CN108801343A - 一种应用于大气环境监测的智能小车系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于大气环境监测的智能小车系统，涉及环境监测设备技术领域。所述智能小车系统包括智能小车、与智能小车无线通讯连接的环境监测云平台以及与环境监测云平台有线通讯连接的环境监测控制中心；此智能小车能在监测环境场合中自动巡航监测每个环境点位并在监测完成后将大气环境监测数据上传环境监测云平台，以便在环境监测控制中心的监测人员对大气环境监测得出的数据进行处理分析，针对监测环境问题寻找快速的解决方案。本发明公开的一种应用于大气环境监测的智能小车系统，实现了大气环境的不定点监测，提高了智能小车系统的环境监测工作效率，令大气监测更加的完善化、科学化。

Description

一种应用于大气环境监测的智能小车系统

技术领域

本发明涉及环境监测设备技术领域，具体涉及一种应用于大气环境监测的智能小车系统。

背景技术

大气环境质量的好坏会影响到人与动植物日常的生存生长，目前市场上存在的大气环境监测设备虽然在温度、湿度、粉尘颗粒浓度等重要环境检测指标上已经做的相对完善，但是该类大气环境监测设备一般采用固定点以及有线网络的设计，使得对大气环境监测的数据采样点的不完善，监测范围狭窄，同时有线网络的设计极大的限制了大气环境监测设备的设计布局的灵活性。诸如在花卉、蔬菜等植物的生长园中，传统的大气监测设备仅仅能单一的测量某个位置点的大气环境，这就造成对总体大面积植物的环境监测范围十分局限的问题，因此，大气监测设备记录的大气环境参数在这种问题下就不具有很强的参考性。

而基于阵列式传感器可以监测到一定区域内不同位置点的环境参数，但是需要布置多个传感器，同时要对不同检测点的数据通过信息传输方式汇总分析，在成本上花费较大。

因此，鉴于以上问题，有必要提出一种能够对大气环境质量进行实时的数据监测，使得监测的数据更加全面、准确的环境监测系统，以满足环境监测领域的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种应用于大气环境监测的智能小车系统，包括智能小车，与智能小车无线通讯连接的环境监测云平台以及与环境监测云平台有线通讯连接的环境监测控制中心；此智能小车能在监测环境场合中自动巡航监测每个环境点位并在监测完成后将大气环境监测数据上传环境监测云平台，以便在环境监测控制中心的监测人员对大气环境监测得出的数据进行处理分析，针对监测环境问题寻找快速的解决方案，从而提高智能小车系统的环境监测工作效率，令大气监测更加的完善化、科学化。

根据本发明的目的提出的一种应用于大气环境监测的智能小车系统，包括：智能小车、与智能小车无线通讯连接的环境监测云平台以及与环境监测云平台有线通讯连接的环境监测控制中心；

所述智能小车包括智能小车主体以及安装于智能小车主体上的定位系统、大气质量监测传感器模块以及GPRS无线通讯模块；

所述定位系统包括BIRF民用卫星导航系统射频芯片和北斗车载导航软件，所述定位系统通过定位智能小车位置，根据预设的监测点位置坐标，确定智能小车的行进路线后，由智能小车主体上的动力系统驱动智能小车前进；

所述大气质量监测传感器模块，用于对待测区域内的大气环境进行实时传导监测；

所述GPRS无线通讯模块与大气质量监测传感器模块通过RS232通讯接口连接，用于接收传感器监测的大气信息，并将其无线传输至环境监测云平台，以供环境监测控制中心人员实时查看。

优选的，所述智能小车还包括设置于智能小车主体前端、用于拍摄记录当前植物生长状况并将植物照片无线传输至环境监测云平台的监测摄像头。

优选的，所述大气质量监测传感器模块包括：

温度传感器模块：用于监测智能小车周围的温度参数，并将温度值通过GPRS无线通讯模块无线传输至环境监测云平台；

湿度传感器模块：用于监测智能小车周围的湿度参数，并将湿度量通过GPRS无线通讯模块无线传输至环境监测云平台；

微型压力传感器模块：用于监测智能小车周围的大气压强，并将大气压强数值通过GPRS无线通讯模块无线传输至环境监测云平台；

以及粉尘颗粒浓度监测传感器模块：用于监测智能小车周围的粉尘颗粒浓度值，并将测量的粉尘颗粒浓度数据通过GPRS无线通讯模块无线传输至环境监测云平台。

优选的，所述智能小车系统还包括一超声波无线充电模块，所述超声波无线充电模块包括超声波无线能量发射器以及设置于智能小车主体上的超声波无线能量接收器。

优选的，所述超声波无线能量发射器安装于待测环境室内的屋顶。

与现有技术相比，本发明公开的一种应用于大气环境监测的智能小车系统的优点是：

所述智能小车系统，能自行巡航定位对场合内所有位置的大气环境质量进行实时的数据监测，使得监测的数据更加全面准确；同时通过GPRS无线通讯模块将大气质量数据发送至环境监测云平台，使得监测人员更加直观、便捷的对监测的数据进行实时分析，针对监测环境内的大气颗粒浓度、空气温湿度等参数做出相应合理的判断，以便对生长作物的环境治理及时的采取有效应对措施。

另外，所述智能小车系统在工作时当检测到自身电量达到一定的电量阈值时，能利用国内先进的北斗卫星定位技术对安装在屋顶的超声波无线能量发射器进行自动定位，智能小车会行进到超声波无线能量发射器的正下方处，使得小车上的超声波无线能量接收器与超声波无线能量发射器处于有效无线充电距离范围内，从而实现小车的自动无线充电。此方法能提升小车的续航能力，从而增加智能小车的工作效率。

本发明公开的一种应用于大气环境监测的智能小车系统，增加了大气监测设备的灵活性，使大气环境的监测更加的科学化、智能化，真正让智能大气监测的电子设备做到对大气环境的测量、监测、结果分析，实现智能大气监测设备的自动续航与监测工作一体化。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明公开的智能小车的结构图。

图2为大气质量监测传感器模块结构图。

图3为基于Zigbee协议的大气环境监测网络系统的各节点交互式通信方式的系统方框图。

图4为超声波无线充电技术原理图1。

图5为超声波无线充电技术原理图2。

图中的数字或字母所代表的零部件名称为：

1、智能小车主体；2、监测摄像头；3、大气质量监测传感器模块；4、超声波无线能量接收器；5、GPRS无线通讯模块；6、超声波无线能量发射器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做简要说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

图1-图5示出了本发明的较佳实施例，分别从不同的角度对本发明进行了详细的剖析。

如图1-5所示的一种应用于大气环境监测的智能小车系统，包括：智能小车，与智能小车无线通讯连接的环境监测云平台以及与环境监测云平台有线通讯连接的环境监测控制中心。

本发明针对大气环境数据监测的无线通信功能采用基于Zigbee无线传感器的网络技术协议，主要分为三个部分：终端传感器节点，中心节点基站和PC机监控中心。终端传感器节点对应于智能小车，中心节点基站对应于环境监测云平台，PC机监控中心对应于环境监测控制中心。终端传感器节点作为星型网的中央节点负责终端数据的采集，PC机数据监控中心具有信息交互功能，传感器节点与中心节点基站之间通过无线通讯连接，中心节点与PC机监控中心之间采用有线的方式通过USB转虚拟串口相连接进行数据通讯。

智能小车能够在行进时进行实时、不定点的监测，当车身上的各个传感器检测到的环境参数只要有一项数据超过监测人员给他预先设定的参数阈值，智能小车就会通过北斗卫星定位技术定位至该污染范围区域，不再继续预先设定的轨道上的监测，而在这片污染区域重复监测，同时小车系统将环境信息上传至环境监测云平台，监测人员及时的采取环境治理措施，等到该污染区域的环境问题解决后，由监测人员对智能小车发送继续行进的指令，这时，环境监测智能小车能够继续沿着预先设定的监测轨道进行动态监测各个区域点的环境。

智能小车包括智能小车主体1以及安装于智能小车主体上的定位系统、大气质量监测传感器模块3以及GPRS无线通讯模块5。

定位系统包括BIRF民用卫星导航系统射频芯片和北斗车载导航软件，定位系统通过定位智能小车位置，根据预设的监测点位置坐标，确定智能小车的行进路线后，由智能小车主体1上的动力系统驱动智能小车前进。

具体的，智能小车身上的北斗定位系统硬件部分采用民用卫星导航系统射频芯片BIRF1204，智能小车内搭载北斗车载导航软件，在启用北斗定位之前，监测人员预先对智能小车输入四维位置坐标(x,y,z,t)，x为智能小车位置的横轴坐标，y为智能小车位置的纵轴坐标，z为智能小车位置的竖轴坐标，t为智能小车此时的时刻，一旦位置坐标输入完成后，智能小车车身上的北斗定位系统会搜寻最近的四颗定位卫星，四颗定位卫星本身的坐标为(x1,y1,z1,t1)、(x2,y2,z2,t2)、(x3,y3,z3,t3)、(x4,y4,z4,t4)，智能小车位置和一颗卫星位置位于一个立方体的两个对角顶点，通过一个立方体空间的数学计算，可以得出其中一颗卫星与智能小车的距离，联立四个卫星与智能小车位置的方程，可定位智能小车的地理位置。但此时智能小车的位置有些误差，因为卫星与智能小车的距离由光速和时间差求得，而空气中光速传播是存在误差的，所以再通过智能小车与最近的一个基站的误差定位法求出智能小车的相对精确的地理位置。智能小车上的北斗定位系统实时定位智能小车的位置，由智能小车上的动力系统驱动智能小车行进，这样智能小车就能依据监测人员预先设定的监测点位置坐标来实现对环境参数动态的监测。当车身上的各个传感器检测到的环境参数只要有一项数据超过监测人员给他预先设定的参数阈值，小车就会通过北斗卫星定位技术定位至该污染范围区域，不再继续预先设定的轨道上的监测，而在这片污染区域重复监测，同时智能小车系统将环境信息上传至环境监测云平台，监测人员及时的采取环境治理措施，等到该污染区域的环境问题解决后，由监测人员对智能小车发送继续行进的指令，驱动智能小车动力系统，这时，智能小车能够继续沿着预先设定的监测轨道进行动态监测各个区域点的环境。

大气质量监测传感器模块3，用于对待测区域内的大气环境进行实时传导监测。此模块负责对所测场合区域内的大气环境进行实时传导监测。

进一步的，大气质量监测传感器模块3包括温度传感器模块、湿度传感器模块、微型压力传感器模块以及粉尘颗粒浓度检测传感器模块。

其中，温度传感器模块用于监测智能小车周围的温度参数，并将温度值通过GPRS无线通讯模块5无线传输至环境监测云平台。具体的，温度传感器模块为DS18B20温度传感器元件，将其与STM32的相应IO口相连，DS18B20可以将温度信号转换为STM32可用的电信号，监测人员预先设定一个温度电信号范围初值，温度传感器能测量智能小车周围的温度参数，将温度数据传送给STM32的驱动电路显示温度值，一旦温度(当前温度的电信号的值)超过预设温度初值(预设温度电信号初值)，STM32就会通过连接在STM32上的有源蜂鸣器报警，并将此时的温度值通过GPRS无线通讯模块5无线传输给环境监测云平台，以供环境监测控制中心人员实时查看数据。

湿度传感器模块用于监测智能小车周围的湿度参数，并将湿度量通过GPRS无线通讯模块5无线传输至环境监测云平台。湿度传感器采用DHT11电阻式湿度传感器组件，与温度传感器一样，将DHT11元件与智能小车上的STM32的相应IO口相连，DHT11能将湿度信号转化为STM32可用的电信号，监测人员预先设定好湿度的电信号范围初值，在智能小车监测过程中湿度传感器能够测量植物生长环境周围的湿度参数，若环境监测的湿度值(当前湿度的电信号值)不在设定的湿度范围(预设湿度电信号值)之内，STM32就会通过连接在STM32上的有源蜂鸣器报警，同时将监测的到的湿度量通过GPRS无线通讯模块5无线传输至环境监测云平台。

微型压力传感器模块用于监测智能小车周围的大气压强，并将大气压强数值通过GPRS无线通讯模块5无线传输至环境监测云平台。微型压力传感器采用OMEGA的PX4509系列电子气压计，此压力传感器是高精度的气压计，PX4509与STM32的相应的IO口相连接，将压力信号转换成可用的电信号，监测人员预先设置一个压力电信号范围初始值，微型压力传感器能够检测环境的大气压强，当所测的大气压强值(当前压强的电信号值)超出了预设的压强范围(预设压强电信号值)时，STM32就会通过连接在STM32上的有源蜂鸣器报警，同时将测量到的大气压强数值通过GPRS无线通讯模块5无线传输至环境监测云平台。

粉尘颗粒浓度监测传感器模块用于监测智能小车周围的粉尘颗粒浓度值，并将测量的粉尘颗粒浓度数据通过GPRS无线通讯模块5无线传输至环境监测云平台。

GPRS无线通讯模块5与大气质量监测传感器模块3通过RS232通讯接口连接，用于接收传感器监测的大气信息，并将其无线传输至环境监测云平台，以供环境监测控制中心人员实时查看。具体操作中，预先在小车中插入SIM卡，当智能小车在监测场合环境下的大气环境质量时如果检测到当前的大气颗粒浓度、温湿度等一系列影响植物生长的因素时立即通过RS232通讯接口将数据传送给小车上的GPRS无线通讯模块5，GPRS无线通讯模块5把当前环境污染的信息上传给环境监测云平台，在环境监测控制中心的工作人员能实时对场合环境下的大气状况做判断以采取合适有效的方法控制大气污染。

GPRS无线通信模块5采用H7710DTU模块，将H7710DTU与STM32的相应管脚相连，实现STM32与环境监测云平台的无线通讯，此模块能将智能小车检测到的环境数据参量通过无线的方式发送至环境监测云平台，以便监测人员实时查看环境信息。

进一步的，智能小车还包括设置于智能小车主体1前端、用于拍摄记录当前植物生长状况并将植物照片无线传输至环境监测云平台的监测摄像头2。智能小车行进监测摄像头2，采用带FIFO的STM32驱动摄像头组件，将此摄像头与STM32相应的IO口相连，摄像头所拍摄的图像先保存至SD卡中，随后对存储的图像源码进行解码，最后对当前拍摄的图像数据进行处理。此监测摄像头2能在智能小车监测环境参数超标发生报警的时候自动拍摄记录下当前的植物的生长状况，并将植物照片通过GPRS无线通讯模块5无线传输至环境监测云平台，以供监测人员实时监测植物的生长状况，以便及时处理植物生长环境状况。

进一步的，智能小车系统还包括一超声波无线充电模块，超声波无线充电模块包括超声波无线能量发射器6以及设置于智能小车主体1上的超声波无线能量接收器4。

进一步的，超声波无线能量发射器6安装于待测环境室内的屋顶。

超声波无线充电的原理：

超声波无线充电技术是将安装在墙体上的超声波无线能量发射器6向空气中发射高频的超声波，频段在20kHz—20000kHz，因为人耳能听见的声音的频率在20Hz—20kHz之间，所以超声波不会对人体产生影响。发出的超声波带动空气中的空气振动，使得空气中的气流带有一定动能，此声波经空气传播，发射至大气监测智能小车上的超声波无线能量接收器4上，超声波无线能量接收器4可以将空气中的气体分子产生的动能转换为智能小车所需要的电能，并给予该智能小车充电。这就解决了小车工作时的能耗问题，使得智能小车能长时间进行工作，极大的提高了大气监测设备的运作效率。

因为超声波无线充电发射器6向智能小车上的超声波无线能量接收器4传播超声波的距离是有限的，且超声波在传播过程中要避免障碍物对其的干扰问题，所以本发明将超声波无线充电发射器6安装在待测环境室内的屋顶上，这样使得超声波在发射途中避免了障碍物的阻隔，这样也能将空气中分子的动能最大限度的传递给智能小车上的超声波无线能量接收器4。智能小车在监测到自身的电量达到一定的电量阈值时，能根据预设的超声波无线能量发射器6位置坐标，确定导航路线，再智能小车主体1上的动力系统，驱动智能小车行进至目标地点，智能小车上的超声波无线能量接收器4与超声波无线能量发射器6实现对接，智能小车能够进行无线充电，充电完成后继续沿着预先设定的监测轨道进行动态监测各个区域点的环境。

综上所述，本次发明公开的一种应用于大气环境监测智能小车系统，可以解决区域性的环境监测问题，工作中智能小车按照预定的轨道进行行走，通过安装在智能小车主体上的环境传感器可以进行多个点环境数据的检测，能够对大面积的监测环境做灵活全局的大气情况监测统计，改善了现有大气监测设备位置固定化和监测结果单一化的问题，实现了大气环境的不定点监测，并通过无线通信技术将被测量的大气数据实时发送上传至云平台，便于监测人员的统计判断。

另外，该发明同时还解决了大气环境监测智能小车系统监测时的能耗问题，用超声波无线充电技术对智能小车进行实时跟踪定位无线充电，极大的提高了大气监测设备在运作时的工作效率，也使得大气监测工作更加科学完善，实现智能大气监测设备的自动续航与监测工作一体化。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现和使用本发明。对这些实施例的多种修改方式对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种应用于大气环境监测的智能小车系统，其特征在于，包括：智能小车，与智能小车无线通讯连接的环境监测云平台以及与环境监测云平台有线通讯连接的环境监测控制中心；

所述智能小车包括智能小车主体(1)以及安装于智能小车主体上的定位系统、大气质量监测传感器模块(3)以及GPRS无线通讯模块(5)；

所述定位系统包括BIRF民用卫星导航系统射频芯片和北斗车载导航软件，所述定位系统通过定位智能小车位置，根据预设的监测点位置坐标，确定智能小车的行进路线后，由智能小车主体(1)上的动力系统驱动智能小车前进；

所述大气质量监测传感器模块(3)，用于对待测区域内的大气环境进行实时传导监测；

所述GPRS无线通讯模块(5)与大气质量监测传感器模块(3)通过RS232通讯接口连接，用于接收传感器监测的大气信息，并将其无线传输至环境监测云平台，以供环境监测控制中心人员实时查看。

2.根据权利要求1所述的一种应用于大气环境监测的智能小车系统，其特征在于，所述智能小车还包括设置于智能小车主体(1)前端、用于拍摄记录当前植物生长状况并将植物照片无线传输至环境监测云平台的监测摄像头(2)。

3.根据权利要求2所述的一种应用于大气环境监测的智能小车系统，其特征在于，所述大气质量监测传感器模块(3)包括：

温度传感器模块：用于监测智能小车周围的温度参数，并将温度值通过GPRS无线通讯模块(5)无线传输至环境监测云平台；

湿度传感器模块：用于监测智能小车周围的湿度参数，并将湿度量通过GPRS无线通讯模块(5)无线传输至环境监测云平台；

微型压力传感器模块：用于监测智能小车周围的大气压强，并将大气压强数值通过GPRS无线通讯模块(5)无线传输至环境监测云平台；

以及粉尘颗粒浓度监测传感器模块：用于监测智能小车周围的粉尘颗粒浓度值，并将测量的粉尘颗粒浓度数据通过GPRS无线通讯模块(5)无线传输至环境监测云平台。

4.根据权利要求1所述的一种应用于大气环境监测的智能小车系统，其特征在于，所述智能小车系统还包括一超声波无线充电模块，所述超声波无线充电模块包括超声波无线能量发射器(6)以及设置于智能小车主体(1)上的超声波无线能量接收器(4)。

5.根据权利要求4所述的一种应用于大气环境监测的智能小车系统，其特征在于，所述超声波无线能量发射器(6)安装于待测环境室内的屋顶。