CN107990939A - 一种基于物联网的用于复杂环境的多用途实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物联网的用于复杂环境的多用途实时监测系统，属于物联网技术领域。本发明包括环境实时监测系统、飞行器系统、小车运动系统、客户端软件。飞行器系统和小车运动系统一起组成运动系统。环境实时监测系统位于飞行器系统的上方，飞行器系统位于小车运动系统的上方，通过环境实时监测系统上的无线传输模块同客户端软件系统建立远程连接。本发明能够自主移动，具有高度自适应性的效果。

Description

一种基于物联网的用于复杂环境的多用途实时监测系统

技术领域

本发明涉及一种基于物联网的用于复杂环境的多用途实时监测系统，属于物联网技术领域。

背景技术

基于物联网的用于复杂环境的多用途智实时监测系统是一款应用物联网原理，利用嵌入式开发技术，设计的一款能够广泛用于煤矿矿道、化工厂以及燃气厂等危险环境，实现在接到客户端发出的监测命令后能够在实际环境中自动运动，通过自身携带的温湿度传感器、雨滴传感器、光照强度传感器、磁场强度传感器、大气压力传感器大气压强变化、粉尘传感器、二氧化碳传感器、广谱气体传感器、红外测距传感器模块、蜂鸣器、摄像头和小型强光灯等采集实际环境中的温度和湿度变化、雨量变化、光照强度变化、磁场强度变化、磁场强度变化、粉尘颗粒物浓度、二氧化碳浓度、气体成分及含量等数据样本，测量环境空间大小，拍摄实际环境具体情景以及当出现紧急情况时蜂鸣器进行报警，然后将采集到的数据在中央处理器进行处理之后通过无线传输模块传给远程客户端，等待客户端分析后发出下一步行动指令的智能实时监测系统。

本系统基于物联网技术。物联网自从其诞生以来，已经引起世界各国的巨大关注，并被认为是继计算机、互联网和移动通信网之后的第三次信息产业浪潮。目前，物联网技术已被世界各国广泛应用于智能电网、交通物流、智能家居、农业生产、医疗健康、国防军事等领域，市场规模正在不断扩大。物联网技术的普及应用正极大地改变人们的生产和生活方式。物联网的关键技术有RFID和EPC技术，传感控制技术，中间件技术和人工智能技术等，而这些技术也正运用在了本系统中。尤其是采用传感器构成无线传感网，接收所需信息，并用中间件进行数据处理，然后通过无线网络再返回给研究者。

目前已有的监测系统多为静态系统，即在指定的点安装特定的传感器，通过传感器不断采集数据，然后发送至终端，缺点是只能监测到传感器周围的各种环境成分变化，无法自由移动，监测人迹未至的地区的环境成分与情况。本发明和已有的静态系统相比，具有如下特色：第一，无线传输特色，本系统使用ZigBee模块作为无线传输模块，实现数据与指令的无线传输，沟通了终端与移动机器系统，并充分利用其低成本、低功耗的特点；第二，多传感器特色，传感器技术是物联网技术中重要的一环，采集数据、收集环境信息离不开多种多样的传感器。本系统的核心功能之一环境监测的实现，正依赖于功能强大、种类丰富、性能优异的各种传感器。本系统使用的传感器数量较多，主要有温湿度传感器、雨滴传感器、光照强度传感器、磁场强度传感器、大气压力传感器、粉尘传感器、二氧化碳传感器、广谱气体传感器、红外测距传感器等。运用多种传感器实现多种功能以满足使用者的需要，正是本系统的一大特色，这也是本系统另一特色——高度适应性的前提。第三，移动监测特色，监测有移动监测和定点监测两种方式。其中定点监测实现更为简单，但较为死板，且采集数据的地点较为单一，可能影响监测结果。考虑到本系统的应用场合，我们采用了移动监测的设计，系统可于指定环境中依照使用者的指令进行活动，并采集相应数据。相比定点监测的方式，这样做大大增强了环境监测的灵活性，也能够提供更全面、更有说服力的数据；第四，多运动方式特色，本系统具有灵活的运动方式，既有根据预设程序自行规划路径的自动控制模式，又有使用者通过终端下指令指挥系统行进的终端直接控制模式，两种模式各有利弊，可运用在不同情况下，满足不同状况的复杂需求。另一方面，系统又可在行驶模式与飞行模式间进行自由切换，能够灵活应变各类道路状况，使系统能够应用在多种复杂的危险环境中。这一特性令系统应用在矿井巡检与探测等场景处更具稳定性，更能满足使用者的需求与预期；第五，高度适应性特色，本系统安装多种传感器，可采集的信息种类多样，功能齐全，能够进行移动监测，并具有灵活的运动方式，这都使得本系统具有高度的适应性与灵活性，能够运用在多种场合，具有多种功能与用途，实现各类危险环境的探测需求。一套装置，随处使用。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为了解决煤矿、化工厂等高危复杂环境中的实时监测问题，提出一种基于物联网的用于复杂环境的多用途实时监测的系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种基于物联网的用于复杂环境的多用途实时监测系统，包括环境实时监测系统、飞行器系统、小车运动系统、客户端软件。飞行器系统和小车运动系统一起组成运动系统。环境实时监测系统位于飞行器系统的上方，飞行器系统位于小车运动系统的上方，通过环境实时监测系统上的无线传输模块同客户端软件系统建立远程连接。

环境实时监测系统和运动系统每个部分都有自己单独的电源，尽量保证某部分出现问题时，其他部分仍能继续运转。

实时监测系统主要由Cortex-M4(作为中央处理器，处理传感器采集到的信息)、Zigbee模块(向远程客户端传递经Cortex-M4处理之后的各种数据以及接受客户端传递给监测系统的指令)、温湿度传感器、雨滴传感器、光照强度传感器、磁感应传感器、大气压力传感器、粉尘传感器、二氧化碳传感器、光谱气体传感器、红外测距传感器模块、蜂鸣器、摄像头组成；其中，Cortex-M4和Zigbee模块与电源连接，由电源直接供电；温湿度传感器、雨滴传感器、光照强度传感器、磁感应传感器、大气压力传感器、粉尘传感器、二氧化碳传感器、光谱气体传感器、红外测距传感器模块、蜂鸣器和摄像头并列排放于运动系统中飞行器机架的顶部，它们均直接与Cortex-M4相连，进行信息交互，它们的电力来直接来源于Cortex-M4；同时Zigbee模块与Cortex-M4相连进行信息的交互。

小车运动系统主要由4个步进电机、1块驱动板、1个STM32F103系列单片机、1个电源、1个蓝牙模块、1个小型强光灯和1个小车车体(一个铁质框架架)组成；其中，步进电机安装在车体上，与驱动板直接相连；驱动板、蓝牙模块、小型强光灯、STM32F103系列单片机和电源均并列排放于车体上，驱动板和STM32F103系列单片机直接与电源相连，同时，驱动板、蓝牙模块和小型强光灯均与STM32F103系列单片机相连，进行信息交互。

飞行器系统主要由1个四旋翼机架、1个STM32F103系列单片机、1个蓝牙模块、1个陀螺仪、1个加速度计、4个步进电机、4个电机驱动器和1个电源组成。其中4个步进电机和4个电机驱动器分别安装在四旋翼机架上，四旋翼机架上的步进电机和电机驱动器分别相连，蓝牙模块、陀螺仪、加速度计、STM32F103系列单片机和电源并列排放于四旋翼机架的中央，电机驱动器分别于电源和STM32F103系列单片机相连，STM32F103系列单片机和电源相连，蓝牙模块、陀螺仪和加速度计均直接与STM32F103系列单片机相连，实现信息交互。

客户端可以通过蓝牙串口向飞行器和小车下达运动指令；环境实时监测系统随着运动系统运动而实现移动监测功能。环境实时监测系统实现外置传感器采集所处环境中的各种物理量样本，如温度、湿度、磁场强度、光照强度、二氧化碳、甲烷等气体浓度，通过中央处理器将所采集的物理量处理为数字量，然后通过无线传输模块将其传送给远程客户端，供使用者依据这些物理量对当前环境状况作出判断，然后判断下一个探测点，并设置路径和控制整个系统移动。

飞行器系统顶部搭载环境实时嵌入式监测系统，底部和小车运动系统相连，主要功能为接受远程客户端对其发出的运动指令，然后按照指令所示路径行进，一般是当路途崎岖或有沟壑或有积水等情况时，飞行器运动，以保证系统能够适应较为恶劣和复杂的环境。

小车运动系统顶部连接飞行器底部，主要功能为通过蓝牙模块接受客服端所给指令，并按照指令所示路径搭载整个系统进行移动，一般是正常路面情况都由其完成带动整个系统的运动工作。

本系统主要具有两个核心功能，一是环境监测，二是移动探测。以下是系统功能的详细说明：

本系统可监测温度、湿度、压强、磁场、光强、各类气体等多种环境信息，并反馈给监测人员。详细如下：

1、温度监测：检测环境中的温度变化，在超过高低温限界时做出警告，也为火灾报警系统提供温度的数据。

2、湿度与雨量监测：检测环境中的湿度变化，并检测雨量大小。

3、磁场监测：检测磁场强度的变化，确认其是否在正常范围内。

4、光强监测：检测光照强度的变化，确认其是否在正常范围内。

5、压强监测：检测大气压强信息，压强过大容易爆炸，会做出相应警告。

6、粉尘监测：检测空气中粉尘颗粒物浓度，超出规定值后做出爆炸警告。

7、气体监测：检测空气中的二氧化碳的浓度，浓度过高可做出氧气不足警告。同时检测液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气等有害气体的浓度，保证其在规定值内，否则做出警告。

8、警报：在判断当前环境信息存在灾害危险时，蜂鸣器发出响声作为警报，并将此信息反馈给终端。

本系统可根据情况使用系统自带控制程序自动控制或终端直接控制两种方式，在规定范围内进行活动，以便于了解环境四周的信息并得出综合结果，同时可拍摄照片以便于观察人员了解矿井等地的地形信息。详细如下：

1)自动控制：控制芯片在分析信号转换模块中的红外测距模块传送的红外线传感器信号之后，根据预设程序进行自动寻迹，自动规划路径，避免障碍物，进行移动。

2)终端控制：使用者通过终端发送指令，指令经由无线传输模块传至控制芯片，然后控制芯片读取指令，控制机器人运动方式和运动路径。

3)行驶：系统具备的两种运动方式之一，可根据预设程序或终端传来的指令而切换至另一模式。小车带动整个系统行驶，是本系统的默认运动方式。

4)飞行：系统具备的两种运动方式之一，可根据预设程序或终端传来的指令而切换至另一模式。利用飞行器带动整个系统在空中行驶，较不稳定，飞行时间不宜过长，主要用于道路出现大坑等道路状况较差、不易行驶的情况。

5)拍摄：系统自带强光灯进行照明，并可拍摄环境照片，远程传输回终端，并存储在终端中，方便之后调出查看。拍摄可进行实时拍摄，也具备延时拍摄、定时连续拍摄等功能。

有益效果

本发明提出的一种基于物联网的用于复杂环境的多用途实时监测的系统，对比已有技术，能够自主移动，具有高度自适应性的效果。

附图说明

图1为本发明的总体设计图；

图2为环境实时监测系统设计图；

图3为本发明飞行器系统设计图；

图4为本发明小车运动系统设计图；

图5为环境实时监测系统结构图；

图6为本发明小车运动系统结构图；

图7为本发明飞行器系统结构图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施方式做详细说明，

一种基于物联网的用于复杂环境的实时监测的装置/系统，如图1所示，包括以下部分：

环境实时监测系统1，飞行器系统2，小车运动系统3，客户端软件4。

其中，

环境实时监测系统1，用于采集环境中各种元素成分的含量；

飞行器系统2如图3所示，用于带动整个装置进行飞行运动；

小车运动系统3如图4所示，用于带动整个装置进行移动；

客户端软件系统4，用于分析环境实时监测系统传入的数据，同时进行整个装置的运动控制；

上述组成部件间的连接关系为：环境实时监测系统1位于飞行器系统2的上方，飞行器系统位于小车运动系统3的上方，通过环境实时监测系统1上的无线传输模块同客户端软件系统4建立远程连接。

环境实时监测系统1结构如图5所示，包括：电源5、Cortex-M4 6：作为中央处理器，处理传感器采集到的信息、Zigbee模块7：向远程客户端传递经Cortex-M4处理之后的各种数据以及接受客户端传递给监测系统的指令，温湿度传感器8用于测量所处环境的温度和湿度变化、雨滴传感器9用于测量所处环境的雨量变化、光照强度传感器10用于测量所处环境的光照强度变化、磁感应传感器11用于测量所处环境的磁场强度变化、大气压力传感器12用于测量所处环境的大气压强变化、粉尘传感器13用于测量所处环境的粉尘颗粒物浓度、二氧化碳传感器14用于测量所处环境的二氧化碳浓度、光谱气体传感器15用于测量所处环境气体成分及含量、红外测距传感器16模块用于测量所处环境道路障碍情况、蜂鸣器17用于作出警告、摄像头18用于拍摄所处环境的具体情景；其中，Cortex-M4 6和Zigbee模块7与电源5连接，由电源直接供电；温湿度传感器8、雨滴传感器9、光照强度传感器10、磁感应传感器11、大气压力传感器12、粉尘传感器13、二氧化碳传感器14、光谱气体传感器15、红外测距传感器模块16、蜂鸣器17和摄像头18并列排放于运动系统中飞行器机架的顶部，它们均直接与Cortex-M4 6相连，进行信息交互，它们的电力来直接来源于Cortex-M4 6；同时Zigbee模块7与Cortex-M4 6相连进行信息的交互。

小车运动系统结构如图6所示，包括：4个步进电机19、1块驱动板20、1个STM32F103系列单片机21、电源22和蓝牙模块23和小型强光灯24用于辅助摄像头18工作，1个小车车体25(一个铁质框架)组成；其中，步进电机19安装在小车车体上，与驱动板20直接相连；驱动板20、蓝牙模块23、小型强光灯24、STM32F103系列单片机21和电源22均并列排放于小车车体上，驱动板20和STM32F103系列单片机21直接与电源22相连，同时，驱动板20、蓝牙模块23和小型强光灯24均与STM32F103系列单片机21相连，进行信息交互。

飞行器系统结构如图7所示：1个四旋翼机架26、1个STM32F103系列单片机27、1个蓝牙模块28、1个陀螺仪29、1个加速度计30、4个步进电机31、4个电机驱动器32和1个电源33；其中4个步进电机31和4个电机驱动器32分别安装在四旋翼机架26上，四旋翼机架26上的步进电机31和电机驱动器32分别相连，蓝牙模块28、陀螺仪29、加速度计30、STM32F103系列单片机27和电源33并列排放于四旋翼机架26的中央，电机驱动器32分别于电源33和STM32F103系列单片机27相连，STM32F103系列单片机27和电源33相连，蓝牙模块28、陀螺仪29和加速度计30均直接与STM32F103系列单片机27相连，实现信息交互。

客户端系统：利用eclipse工具和java语言进行开发。

小车运动系统位于最下层，飞行器位于小车运动系统之上，实时监测系统位于飞行器之上。

最后打开本系统，让客户端软件与本系统建立连接，然后投入使用。

本系统的具体工作过程如下：

首先在需要探测的环境中启动本系统，同时使得客户端软件同整个系统建立无线连接，然后通过客户端发布指令到本系统，本系统的环境实时监测系统按照客户端的指令采集环境中各元素成分的含量，同时回传给系统或者根据客户端的指令进行相应的运动，当在平整路面上运动时，运动小车系统发挥作用，当在坑洼较多的路面上运动时，飞行器系统发挥作用，带动本装置在低空中飞行前进，当任务结束后，本装置自动回到起始位置，等待下一次任务。

虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于物联网的用于复杂环境的多用途实时监测系统，包括环境实时监测系统、飞行器系统、小车运动系统、客户端软件；飞行器系统和小车运动系统一起组成运动系统；其特征在于：

环境实时监测系统位于飞行器系统的上方，飞行器系统位于小车运动系统的上方，通过环境实时监测系统上的无线传输模块同客户端软件系统建立远程连接；

环境实时监测系统和运动系统每个部分都有自己单独的电源，尽量保证某部分出现问题时，其他部分仍能继续运转；

实时监测系统主要由Cortex-M4、Zigbee模块、温湿度传感器、雨滴传感器、光照强度传感器、磁感应传感器、大气压力传感器、粉尘传感器、二氧化碳传感器、光谱气体传感器、红外测距传感器模块、蜂鸣器、摄像头组成；其中，Cortex-M4和Zigbee模块与电源连接，由电源直接供电；温湿度传感器、雨滴传感器、光照强度传感器、磁感应传感器、大气压力传感器、粉尘传感器、二氧化碳传感器、光谱气体传感器、红外测距传感器模块、蜂鸣器和摄像头并列排放于运动系统中飞行器机架的顶部，它们均直接与Cortex-M4相连，进行信息交互，它们的电力来直接来源于Cortex-M4；同时Zigbee模块与Cortex-M4相连进行信息的交互；

小车运动系统主要由4个步进电机、1块驱动板、1个STM32F103系列单片机、1个电源、1个蓝牙模块、1个小型强光灯和1个小车车体组成；其中，步进电机安装在小车车体上，与驱动板直接相连；驱动板、蓝牙模块、小型强光灯、STM32F103系列单片机和电源均并列排放于车体上，驱动板和STM32F103系列单片机直接与电源相连，同时，驱动板、蓝牙模块和小型强光灯均与STM32F103系列单片机相连，进行信息交互；

飞行器系统主要由1个四旋翼机架、1个STM32F103系列单片机、1个蓝牙模块、1个陀螺仪、1个加速度计、4个步进电机、4个电机驱动器和1个电源组成；其中4个步进电机和4个电机驱动器分别安装在四旋翼机架上，四旋翼机架上的步进电机和电机驱动器分别相连，蓝牙模块、陀螺仪、加速度计、STM32F103系列单片机和电源并列排放于四旋翼机架的中央，电机驱动器分别于电源和STM32F103系列单片机相连，STM32F103系列单片机和电源相连，蓝牙模块、陀螺仪和加速度计均直接与STM32F103系列单片机相连，实现信息交互；

客户端可以通过蓝牙串口向飞行器和小车下达运动指令；环境实时监测系统随着运动系统运动而实现移动监测功能。