CN107945476A - 一种通用的微环境监测仪及其监测方法 - Google Patents

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武卫东
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Abstract

本发明公开了一种通用的微环境监测仪及其监测方法，包括单片机，所述单片机下部的左侧设置有电源，所述电源的右侧设置有存储模块，所述单片机的上部设置有模块插槽，所述模块插槽连接有GPRS模块以及LoRa模块，所述单片机左侧的上部设置有定位模块，所述定位模块的下部设置有时钟模块，所述时钟模块的下部设置有通讯模块，所述通讯模块的下部设置有传感器。本发明通过传感器收集环境数据，通过通讯模块将环境数据转换成模拟信号及数字信号，通过存储模块存储数据，并通过时钟模块按照统一的通信协议经LoRa模块传送到数据中心，可以有效的通过一种应用框架，低能耗的实现多种微环境数据的采集以及传输，提高环境监测效率。

Description

一种通用的微环境监测仪及其监测方法
技术领域
本发明属于环境检测领域，尤其涉及一种通用的微环境监测仪，本发明还涉及一种通用的微环境监测仪的监测方法。
背景技术
当前环境因素在生活生产等方面有着重要的作用，对温度、湿度、水、空气等环境数据的监测，引起了国内外科技人员的重视，采用物联网技术实现对微环境的监测取的一定的成果。但是当前各个行业在应用物联网技术实现环境监测时，需要搭建不同的应用框架，采用不同的方式实现各自业务，并且物联网在传输层一直以来存在难以兼顾低能耗远距离的问题，每个系统在感知层和传输层的建设都需要消耗大量人力物力。
另一方面，当前的环境监测仪采用不同的数据收集设备，数据采集设备难以满足在不同环境下的有效工作，且设备之间的通讯往往采用不同的通讯协议，数据传输过程通讯质量较差，环境监测效率底下。
目前，急需要一种通用的微环境监测仪，以解决上述背景技术中提到的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通用的微环境监测仪及其监测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种通用的微环境监测仪，包括单片机，所述单片机下部的左侧设置有电源，所述电源的右侧设置有存储模块，所述单片机的上部设置有模块插槽，所述模块插槽连接有GPRS模块以及LoRa模块，所述单片机左侧的上部设置有定位模块，所述定位模块的下部设置有时钟模块，所述时钟模块的下部设置有通讯模块，所述通讯模块的下部设置有传感器。
优选的，所述单片机采用RAM方式设置，且优先选用STM32系列STM32F103C8T6单片机。
优选的，所述通讯模块包括但不仅限于串口模块、无线模块及蓝牙模块，所述串口模块连接有A/D转换器。
优选的，所述传感器包括但不仅限于温度传感器、湿度传感器及压力传感器，且传感器的一侧还连接有能耗检测装置。
本发明还提供一种通用的微环境监测仪的监测方法，包括以下步骤：
步骤一：传感器收集环境数据；
步骤二；收集到的环境数据通过预设的通讯方式，以及相应的网络架构及设计架构，利用相应的通讯协议，将环境数据传输到服务器。
优选的，所述通讯方式设置有通讯方式一及通讯方式二，所述通讯方式一采用“传感器→汇聚节点→网关→服务端→终端”的信息传递方式，且通讯方式一采用无线传感网络或互联网连接，所述无线传感网络采用ZigBee通信协议互联，所述互联网采用HTTP通信协议互联，所述“汇聚节点”与“网关”采用双向通讯设置，所述通讯方式二采用“传感器→服务端→终端”的信息传递方式，且通讯方式二中“终端”采用GPRS方式设置所述通讯方式设置有通讯方式一及通讯方式二，所述通讯方式一采用“传感器→汇聚节点→网关→服务端→终端”的信息传递方式，且通讯方式一采用无线传感网络或互联网连接，所述无线传感网络采用ZigBee通信协议互联，所述互联网采用HTTP通信协议互联，所述“汇聚节点”与“网关”采用双向通讯设置，所述通讯方式二采用“传感器→服务端→终端”的信息传递方式，且通讯方式二中“终端”采用GPRS方式设置。
优选的，所述网络架构采用LoRaWAN网络架构设置，所述LoRaWAN网络架构包含LoRa网关，所述LoRa网关连接有终端设备和后端中央服务器，所述终端设备采用单跳方式连接有至少一个网关，所述LoRaWAN网络架构的数据传输速率范围为0.3kbps至37.5kbps，且LoRaWAN网络架构采用一种速率自适应方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出功率。
优选的，所述设计架构由接收线程与工作线程组成，所述接收线程采用队列存储方式设置。
优选的，所述通讯协议包含有设备到网关协议和网关到服务端协议；所述设备网关协议又包括数据协议、设备信息协议以及命令控制协议，所述数据协议采用统一15个字节的数据包传输方式设置，且其中1～2字节为包头，3字节为发信者，3字节为信息类型，4～5字节为传感器编号，6～11字节具体信息，12～13字节为校验和，14～15字节为包尾；所述设备信息协议采用统一15个字节的数据包传输方式设置，且其中1～2字节为包头，3～4字节为设备ID，5字节为设备类型，6～7字节为设备名称，8字节为设备状态，9～10字节为设备经纬度，12～13字节为校验和，14～15字节为包尾；所述命令控制协议采用统一的9个字节的数据包传输方式设置，其中1～2位为包头，3字节为命令控制，4～5字节为设备编号，6～7位为校验和，8～9位为包尾。
本发明的技术效果和优点：该通用的微环境监测仪及其监测方法，通过传感器收集环境数据，通过通讯模块将环境数据转换成模拟信号及数字信号，通过存储模块存储数据，并通过时钟模块按照统一的通信协议经LoRa模块传送到数据中心，可以有效的通过一种应用框架，低能耗的实现多种微环境数据的采集以及传输，提高环境监测效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的通讯方式原理模块图；
图3为本发明的设计架构原理模块图；
图4为本发明的数据协议字节标示图；
图5为本发明的设备信息协议字节标示图；
图6为本发明命令控制协议字节标示图。
图中：1单片机、2电源、3存储模块、4模块插槽、5GPRS模块、6LoRa模块、7定位模块，8时钟模块、9通讯模块、10传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明提供的一种技术方案：一种通用的微环境监测仪，包括单片机1，所述单片机1下部的左侧设置有电源2，所述电源2的右侧设置有存储模块3，所述单片机1的上部设置有模块插槽4，所述模块插槽4连接有GPRS模块5以及LoRa模块6，所述单片机1左侧的上部设置有定位模块7，所述定位模块7的下部设置有时钟模块8，所述时钟模块8的下部设置有通讯模块9，所述通讯模块9的下部设置有传感器10。
进一步的，所述单片机采用RAM方式设置，且优先选用STM32系列STM32F103C8T6单片机，采用高性能、低成本、低功耗的单片机，有助于增加设备的运行时间，延长电池寿命。
进一步的，所述通讯模块包括但不仅限于串口模块、无线模块及蓝牙模块，所述串口模块连接有A/D转换器，可与多个不同种类传感器相连接，以实现通用数据采集的功能，同时，可以进一步扩展连接方式。
进一步的，所述传感器包括但不仅限于温度传感器、湿度传感器及压力传感器，且传感器的一侧还连接有能耗检测装置，有助于不同环境信息的组合监测，增强环境监测仪的功能。
一种通用的微环境监测仪的监测方法，包括以下步骤：
步骤一：传感器收集环境数据；
步骤二；收集到的环境数据通过预设的通讯方式，以及相应的网络架构及设计架构，利用相应的通讯协议，将环境数据传输到服务器。
进一步的，所述通讯方式设置有通讯方式一及通讯方式二，所述通讯方式一采用“传感器→汇聚节点→网关→服务端→终端”的信息传递方式，且通讯方式一采用无线传感网络或互联网连接，所述无线传感网络采用ZigBee通信协议互联，所述互联网采用HTTP通信协议互联，所述“汇聚节点”与“网关”采用双向通讯设置，所述通讯方式二采用“传感器→服务端→终端”的信息传递方式，且通讯方式二中“终端”采用GPRS方式设置，设置有两种通讯方式，增强设备功能，保证信号传输不受干扰。
进一步的，所述网络架构采用LoRaWAN网络架构设置，所述LoRaWAN网络架构包含LoRa网关，所述LoRa网关连接有终端设备和后端中央服务器，所述终端设备采用单跳方式连接有至少一个网关，所述LoRaWAN网络架构的数据传输速率范围为0.3kbps至37.5kbps，且LoRaWAN网络架构采用一种速率自适应方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出功率，最大化终端设备电池的寿命和整个网络容量。
进一步的，所述设计架构由接收线程与工作线程组成，所述接收线程采用队列存储方式设置，实现快速地对数据进行处理，提高并发量和处理性能同时，减少数据的复制和IO操作。
进一步的，所述通讯协议包含有设备到网关协议和网关到服务端协议；所述设备网关协议又包括数据协议、设备信息协议以及命令控制协议，所述数据协议采用统一15个字节的数据包传输方式设置，且其中1～2字节为包头，3字节为发信者，3字节为信息类型，4～5字节为传感器编号，6～11字节具体信息，12～13字节为校验和，14～15字节为包尾；所述设备状态信息协议；所述设备信息协议采用统一15个字节的数据包传输方式设置，且其中1～2字节为包头，3～4字节为设备ID，5字节为设备类型，6～7字节为设备名称，8字节为设备状态，9～10字节为设备经纬度，12～13字节为校验和，14～15字节为包尾；所述命令控制协议采用统一的9个字节的数据包传输方式设置，其中1～2位为包头，3字节为命令控制，4～5字节为设备编号，6～7位为校验和，8～9位为包尾，便与设备之间的通讯处理，有利于环境监测仪整体功能更优的实现。
网关到服务端协议设计
网关与服务器端的JSON通信协议需要从数据采集、设备信息和控制指令三个方面进行设计。
采集数据信息上传协议()
{
“AreaID”：“每一个区域设定一个唯一ID，以区分不同的地点”，
“NodeID”：“每一个节点设定一个唯一ID，以区分不同的节点”，
“CO2”：“{“ID”：“环境CO2浓度”，“Time”：”时间”，“Position”：“传感器位置信息”}”，
“Shine”：“{“ID”：“环境光照指数”，“Time”：”时间”，“Position”：“传感器位置信息”}”，
“Moisture”：“{“ID”：“所采集的空气湿度值”，“Time”：”时间”，“Position”：“传感器位置信息”}”，
“SoilTemp”：“{“ID”：“所采集的土壤温度值”，“Time”：”时间”，“Position”：“传感器位置信息”}”，
“SoilMois”：“{“ID”：“所采集的土壤湿度值”，“Time”：”时间”，“Position”：“传感器位置信息”}”，
“Temperature”：“{“ID”：“所采集的空气温度值”，“Time”：“时间”，“Position”：“传感器位置信息”}”，
“Check”：“校验和”
}
设备信息上传协议
{
“AreaID”：“每一个区域设定一个唯一ID，以区分不同的地点”，
“nodeID”：“每一个节点设定一个唯一ID，以区分不同的节点”，
“DeviceID”：“传感器设备ID”，
“DeviceName”：“设备名称”，
“DeviceType”：“设备类型”
“Position”：“设备位置(经纬度)”，
“Time”：“上报时间”，
“Status”：“{“01”：“开”，“02”：“关”，“03”：“故障”}”
“Check”：“校验和”
}
控制指令协议
控制指令包含索要设备信息、采集的信息以及控制设备状态。
{
“AreaID”：“设备所属区域ID”，
“nodeID”：“设备所属节点ID”，
“DeviceID”：“传感器设备ID”，
“Time”：“下达时间”，
“Command”：“{”01“：”开，“02”：“关”，“03”：“索要设备信息”，“04”：“索要采集数据”}”，
“Check”：“校验和”
}
该通用的微环境监测仪及其监测方法，通过传感器10收集环境数据，通过通讯模块9将环境数据转换成模拟信号及数字信号，通过存储模块3存储数据，并通过时钟模块8按照统一的通信协议经LoRa模块6传送到数据中心，可以有效的通过一种应用框架，低能耗的实现多种微环境数据的采集以及传输，提高环境监测效率。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种通用的微环境监测仪，包括单片机(1)，其特征在于：所述单片机(1)下部的左侧设置有电源(2)，所述电源(2)的右侧设置有存储模块(3)，所述单片机(1)的上部设置有模块插槽(4)，所述模块插槽(4)连接有GPRS模块(5)以及LoRa模块(6)，所述单片机(1)左侧的上部设置有定位模块(7)，所述定位模块(7)的下部设置有时钟模块(8)，所述时钟模块(8)的下部设置有通讯模块(9)，所述通讯模块(9)的下部设置有传感器(10)。
2.根据权利要求1所述的一种通用的微环境监测仪，其特征在于：所述单片机采用RAM方式设置，且优先选用STM32系列STM32F103C8T6单片机。
3.根据权利要求1所述的一种通用的微环境监测仪，其特征在于：所述通讯模块包括但不仅限于串口模块、无线模块及蓝牙模块，所述串口模块连接有A/D转换器。
4.根据权利要求1所述的一种通用的微环境监测仪，其特征在于：所述传感器包括但不仅限于温度传感器、湿度传感器及压力传感器，且传感器的一侧还连接有能耗检测装置。
5.一种根据权利要求1所述的通用的微环境监测仪的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：传感器收集环境数据；
步骤二；收集到的环境数据通过预设的通讯方式，以及相应的网络架构及设计架构，利用相应的通讯协议，将环境数据传输到服务器。
6.根据权利要求5所述的一种通用的微环境监测仪的监测方法，其特征在于：所述通讯方式设置有通讯方式一及通讯方式二，所述通讯方式一采用“传感器→汇聚节点→网关→服务端→终端”的信息传递方式，且通讯方式一采用无线传感网络或互联网连接，所述无线传感网络采用ZigBee通信协议互联，所述互联网采用HTTP通信协议互联，所述“汇聚节点”与“网关”采用双向通讯设置，所述通讯方式二采用“传感器→服务端→终端”的信息传递方式，且通讯方式二中“终端”采用GPRS方式设置。
7.根据权利要求5所述的一种通用的微环境监测仪的监测方法，其特征在于：所述网络架构采用LoRaWAN网络架构设置，所述LoRaWAN网络架构包含LoRa网关，所述LoRa网关连接有终端设备和后端中央服务器，所述终端设备采用单跳方式连接有至少一个网关，所述LoRaWAN网络架构的数据传输速率范围为0.3kbps至37.5kbps，且LoRaWAN网络架构采用一种速率自适应方案来控制数据传输速率和每一终端设备的射频输出功率。
8.根据权利要求5所述的一种通用的微环境监测仪的监测方法，其特征在于：所述设计架构由接收线程与工作线程组成，所述接收线程采用队列存储方式设置。
9.根据权利要求5所述的一种通用的微环境监测仪的监测方法，其特征在于：所述通讯协议包含有设备到网关协议和网关到服务端协议；所述设备网关协议又包括数据协议、设备信息协议以及命令控制协议，所述数据协议采用统一15个字节的数据包传输方式设置，且其中1～2字节为包头，3字节为发信者，3字节为信息类型，4～5字节为传感器编号，6～11字节具体信息，12～13字节为校验和，14～15字节为包尾；所述设备信息协议采用统一15个字节的数据包传输方式设置，且其中1～2字节为包头，3～4字节为设备ID，5字节为设备类型，6～7字节为设备名称，8字节为设备状态，9～10字节为设备经纬度，12～13字节为校验和，14～15字节为包尾；所述命令控制协议采用统一的9个字节的数据包传输方式设置，其中1～2位为包头，3字节为命令控制，4～5字节为设备编号，6～7位为校验和，8～9位为包尾。
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