CN108594331A - 一种基于物联网的气象环境监测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于物联网的气象环境监测装置，包括主控板，主控板上设置有若干个传感器板安装位，若干个传感器板安装在传感器安装位上，传感器板被设计为具有一致形式的标准总线形式接口；所述主控板包括无线通信模块、定位服务模块、片外存储模块、状态指示模块、主控板微控制器以及电源管理模块；所述传感器板包括传感器和传感器板微控制器。本发明提出一种基于物联网的气象环境监测装置，将物联网技术与传统的气象环境监测进行有机结合，同时兼顾室内户外等使用场景，可以对局部区域的气象环境进行精准化监测，并可以与后台服务端进行配合，对多观测点的多种数据进行进一步的关联性分析。

Description

一种基于物联网的气象环境监测装置

技术领域

本发明涉及DCDC机壳技术领域，具体涉及一种基于物联网的气象环境监测装置。

背景技术

随着社会进步和科技的发展，优越、舒适、安全的生活环境成为越来越多人越来越多的人关注的焦点。工业化发展进程给人们生活带来便利的同时，也带来了一系列环境问题，如碳排放造成的气候变暖、室内装修带来的有害气体污染等等。不利的气象条件不仅使人们的生理健康受到威胁，还会对心理产生一定的影响。越来越多的研究成果证实，气象条件的好坏，能引起人的心理和行为的变化，左右工作效率。有利的气象条件可使人情绪高涨、心情舒畅、干劲倍增，工作效率提高；而不利的气象条件会使人情绪低落、心胸憋闷、懒惰无力，工作效率降低。

传统的气象站系统可以实现无人监管下对户外环境的气象数据进行全自动监测，其测量数据较为全面，但设备成本较高、体积较大，且安装方式和可移动性较差，只能对较大范围的户外环境进行概要性监测，无法同时兼顾局部区域下室内户外的气象环境测量需求，如办公区域、建筑施工现场等。而常见的室内环境监测装置，只能单对温度、湿度及有害气体含量等数据进行采集及显示，具备体积小巧、成本低廉的优势，但此类设备大多面向家庭及个人用户，仅能够提供单点数据测量及展示模式，无法满足多观测点的数据分析及可视化展示的扩展需求。

目前存在的相关领域专利有：

专利CN 206208307 U：一种全面室内环境监测设备本发明公开了一种全面室内环境监测设备，包括主体外壳、电源开关、湿度感应探头和连接轴，所述主体外壳沿长度方向的顶部从左至右依次设有氧气感应探头、湿度感应探头和温度感应探头，主体外壳的表面安装有方形显示屏，所述显示屏的下方从左至右依次设有播音器、电源开关和指示灯，且电源开关的输出端与指示灯的输入端电性连接。本发明中，通过安装有温度感应探头，湿度感应探头和氧气感应探头对空气中环境信息进行采集，使得该室内环境监测设备采集的信息可以更加全面，以此满足消费者更多的需求。

专利CN 205898207 U：一种手持式的农业种植环境监测设备本发明公开了一种手持式的农业种植环境监测设备，包括外壳、土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、CO2浓度传感器、光强度传感器、控制模块、电源模块、显示屏和按钮板，外壳的顶部设置有顶部为开口的容纳盒，容纳盒内设置有伺服电机，伺服电机的输出轴上设置有丝杆，丝杆上通过螺纹连接有一螺母，容纳盒的左侧内壁设置有导向轨，导向轨内滑动设置有导向轮，导向轮上安装有与螺母连接的推板，推板的顶端设置有延伸至容纳盒外的竖杆，竖杆的顶端设置密封件，竖杆的外壁设置有安装座，空气温湿度传感器、CO2浓度传感器、光强度传感器安装在安装座上，外壳内设置有伺服驱动器，容纳盒内设置有除湿装置。其有益效果是：使用寿命长、自动化程度高。

专利CN 206002140 U：环境监测设备本发明公开了一种环境监测设备，涉及环境监测装置领域，目的在于提供一种能够对环境进行多参数采集的数据采集设备。本发明公开的环境监测设备，包括：壳体、传感器组和信号传输单元；所述传感器组和所述信号传输单元均设置于所述壳体的内腔；所述传感器组的信号输出端与所述信号传输单元的信号输入端相连；所述信号传输单元的输出端用于通过wifi与上位机相连。

专利CN 106595771 A：一种环境监测设备本发明公开了一种环境监测设备，包括机箱、机盖、显示屏和固定架，所述机箱的外表面设置有机盖，且机箱的侧面设置有固定架，所述固定架的内部设置有安装孔，所述机盖的表面设置有警报器、显示屏、电源开关按钮、散热口和把手，且显示屏位于机盖表面的中部，所述显示屏的上方设置有警报器，且显示屏的下方设置有散热口，所述显示屏的一侧设置有电源开关按钮，且所述显示屏的另一侧设置有把手。该新型环境监测设备通过设有警报器能够及时的对工作人员进行预警，避免工作人员受到伤害，保证工作环境的安全，显示屏可以将检测到的信息提供给工作人员，同时该设备结构简单，方便携带，节能环保。

专利CN 205720162 U：一种室内空气环境监测设备的空气检测系统本发明提供了一种室内空气环境监测设备的空气检测系统，包括对空气进行检测的传感器单元，所述传感器单元与室内空气环境监测设备的控制电路板相连接，控制电路板与控制装置和输出装置分别相连接。该空气质量检测系统可以实时的检测空气的质量，对于检测到的数据可以通过无线网进行传输，具有很高的智能化，检测系统简单，空气检测系统将六个传感器集成到一个设备中，实时监测CO、CO2、甲醛、PM2.5、温度、湿度的值，可以实时的监测数据综合评价室内环境质量和安全，实现起来方便、可靠。

专利CN 205066760 U：一种生态环境监测设备本发明涉及生态环境监测技术领域，公开了一种生态环境监测设备，该设备设置在监测箱内，该设备包括：图像采集装置，设置在所述监测箱内，通过所述监测箱上的孔对所述生态环境进行图像采集；以及控制器，与所述图像采集装置连接，每隔固定时间间隔控制所述图像采集装置对所述生态环境进行图像采集一次并存储在存储器中。本发明通过将图像采集装置设置在放置在生态环境中的监测箱内，并通过控制器控制每隔固定时间间隔对生态环境进行图像采集一次，从而实现了在野外无人值守的条件下不间断的记录，能够广泛应用于风电场生态环境特别是鸟类活动情况的监测。

专利CN 203455025 U：便携式环境监测设备本发明公开了一种便携式环境监测设备，包括温度检测模块、光强度传感器、超声波模块、单片机、显示模块、报警模块和电源模块，所述温度检测模块、光强度传感器、超声波模块分别与单片机相连，显示模块、报警模块分别与单片机相连，所述电源模块分别与温度检测模块、光强度传感器、超声波模块、单片机、显示模块和报警模块相连。本发明结构简单，携带方便，可以在低电量的情况下采集周围的环境参数，实现了对温度、光照强度和位置等数据的采集处理，并且实时采集，实时报警，可以实现测量人和物的距离，探测环境温度和高温报警，测量液体温度，监测某处的光照强度以及环境温度，可以广泛用于多领域的环境监测和保护。

现有的气象环境监测设备主要存在以下问题：

1)设备观测模式有限，如室内环境监测设备只能对室内环境下的单观测点数据进行采集，无法对多观测点、多种使用场景进行灵活管理；

2)设备可扩展性不强，现有的气象环境监测设备只能对特定的气象要素，如温度、湿度、CO2浓度、PM2.5等数据进行采集，无法实现不同使用场景中可定制化的数据监测需求。

针对上述两项问题，本发明提供了一种基于物联网的气象环境监测设备的实施方案，采用组合式传感器模块，实现多种监测数据的个性化组合，满足不同场景下的使用需求；同时，该装置基于物联网技术，可以实现局部区域内多观测点的数据监测和资源共享功能，并可以灵活地配置到室内户外等应用场景中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于物联网的气象环境监测装置，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：

一种基于物联网的气象环境监测装置，包括主控板，主控板上设置有若干个传感器板安装位，若干个传感器板安装在传感器安装位上，传感器板被设计为具有一致形式的标准总线形式接口；所述主控板包括无线通信模块、定位服务模块、片外存储模块、状态指示模块、主控板微控制器以及电源管理模块；所述传感器板包括传感器和传感器板微控制器。

作为本发明进一步的方案是：所述无线传输模块采用广域网无线通信技术与远程服务器进行数据交换。

作为本发明再进一步的方案是：所述定位服务模块与主控板微控制器之间通过UART进行数据的传输。

作为本发明再进一步的方案是：所述状态指示模块包括LED指示功能和蜂鸣器指示功能两种方式。

作为本发明再进一步的方案是：所述电源管理模块包括多电压转换单元、充电管理单元、可充电式备用电池、电池保护单元、电池电量监测单元。

作为本发明再进一步的方案是：所述传感器板微控制器通过集成电路总线形式与主控板的微控制器进行数据通信。

本发明的有益效果是:本发明提出一种基于物联网的气象环境监测装置，将物联网技术与传统的气象环境监测进行有机结合，同时兼顾室内户外等使用场景，可以对局部区域的气象环境进行精准化监测，并可以与后台服务端进行配合，对多观测点的多种数据进行进一步的关联性分析。本发明涉及的气象环境监测装置具备成本低廉、体积小巧、可扩展性强、覆盖区域精细等特点，可灵活应用于工农业生产、城市环境监测等领域。

附图说明

图1为本发明硬件部分的结构示意图；

图2为本发明硬件部分的原理框图；

图3为本发明软件部分的业务流程图。

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-图3，

本发明的实现方案可分为两大部分阐述，分别为硬件部分和软件部分。

(1)硬件部分

一种基于物联网的气象环境监测装置，包括主控板1，主控板1上设置有若干个传感器板安装位2，若干个传感器板3安装在传感器安装位2上，传感器板3被设计为具有一致形式的标准总线形式接口，主控板1根据传感器板3的从机地址判断该传感器的类型，主控板1上的传感器板3可以进行灵活组合，以满足不同场景下的数据监测需求。

每个传感器板3负责不同类型的数据采集，如温湿度传感器模块、PM2.5检测模块、有害气体监测模块等。气象环境监测装置负责采集并整理所有的传感器的数据，并通过无线通信模块发送到远程数据处理服务做进一步的分析和展示；同时，气象环境监测装置还可以执行远程数据处理服务器发出的命令，如传感器模块校准、设备位置信息更新等任务。

1)主控板1

主控板1主要包括无线通信模块、定位服务模块、片外存储模块、状态指示模块、主控板微控制器以及电源管理模块。

a)无线通信模块：

无线传输模块采用广域网无线通信技术与远程服务器进行数据交换，如LoRa(Long Range)和NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技术。无线数据模块与微控制器之间可以通过SPI、UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器)或SDIO(Secure Digital Input and Output Card，安全数字输入输出卡)进行数据传输。

b)定位服务模块：

定位服务模块采用全球卫星导航系统获取设备当前的地理位置信息以及进行卫星授时服务，可以采用GPS(Global Positioning System)、北斗、GPS+北斗多系统的方式进行位置信息的获取。定位服务模块与微控制器之间通过UART进行数据的传输。

c)片外存储模块：

片外存储模块采用非易失性Flash闪存，与微控制器之间采用SPI总线方式进行数据的读写。片外存储模块主要存储初始化固件、OTA(OvertheAir)升级固件、系统运行过程中的部分参数。

d)状态指示模块：

状态指示模块包括LED指示功能和蜂鸣器指示功能两种方式。LED指示功能采用双色或多色方式，并以不同颜色、闪烁时长的组合进行多个状态的提醒，如设备开机(绿色长亮1秒关闭)、外部主电源供电(绿色长亮)、内部备用电池供电(红色长亮)、备用电池电量不足(红色间隔0.5秒闪烁)等；蜂鸣器指示通过不同间隔时长的组合进行多个状态的提醒，如设备开机(长鸣1秒后关闭)、内部备用电池供电(间隔10秒短鸣两次)等

e)主控板微控制器：

主控板微控制器主要负责与传感器模块、定位服务模块、片外存储模块进行数据通信，并将传感器数据及主控板的状态数据进行数据打包，并通过无线通信模块与远程服务器进行数据交换。微控制器模块可以选用ARM-Cortex M内核的低成本微控制器实现。

f)电源管理模块：

电源管理模块包括多电压转换单元、充电管理单元、可充电式备用电池、电池保护单元、电池电量监测单元，多电压转换单元提供不同功能模块所需的工作电压，如1.2V、3.3V以及5V，充电管理单元提供充电电流限制、充电状态监测功能，并通过产生中断信号通知微控制器模块电池的充电状态。可充电式备用电池可以选用锂聚合物电池。电池保护单元提供充电电压、放电电压、放电电流的保护，避免电池过充、过放、短路情况发生。电池电量监测单元提供当前电池的剩余电量，并在电量低于设定的保护阈值产生中断信号通知微控制器模块。本方案中，外部电源作为主要工作电源，内部电池为备用工作电源，两种方式配合使用，以保证设备可以在外部电源掉电的情况下，继续维持工作状态。

2)传感器板3

传感器板3主要包括传感器、传感器板微控制器两部分。

a)传感器

根据不同的传感器类型，传感器板上设计不同的驱动电路来读取传感器的数据，如采用IIC(Inter-Integrated Circuit)接口读取温湿度传感器的数据，ADC(Analog-to-Digital Converter)读取CO2传感器的数据。

b)传感器板微控制器

传感器板微控制器将传感器采集的数据，通过集成电路总线形式与主控板的微控制器进行数据通信。这里传感器板微控制器作为从机，通过配置GPIO端口状态设定该传感器板的从机地址，与主控板的微控制器形成一主多从的通信方式，传感器板微控制器可以选用成本更低的8位单片机实现。

(2)软件部分

1)通信协议

设备与远程服务器采用自定义格式封装的数据包进行传感器数据的交换，本发明提供了一种json格式的封装示例，其具体定义格式如下表所示：

表1传感器数据包格式定义

参数名	数据说明
		device_id	设备工作ID
data	数据集
		collected_at	时间戳
list	数据列表
		Sensor_1	传感器数据1
Sensor_2	传感器数据2
		Sensor_3	传感器数据3
......	......
		Sensor_N	传感器数据N

此外，在设备运行中，远程服务器可以随时发送设备状态查询指令，请求获取该设备的系统运行状态信息。本发明提供了一种自定义系统状态数据包格式用于系统信息检测以及运行状态查询，其具体格式定义如下：

表2系统状态数据包格式定义

2)软件功能与业务流程：

软体部分主要实现上述方案中所描述的工作流程，主要业务流程如图3所示。设备启动后，首先进行系统初始化配置，然后访问远程服务器是否存在固件信息，如果存在新版本固件，下载并校验无误后进行代码区覆写，同时系统复位并进入正常工作模式；

进入正常工作模式后，系统将枚举所挂载的传感器板，并对所有的硬件设备及系统状态进行检测，如果系统工作正常，则开始正常工作模式流程：首先检查服务器是否有查询命令，如远程服务器需要查询系统的状态信息，则将当前系统信息数据进行格式化封装处理，并通过无线通信模块发送至远程服务器；若无，则依次采集多个传感器板的数据，并对数据进行格式化封装处理，通过无线通信模块将数据包发送至远程服务器。

本发明所提出的基于物联网的气象环境监测装置的实施方案，具备可扩展性强的有点，可以实现多种传感器、多观测点的灵活组合：采用组合式传感器模块，实现多种监测数据的个性化组合，满足不同场景下的使用需求；同时，该装置基于物联网技术，可以实现局部区域内多观测点的数据监测和数据资源共享功能，从而满足室内户外等不同应用场景中的精准化气象环境数据监测需求。

本发明所提出的气象环境监测装置，采用集成度高的数字电路及MEMS工艺的传感器进行方案实施，具备抗干扰能力强、实时性高、体积小巧、成本低廉的特点，可以在一定程度上满足居家环境、办公场所、工业生产等多个场景下的气象环境监测需求。

本发明所阐述的技术实施方案已经过电路设计及软件系统验证，并在室内户外等实际环境中对小批量设备的工作效果进行验证，经实际测试，证实该设备工作稳定，数据监测效果良好。

1)该设备与远程服务器的数据通信方式不局限于2G/3G/4G等移动互联网通信技术，还可以包括Wi-Fi、WLAN等通信方式；

2)该设备的数据监测方式不局限于固定观测点模式，还可以包括可移动区域的气象环境监测，如地铁、公交等公共交通工具。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种基于物联网的气象环境监测装置，其特征在于，包括主控板，主控板上设置有若干个传感器板安装位，若干个传感器板安装在传感器安装位上，传感器板被设计为具有一致形式的标准总线形式接口；所述主控板包括无线通信模块、定位服务模块、片外存储模块、状态指示模块、主控板微控制器以及电源管理模块；所述传感器板包括传感器和传感器板微控制器。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的气象环境监测装置，其特征在于，所述无线传输模块采用广域网无线通信技术与远程服务器进行数据交换。

3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的气象环境监测装置，其特征在于，所述定位服务模块与主控板微控制器之间通过UART进行数据的传输。

4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的气象环境监测装置，其特征在于，所述状态指示模块包括LED指示功能和蜂鸣器指示功能两种方式。

5.根据权利要求2-4任一所述的一种基于物联网的气象环境监测装置，其特征在于，所述电源管理模块包括多电压转换单元、充电管理单元、可充电式备用电池、电池保护单元、电池电量监测单元。

6.根据权利要求5所述的一种基于物联网的气象环境监测装置，其特征在于，所述传感器板微控制器通过集成电路总线形式与主控板的微控制器进行数据通信。