CN110505565A - 一种具有定位功能的移动式环境检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种具有定位功能的移动式环境检测装置。包括GPRS/4G传输和GPS定位电路、多功能环境数据采集电路、各种环境检测传感器、云服务器、WEB前端。本发明的有益效果为：在数据上传时将设备的地理位置.设备编号和时间戳绑定，对于远程环境数据分析处理和设备管理提供了可行性的方法；极大延伸了产品功能和应用场景，如安装在移动的设备上，通过数据实时上传云服务器，云端对数据进行处理后，结合地图和大数据展示技术，不同的用户可以通过浏览器访问服务器，可以实时看到设备经过地点的环境参数，对于道路和环境污染检测有很大的帮助；高度集成化.模块化和可移动性，大大节约了数据收集成本和社会资源。
Description
技术领域
本发明涉及环境检测.设备定位和数据传输技术领域，尤其是一种具有定位功能的可移动的环境检测装置。
背景技术
在处于物联网时代， "数据上云"和"物物相连"成了科技发展的趋势，不同应用场景对上传的数据有着不同的要求和规范，对上传的数据除了准确性.可靠性和实时性之外，还要求具有唯一性和可追溯性。对于移动式环境检测设备，在数据上传至云服务器时，需要将定位功能.设备编号和时间戳绑定，这样才能确定数据的来源和可以数据处理。而现有的环境检测装置只是将局限于将环境数据存储在本地，在上传数据到云服务器时仅仅通过设备编号的方式，来识别数据的来源。这样在数据存储和处理时受到很多问题，如对于移动式环境检测需要事先规划路线，然后按照规定的路线行驶，在工作结束后再将本地数据存储和处理。上述原因造成了在移动式环境检测应用场景的局限和数据处理上的低效和可操作性不好，在整个工作中不确定的因素很多，涉及到多个部门的协同规划，不仅工作效率低下，而且数据的准确性和实时性不够，对于现场环境设备和人员的监管不到位等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有定位功能的移动式环境站装置在将现场环境数据实时上传到云服务器时，云服务器端能够知道当前设备所在的地理位置和设备编号。
为解决上述问题，本发明提供一种具有定位功能的移动式环境站装置，能够实现将设备的定位信息和设备编号进行绑定，在将现场环境数据实时上传到云服务器时，添加定位信息.设备编号和时间戳，环境检测数据不仅在本地存储和显示，也同时上传至云服务器，这样设备使用人员和数据接收人员无关，环境检测数据也具有唯一性和可操作性。包括GPRS/4G传输和GPS定位电路、环境数据采集电路、各种环境检测传感器、云服务器、WEB前端。其中GPRS/4G传输和GPS定位电路通过RS232/485接口与环境数据采集电路连接，环境检测传感器通过RS232/485/CAN/CAN/RJ45等接口与多功能数据采集电路相连，GPRS/4G传输和GPS定位电路通过GPRS/4G网络将数据实时上传至云服务器，WEB前端通过AJAX等方式调用云服务器的数据。
本发明能够安装在移动形式的设备上，将环境检测数据和所在地理位置信息实时上传至云服务器，云服务器对数据处理和存储，WEB前端通过AJAX调用数据，结合地图或图形插件来展示环境数据，这样只要该装置通过的地方，该装置所在的地理位置和环境参数便能够实时展示。
优选的，具有GPRS/4G传输和GPS定位电路、环境数据采集电路、各种环境检测传感器、云服务器、WEB前端。
优选的，环境数据采集电路，包括由TFT显示电路.数据存储电路.传感器接口电路.RS232/485通讯电路.主控电路.电源电路组成。
优选的，数据存储电路采用TF卡，实时检测数据上传至云服务器同时进行打包整理后，存储到本地的TF卡中。
优选的，GPRS/4G传输和GPS定位电路由定位和传输电路.主控电路. EEPROM电路.RS232通讯电路.电源电路组成。
本发明的有益效果为：将设备的地理位置和设备编号绑定，对于远程环境数据分析处理和设备管理提供了可行性的方法；极大延伸了产品功能和应用场景，如安装在移动的设备上，通过数据实时上传云服务器，云端对数据进行处理后，结合地图和大数据展示技术，不同的用户可以通过浏览器访问服务器，可以实时看到设备经过地点的环境参数，对于道路和环境污染检测有很大的帮助；高度集成化.模块化和可移动性，大大节约了数据收集成本和社会资源；通过4G网络将数据上传至主机服务器，对光纤及网络没有要求；内置高精度GPS芯片，支持模块定位跟踪，便于设备管理。
附图说明
图1是本发明的装置的摘要附图。
图2是本发明装置的GPRS/4G传输和GPS定位电路原理框图。
图3是本发明装置的环境数据采集电路原理框图。
图4是本发明装置的环境数据采集电路中数据存储电路图。
图5是本发明装置的环境数据采集电路中传感器接口电路图。
图6是本发明装置的环境数据采集电路中RS232/485通讯电路图。
图7是本发明装置的GPRS/4G传输和GPS定位电路中定位和传输电路图。
图8是本发明装置的GPRS/4G传输和GPS定位电路中主控电路图。
图9是本发明装置的GPRS/4G传输和GPS定位电路中EEPROM电路图。
图10是本发明装置的GPRS/4G传输和GPS定位电路中电源电路图。
图11是本发明装置的云端工作原理框图（举例）。
图12是本发明装置的环境数据采集电路中主控电路。
具体实施方式
如图1所示，一种具有定位功能的移动式环境站装置，包括GPRS/4G传输和GPS定位电路、环境数据采集电路、各种环境检测传感器、云服务器、WEB前端。其中GPRS/4G传输和GPS定位电路通过RS232/485接口与环境数据采集电路连接，环境检测传感器通过RS232/485/II2C/SPI/4-20mA等接口与环境数据采集电路相连，GPRS/4G传输和GPS定位电路通过GPRS/4G网络将数据实时上传至云服务器，WEB前端通过AJAX等方式调用云服务器的数据。能够实现将设备的定位信息和设备编号进行绑定，在将现场环境数据实时上传到云服务器时，添加定位信息.设备编号和时间戳，环境检测数据不仅在本地存储和显示，也同时上传至云服务器，这样设备使用人员和数据接收人员无关，环境检测数据也具有唯一性和可操作性。
如图2所示，GPRS/4G传输和GPS定位电路原理框图，包括定位和传输电路.主控电路. EEPROM电路.RS232通讯电路.电源电路组成。其中RS232通讯电路用于与环境数据采集电路通讯，也可用户参数配置通讯；定位和传输电路用于接收GPS信号，通过SIM卡连接GPRS/4G网络，实用UART接口与主控单元中ARM芯片进行通讯，向云服务器发送环境检测数据；主控电路具有控制GPRS/4G传输和GPS定位电路运行和数据通讯等功能；电源电路用于给其他电路提供电源。
如图3所示，环境数据采集电路原理框图，包括TFT显示电路.数据存储电路.传感器接口电路.RS232/485通讯电路.主控电路.电源电路。其中TFT显示电路与主控电路使用UART接口，按照制定的通讯协议进行通讯，将接收到的数据显示在TFT屏上；数据存储电路分TF卡存储电路和EEPROM存储电路，TF卡存储电路通过SPI接口与主控电路进行通讯，实用FATFS文件系统，用于存储现场的环境检测数据，EEPROM实用IIC接口与主控电路进行通讯，用于存储用户配置参数，如IP地址.端口号.版本号.功能码等，供程序在运行中调用；传感器接口电路用于外部传感器和内部传感器的接口电路，包括IIC接口.SPI接口.D总线.4-20mA.RS232.RS485.无线传输，能够满足大多传感器的硬件接口；RS232/485通讯电路共有两个RS232接口和一个RS485接口，一个RS232接口和GPRS/4G传输和GPS定位电路进行通讯，另外一个RS232接口和RS485接口用于外接传感器的通讯；主控电路具有系统控制.数据采集和数据通讯等功能；电源电路用于给其他电路提供电源。
如图4所示，数据存储电路分TF卡存储电路和EEPROM存储电路，TF卡存储电路具体结构为：从主控电路中ARM芯片来的MC_SPI1_MISO信号经过电阻R10到TF卡座CN15的7脚，+3.3V经过电阻R9到TF卡座CN15的2脚，从主控电路中ARM芯片来的MC_SPI1_CS信号到TF卡座CN15的2脚，从主控电路中ARM芯片来的MC_SPI1_MOSI信号到TF卡座CN15的3脚，+3.3V电源到TF卡座CN15的4脚，从主控电路中ARM芯片来的MC_SPI1_SCK信号到TF卡座CN15的5脚，通过程序内置的FATFS系统对TF卡进行读写；EEPROM电路具体结构为：从主控电路中ARM芯片来的MCU_SCL.MCU_SDA分别接EEPROM芯片的6脚和5脚，+3.3V接EEPROM芯片的8脚，电容C24接+3.3V和SGND，EEPROM芯片的1.2.3.4.7脚接SGND，实现用户配置参数的读写。
如图5所示，传感器接口电路具体结构为：+3.3V经过电阻R7接U2的2脚，U2的2脚将信号DS18B20送至主控电路中ARM芯片，+3.3V接U2的1脚，U2的3脚接SGND，这构成了一个D总线电路；来自主控电路的MC_UART2_TX.MC_UART2_RX信号分别经过电子R29.R30接无线模块J7的2.3脚，+5V接无线模块J7的1脚，无线模块J7的4脚接地，构成了一个无线传输电路；来自主控电路的MC_I2C1_SCL.MC_I2C1_SDA信号分别接J4的2.3脚，+3.3V经过电阻R22.R23分别接J4的2.3脚，+3.3V经过电阻R21接J4的1脚，J4的4脚接SGND，这个构成了一个I2C接口电路；本电路中共有四个4-20mA传感器接口，分别是J8的1脚---传感器1的正极，J8的2脚---传感器1的负极，J8的3脚---传感器2的正极，J8的4脚---传感器2的负极，J11的1脚---传感器1的正极，J11的2脚---传感器1的负极，J11的3脚---传感器2的正极，J11的4脚---传感器2的负极，传感器1经过电阻R34.R33.R41.R35.电容C17,送到主控电路ARM芯片的ADC_IN10,同理其他的三个分别接主控电路ARM芯片的ADC_IN11. ADC_IN12. ADC_IN13,给ARM芯片的模数采样电路；J13是SPI接口电路，送至主控电路；J6是两个光耦隔离的输入接口，J9是OC门输出接口，接口的信号直接送到主控电路。
如图6所示，环境数据采集电路中RS232/485通讯电路图由RS232电路和RS485电路构成，一路RS232接口J1与GPRS/4G传输和GPS定位电路通讯，另一路RS232接口J10用作外部传感器通讯，RS485接口用于外部传感器通讯。
如图7所示，定位和传输电路具体结构为：定位和传输芯片U3A的18脚（SIM1_VDD）经过电容C33.C2接SIM卡U5的6脚，定位和传输芯片U3A的19脚（SIM1_CLK）经过电阻R29.电容C42接SIM卡U5的4脚，定位和传输芯片U3A的20脚（SIM1_RST）经过电阻R26.电容C36接SIM卡U5的5脚，定位和传输芯片的21脚（SIM1_DATA）经过电阻R28.电容C41接SIM卡U5的1脚，定位和传输芯片U3A的18脚（SIM1_VDD）经过电阻R30.电容C41接SIM卡U5的1脚，实现了定位和传输芯片和SIM卡之间的通讯；定位和传输芯片U3A的34脚经过电阻R7（信号M26TX_STRX）与主控电路中ARM芯片U1的13脚相连，定位和传输芯片U3A的33脚经过电阻R8（信号M26RX_STTRX）.电阻R9与主控电路中ARM芯片U1的12脚相连，实现主控电路和定位和传输电路之间的通讯；定位和传输芯片U3A的41脚（RF_ANT.）经过电阻R16.电容C3.C27与天线座TX1的2脚相连，天线座TX1的1.3.4.5脚接地，实现GPRS/4G信号的传输；定位和传输芯片U3A的15脚（GNSS_ANT）经过电阻R25.C34.C35与天线座TX2的2脚相连，VCC_3.3V经过电阻R21.电感L2给GPS天线供电，天线座1.3.4.5脚接地，实现GPS/GNSS信号的接收。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。
Claims (10)
1.一种具有定位功能的移动式环境检测装置,其特征在于，包括GPRS/4G传输和GPS定位电路、环境数据采集电路、各种环境检测传感器、云服务器、WEB前端;其中GPRS/4G传输和GPS定位电路通过RS232/485接口与环境数据采集电路连接，环境检测传感器通过RS232/485/CAN/CAN/RJ45/Wireless等接口与环境数据采集电路相连，GPRS/4G传输和GPS定位电路通过GPRS/4G网络将数据.实时上传至云服务器，WEB前端通过AJAX调用云服务器的数据。
2.如权利要求1所述的定位功能的移动式环境检测装置，其特征在于，环境检测传感器和环境数据采集电路采集的现场数据，通过GPRS/4G传输和GPS定位电路上传云服务器时，能够将现场数据与地理信息.设备编号和时间戳绑定。
3.如权利要求1所述的定位功能的移动式环境检测装置，其特征在于，环境数据采集电路具有RS232/485/SPI/IIC/Wireless等接口，通过这些接口与不同的环境检测传感器相连接。
4.如权利要求1所述的定位功能的移动式气象站检测装置，其特征在于，环境数据采集电路由TFT显示电路.数据存储存储电路. RS232/485通讯电路,传感器接口电路.主控电路.电源电路组成，其中数据存储电路包括TF卡存储电路和EEPROM存储电路，TF卡用存储实时检测的环境数据，EEPROM用于存储用户参数。
5.如权利要求1所述的定位功能的移动式气象站检测装置，其特征在于，GPRS/4G传输和GPS定位电路由定位和传输电路.主控电路. EEPROM电路.RS232通讯电路.电源电路组成；其中定位和传输电路负责数据的传输和GPS信号的接收；主控电路负责数据的处理和GPRS/4G传输和GPS定位电路运行控制；RS232电路负责和环境数据采集电路或用户配置参数时的通讯；EEPROM电路负责存储IP地址.端口号等用户配置数据；主控电路中包含硬件看门狗电路，保证在遇到SIM卡损坏等极端或意外情况下，程序中软件看门狗无法工作，此时硬件看门狗开始工作，这样GPRS/4G传输和GPS定位电路可自我修复，给环境数据采集电路的可自愈性增加了双重保障。
6.如权利要求4所述的定位功能的移动式环境检测装置，其特征在于，TF卡存储电路具体结构为：从主控电路中ARM芯片来的MC_SPI1_MISO信号经过电阻R10到TF卡座CN15的7脚，+3.3V经过电阻R9到TF卡座CN15的2脚，从主控电路中ARM芯片来的MC_SPI1_CS信号到TF卡座CN15的2脚，从主控电路中ARM芯片来的MC_SPI1_MOSI信号到TF卡座CN15的3脚，+3.3V电源到TF卡座CN15的4脚，从主控电路中ARM芯片来的MC_SPI1_SCK信号到TF卡座CN15的5脚。
7.如权利要求5所述的定位功能的移动式环境检测装置，其特征在于，定位和传输电路具体结构为：定位和传输芯片U3A的18脚（SIM1_VDD）经过电容C33.C2接SIM卡U5的6脚，定位和传输芯片U3A的19脚（SIM1_CLK）经过电阻R29.电容C42接SIM卡U5的4脚，定位和传输芯片U3A的20脚（SIM1_RST）经过电阻R26.电容C36接SIM卡U5的5脚，定位和传输芯片的21脚（SIM1_DATA）经过电阻R28.电容C41接SIM卡U5的1脚，定位和传输芯片U3A的18脚（SIM1_VDD）经过电阻R30.电容C41接SIM卡U5的1脚，实现了定位和传输芯片和SIM卡之间的通讯；定位和传输芯片U3A的34脚经过电阻R7（信号M26TX_STRX）与主控电路中ARM芯片U1的13脚相连，定位和传输芯片U3A的33脚经过电阻R8（信号M26RX_STTRX）.电阻R9与主控电路中ARM芯片U1的12脚相连，实现主控电路和定位和传输电路之间的通讯；定位和传输芯片U3A的41脚（RF_ANT.）经过电阻R16.电容C3.C27与天线座TX1的2脚相连，天线座TX1的1.3.4.5脚接地，实现GPRS/4G信号的传输；定位和传输芯片U3A的15脚（GNSS_ANT）经过电阻R25.C34.C35与天线座TX2的2脚相连，VCC_3.3V经过电阻R21.电感L2给GPS天线供电，天线座1.3.4.5脚接地，实现GPS/GNSS信号的接收。
8.如权利要求2所述的定位功能的移动式环境检测装置，其特征在于，通过GPS信号获取UTC时间，然后进行时区（+8小时）转换，将转换后的时间和设备编号和设备地理位置整理，结合现场检测的环境数据，按照用户的通讯协议进行打包，然后通过GPRS/4G信号进行数据上传。
9.如权利要求4所述的定位功能的移动式环境检测装置，其特征在于，主控电路中电池BT1正极经过二极管D7到ARM芯片U3B的6脚（VBAT）,+3.3V经过二极管D19到ARM芯片的6脚（VBAT），构成了ARM芯片U3B内部RTC时钟供电电路，当GPRS/4G传输和GPS定位电路与环境数据采集电路正常连接时，通过获取GPS时间戳对ARM芯片U3B内部RTC时钟进行校准和同步，当GPRS/4G传输和GPS定位电路与环境数据采集电路断开连接时，ARM芯片U3B内部RTC时钟继续工作，同样当环境数据采集电路断电时，ARM芯片U3B内部RTC时钟也会继续工作。
10.如权利要求4所述的定位功能的移动式气象站检测装置，其特征在于，主控电路中包括硬件看门狗电路,保证在遇到传感器损坏等极端或意外情况下，程序中软件看门狗无法工作，此时硬件看门狗开始工作，这样环境数据采集电路可自我修复，给环境数据采集电路的可自愈性增加了双重保障。
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