器设备；
所述服务器设备，用于针对接收到的数据执行显示、分析、预警操作。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述终端节点采用32位ARM芯片，片上接口至少包括以下之一：电源适配器接口、LoRA射频接口、通信接口、电源输出和GND接口、传感器接口；
其中，所述电源适配器接口用于所述终端节点的预设距离内供电；所述LoRA射频接口用于无线收发数据；所述通信接口用于有线收发数据；所述电源输出和GND接口用于给传感器供电；所述传感器接口用于连接传感器；其中，所述终端节点通过所述传感器采集所述环境数据。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述传感器至少包括以下之一：温度传感器、湿度传感器、PM2.5传感器、CO2浓度传感器。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述PLC载波模块，通过RS-485通讯接口与所述终端节点一一对应连接。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述网关模块，采用通用数字控制器GDC1000，片上接RS-485通讯接口用以接收所述环境数据；所述网关模块对所述环境数据中的电压电流值进行汇总打包处理，解析为环境信息数据，并通过所述无线传输模块输出所述环境信息数据；
所述无线传输模块是LoRA射频模块，包括发送端口和接收端口，所述接收端口将接收到的所述环境信息数据输送至所述服务器设备。
6.一种环境信息自动监测方法，应用于权利要求1至5中任一项所述的环境信息自动监测系统，其特征在于，所述方法包括：
终端节点通过传感器采集环境数据，并基于电力线载波通讯方式通过所述PLC载波模块将所述环境数据发送给网关模块；其中，多个终端节点通过电力线连接，构成可视化网络；
所述网关模块对所述环境数据进行汇总打包处理后，通过所述无线传输模块将处理后的数据转发给所述服务器设备；
所述服务器设备针对接收到的数据执行显示、分析、预警操作。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，终端节点通过传感器采集环境数据，包括：
所述终端节点接收到参数配置命令后，判断所述参数配置命令是传感器配置命令还是低功耗配置命令；
如果是传感器配置命令，则接收传感器地址和类型编码，将所述传感器地址和所述类型编码写入到寄存器；之后，判断传感器是否打开，如果打开，则读取传感器采集到的环境数据，并返回读取成功消息；如果没有打开，则返回读取失败消息；
如果是低功耗配置命令，则接收已开启的传感器的地址，将该地址写入到寄存器；之后，触发开启与该地址对应的传感器电源，读取传感器采集到的环境数据，并返回读取成功消息。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，多个终端节点通过电力线连接，构成可视化网络，通过以下方式实现：
确定选中区域或者指定拓扑文件；其中，所述选中区域是指通过可视化网管系统框选的自动布局对象区域，所述拓扑文件是指包括终端节点和连线信息的文件，所述终端节点和连线信息是终端节点之间存在连接关系的信息；
获取终端节点之间的邻居关系，生成可视化网络拓扑结构；
确定布局算法，根据所述布局算法计算所述终端节点的坐标，以实现对所述可视化网络拓扑结构的自动布局；
根据终端节点的坐标调整所述布局的大小，根据调整后的偏移量重新计算所述终端节点的坐标，根据所述终端节点以及终端节点之间的连线绘制网络布局图；
判断所述网络布局图是否是最优布局图，如果否则重新布局。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，判断所述网络布局图是否是最优布局图，通过以下方式实现：
如果所有终端节点在同一区域内连线后，无交叉或相对位置无重叠，则确定所述网络布局图是最优布局图。
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