CN110856131B - 数字化多功能智能监控终端及监控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明所设计数字化多功能智能监控终端，它包括芯片温度传感器、环境湿度传感器、大气压强传感器、光照度传感器、环境温度传感器、PM颗粒物浓度传感器、有机物气体浓度传感器、热释电红外传感器和嵌入式微处理器，本发明旨在解决传统传感器或智能终端功能单一、可扩展性差、布线困难、大体积、成本高等问题。

Description

数字化多功能智能监控终端及监控方法
技术领域
本发明涉及智能监控技术领域，具体地指一种数字化多功能智能监控终端及监控方法。
技术背景
目前，在楼宇设施内部，为了能够准确而综合地感知认识应用环境和场景，往往需要同时测量多种类型的物理量，如环境温湿度、光照强度、人体移动探测、PM2.5、CO2、VOC、CHCO等，以便就局部空间环境的场景应用需求、综合节能措施开展相应的数字化测量\闭环控制。市场上现有终端产品很难满足现有需求，往往具备以下若干缺陷：
功能单一、市场主流产品往往只能测得1个或少量的物理参数，若房间需采集的参数种类较多，需依次安装多个单一功能传感器，增加了应用架构的复杂度，增加了布线长度和种类，无法有效地控制布线及安装成本。而且单一功能传感器布置在整个系统中，采集的信息较为分散，不利于对信息进行集成处理。
可扩展性差、市场主流产品通常不包括可扩展输入或输出接口，如果需要添加某项传感测量功能、实现某个控制功能，需额外单独安装传感器、布置电源或信号线、增加标准PLC控制系统的输入或输出扩展模块，无法根据现场需求灵活配置，降低了系统的灵活性，提高了系统的传感测量、布线以及PLC控制成本。
布线困难、市场现有的多功能传感器大都将采集的模拟\数字信号通过RS485信号电缆、模拟信号电缆等有线传输方式上传到本地服务器或云端服务器，需要额外单独布置电源线，增加了布线的种类和长度。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种数字化多功能智能监控终端及监控方法，本发明旨在解决传统传感器或智能终端功能单一、可扩展性差、布线困难、大体积、成本高等问题。
为实现此目的，本发明所设计的数字化多功能智能监控终端，其特征在于，它包括芯片温度传感器、环境湿度传感器、大气压强传感器、光照度传感器、环境温度传感器、PM颗粒物浓度传感器、有机物气体浓度传感器、热释电红外传感器和嵌入式微处理器，所述芯片温度传感器、环境湿度传感器、大气压强传感器和光照度传感器的数据通信端通过IIC接口连接嵌入式微处理器的对应传感器数据通信端，环境温度传感器的数据通信端通过单线制接口连接嵌入式微处理器的环境温度数据通信端，PM颗粒物浓度传感器和有机物气体浓度传感器的数据通信端通过UART串口连接嵌入式微处理器的对应传感器数据通信端，热释电红外传感器的通信端通过放大调理模块连接嵌入式微处理器的红外线数据通信端，芯片温度传感器、环境湿度传感器、大气压强传感器、光照度传感器、环境温度传感器、PM颗粒物浓度传感器、有机物气体浓度传感器和热释电红外传感器的驱动代码位于嵌入式微处理器的板级支持包中，嵌入式微处理器的数字量输出接口用于连接外接PLC控制模块，嵌入式微处理器的模拟量输出接口用于连接外接模拟控制设备的继电器，嵌入式微处理器的数字量输入接口用于连接外置可扩展数字量传感器，嵌入式微处理器的模拟量输入端接口用于连接外置可扩展模拟量传感器。
本发明包含芯片温度传感器、环境湿度传感器、大气压强传感器、光照度传感器、环境温度传感器、PM颗粒物浓度传感器、有机物气体浓度传感器、热释电红外传感器等数字化传感器模块可同时测量多个参数，实现多种室内BAS(Building Automation System，楼宇自动化系统)参数测量功能；
本发明可根据现场需求灵活扩展传感器接口、以及控制接口，减少PLC控制器的输入\输出模块，有效地降低整体系统集成、开发成本；
同时本发明还实现了根据传感器数据对各个执行设备的进行闭环控制，保证了室内环境稳定控制在预设状态。
另外，各个传感器数据实时上传到云端，方便远程监控室内环境。
附图说明
图1为本发明的原理框图；
其中，1—芯片温度传感器、2—环境湿度传感器、3—大气压强传感器、4—光照度传感器、5—环境温度传感器、6—PM颗粒物浓度传感器、7—有机物气体浓度传感器、8—热释电红外传感器、9—数字量输出接口、10—模拟量输出接口、11—数字量输入接口、12—模拟量输入端接口、13—嵌入式微处理器、14—IIC接口、15—UART串口、16—放大调理模块、17—PLC控制模块、18—模拟控制设备的继电器、19—外置可扩展数字量传感器、20—外置可扩展模拟量传感器、21—环境湿度、温度和气压调节设备、22—电动遮阳帘、23—空气过滤系统、24—门禁系统、25—RS485通信模块、26—WIFI通信模块、27—以太网通信模块、28—LORA无线通信模块、29—显示器、30—单线制接口、31—监控终端内部风扇。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1所述的一种数字化多功能智能监控终端，其特征在于，它包括芯片温度传感器1、环境湿度传感器2、大气压强传感器3、光照度传感器4、环境温度传感器5、PM颗粒物浓度传感器6、有机物气体浓度传感器7、热释电红外传感器8和嵌入式微处理器13，所述芯片温度传感器1、环境湿度传感器2、大气压强传感器3和光照度传感器4的数据通信端通过IIC接口14连接嵌入式微处理器13的对应传感器数据通信端，环境温度传感器5的数据通信端通过单线制接口30连接嵌入式微处理器13的环境温度数据通信端，PM颗粒物浓度传感器6和有机物气体浓度传感器7的数据通信端通过UART串口15连接嵌入式微处理器13的对应传感器数据通信端(数字化智能终端集成其他传感器生产厂家的传感器模块，依据其对应的传感器接口在板子上设置相应的模块)，热释电红外传感器8的通信端通过放大调理模块16连接嵌入式微处理器13的红外线数据通信端(放大调理模块16可实现信号的隔离传输、切断地回路干扰，信号的远距离传输，有效解决现场干扰及传感器设备端口保护)，芯片温度传感器1、环境湿度传感器2、大气压强传感器3、光照度传感器4、环境温度传感器5、PM颗粒物浓度传感器6、有机物气体浓度传感器7和热释电红外传感器8的驱动代码位于嵌入式微处理器13的板级支持包(BSP，Board Support Package)中(将传感器驱动放入板级支持包是为了开发人员更好地进行开发工作，其作用是完成系统上电时的硬件初始化，为操作系统访问硬件驱动程序提供支持)，嵌入式微处理器13的数字量输出接口9用于连接外接PLC控制模块17，嵌入式微处理器13的模拟量输出接口10用于连接外接模拟控制设备的继电器18，嵌入式微处理器13的数字量输入接口11用于连接外置可扩展数字量传感器19，嵌入式微处理器13的模拟量输入端接口12用于连接外置可扩展模拟量传感器20。
上述技术方案中，述嵌入式微处理器13用于根据芯片温度传感器1感应到的监控终端内部芯片温度信号，生成监控终端内部风扇控制指令，并将监控终端内部风扇控制指令通过模拟量输出接口10发送到监控终端内部风扇31的模拟控制设备的继电器18，实现对监控终端内部风扇31的闭环控制，保证监控终端内部芯片温度保持在预设的芯片温度安全值范围内。
上述技术方案中，所述嵌入式微处理器13用于根据环境湿度传感器2、大气压强传感器3和环境温度传感器5感应到的环境湿度、大气压强和环境温度信号，生成环境条件控制指令，并将环境条件控制指令通过数字量输出接口9传输到外接PLC控制模块17，PLC控制模块17根据环境条件控制指令控制环境湿度、温度和气压调节设备21，实现对环境湿度、温度和气压调节设备21的闭环控制，保证环境湿度、温度和气压保持在预设湿度、温度和气压范围内。
上述技术方案中，所述嵌入式微处理器13用于根据光照度传感器4感应到的光照度数据，生成遮阳帘控制指令，并将遮阳帘控制指令通过数字量输出接口9传输到外接PLC控制模块17，PLC控制模块17根据遮阳帘控制指令控制电动遮阳帘22的开度，保证室内光照度在预设光照度范围内。
上述技术方案中，所述嵌入式微处理器13用于根据PM颗粒物浓度传感器6和有机物气体浓度传感器7感应到的PM颗粒物浓度信号和有机物气体浓度信号，生成空气过滤系统控制指令，并将空气过滤系统控制指令通过数字量输出接口9传输到外接PLC控制模块17，PLC控制模块17根据空气过滤系统控制指令控制空气过滤系统23的工况，保证室内PM颗粒物浓度和有机物气体浓度在预的PM颗粒物浓度和有机物气体浓度范围内。
上述技术方案中，所述嵌入式微处理器13用于根据热释电红外传感器8感应到的门禁系统前人体移动信号，生成门禁系统控制指令，并将门禁系统控制指令通过数字量输出接口9传输到外接PLC控制模块17，PLC控制模块17根据门禁系统控制指令控制门禁系统24工作。
上述技术方案中，所述嵌入式微处理器13的远程数据通信端还连接有RS485通信模块25、WIFI通信模块26、以太网通信模块27和LORA无线通信模块28。
以太网通信模块27中的以太网TCP/IP协议栈选择开源的LwIP协议栈，LwIP含义是light weight(轻型)IP协议，在实现时保持了TCP协议的主要功能基础上减少对RAM的占用，一般它只需要几十K的RAM和40K左右的ROM就可以运行，这使LwIP协议栈很适合在低端嵌入式系统中使用。智能监控终端创建一个TCP Server服务端，接收主机访问。IP地址、本地端口可以参数配置。智能监控终端无需主动上报数据包。智能监控终端开启UDP服务端口，支持广播探测，进行网络参数配置。
WiFi无线的网络层为TCP/IP协议。应用层可以选择标准的MODBUS TCP协议，也可以选择MODBUS TCP协议。MODBUS TCP和MODUB RTU的重要区别就是前者多了6个字节的头部，尾部少了2字节CRC校验。中间字段是完全一样。两种协议之间可以很方便的进行转换。
上述技术方案中，所述嵌入式微处理器13的显示信号通信端通过SPI接口连接显示器29的通信端，嵌入式微处理器13用于将实时的芯片温度、环境湿度、大气压强、光照度、环境温度、PM颗粒物浓度、有机物气体浓度和门禁前人体移动情况数据传输给显示器29进行显示。
上述技术方案中，所述嵌入式微处理器13用于将实时的芯片温度、环境湿度、大气压强、光照度、环境温度、PM颗粒物浓度、有机物气体浓度和门禁前人体移动情况数据通过WIFI通信模块26、以太网通信模块27或LORA无线通信模块28传输给云端服务器。
上述技术方案中，
为了方便后期开发升级产品，尽量统一CPU核心硬件平台。比如后期考虑增加屏幕显示功能，终端软件需要内置PID调节算法、内置更多的传感器接口、内置外扩仪器仪表的采集和控制功能。
嵌入式微处理器13选择ST公司的STM32F407VGT6，ARM M4内核，主频168M。内部Flash程序空间1M字节。内部RAM 192K字节。该CPU具备16位数据总线、I2C、SPI、串口、以太网MAC、ADC、DAC功能。
按照产品需求规格，要求终端供电电压范围为12～60VDC。终端需要设计两种供电接口。
目前市场上POE供电的交换机有两大类。一类是符合国际标准IEEE 802.3af的交换机。交换机通过探测终端的阻抗特性选择是否输出供电电压，终端的电源必须采用专用的电源芯片来配合交换机完成协商。如果协商不通过，则交换机不对外供电。另外一类是非标交换机，不具备协商供电功能，成本低廉、电压范围宽。标准交换机的供电电压范围44-57V，不能低于44V。非标交换机的供电电压不受这个限制，一般12V,24V输出的都有。
针对以太网通信模块27，嵌入式微处理器13已经内置以太网MAC功能，但是没有内置PHY物理层接口。选择MicroChip公司的LAN8720AI作为PHY芯片。该芯片和CPU之间采用RMII接口连接。以太网变压器选择H1102NL工业级宽温变压器。以太网信号差分线路增加TVS、防雷器件进行保护
对于RS485通信模块25：
考虑到RS485和24V工业仪表的连接需求，选择隔离电路设计方案。RS485接口芯片选择MAXIM的MAX13487，无需流向控制IO，使用方便，最大波特率500Kbps。
为了方便软件实现，避免复杂的wifi协议栈开发，计划选择串口WiFi模块，核心芯片为ESP8266。天线通过面板外置。为了方便软件实现，避免复杂的LoRa芯片软件配置，计划选择串口SX1278模块。天线通过面板外置。
光照度传感器4采用BH1750，3.3V供电，芯片温度传感器1、环境湿度传感器2、大气压强传感器3、环境温度传感器5采用BME280，3.3V供电。热释电红外传感器8选择尼塞拉RE200BP热释电红外传感器
一种基于上述终端的数字化多功能智能监控方法，它包括如下步骤：
步骤1：芯片温度传感器1、环境湿度传感器2、大气压强传感器3、光照度传感器4、环境温度传感器5、PM颗粒物浓度传感器6、有机物气体浓度传感器7、热释电红外传感器8分别将采集到的实时芯片温度、环境湿度、大气压强、光照度、环境温度、PM颗粒物浓度、有机物气体浓度和门禁前人体移动情况数据传输给嵌入式微处理器13；
步骤2：所述嵌入式微处理器13根据芯片温度传感器1感应到的监控终端内部芯片温度信号，生成监控终端内部风扇控制指令，并将监控终端内部风扇控制指令通过模拟量输出接口10发送到监控终端内部风扇31的模拟控制设备的继电器18，实现对监控终端内部风扇31的闭环控制，保证监控终端内部芯片温度保持在预设的芯片温度安全值范围内；
所述嵌入式微处理器13根据环境湿度传感器2、大气压强传感器3和环境温度传感器5感应到的环境湿度、大气压强和环境温度信号，生成环境条件控制指令，并将环境条件控制指令通过数字量输出接口9传输到外接PLC控制模块17，PLC控制模块17根据环境条件控制指令控制环境湿度、温度和气压调节设备21，实现对环境湿度、温度和气压调节设备21的闭环控制，保证环境湿度、温度和气压保持在预设湿度、温度和气压范围内；
所述嵌入式微处理器13根据光照度传感器4感应到的光照度数据，生成遮阳帘控制指令，并将遮阳帘控制指令通过数字量输出接口9传输到外接PLC控制模块17，PLC控制模块17根据遮阳帘控制指令控制电动遮阳帘22的开度，保证室内光照度在预设光照度范围内；
所述嵌入式微处理器13根据PM颗粒物浓度传感器6和有机物气体浓度传感器7感应到的PM颗粒物浓度信号和有机物气体浓度信号，生成空气过滤系统控制指令，并将空气过滤系统控制指令通过数字量输出接口9传输到外接PLC控制模块17，PLC控制模块17根据空气过滤系统控制指令控制空气过滤系统23的工况，保证室内PM颗粒物浓度和有机物气体浓度在预的PM颗粒物浓度和有机物气体浓度范围内；
所述嵌入式微处理器13根据热释电红外传感器8感应到的门禁系统前人体移动信号，生成门禁系统控制指令，并将门禁系统控制指令通过数字量输出接口9传输到外接PLC控制模块17，PLC控制模块17根据门禁系统控制指令控制门禁系统24工作；
步骤3：嵌入式微处理器13将实时的芯片温度、环境湿度、大气压强、光照度、环境温度、PM颗粒物浓度、有机物气体浓度和门禁前人体移动情况数据传输给显示器29进行显示；同时，嵌入式微处理器13将实时的芯片温度、环境湿度、大气压强、光照度、环境温度、PM颗粒物浓度、有机物气体浓度和门禁前人体移动情况数据通过WIFI通信模块26、以太网通信模块27或LORA无线通信模块28传输给云端服务器。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种数字化多功能智能监控终端，其特征在于，它包括芯片温度传感器(1)、环境湿度传感器(2)、大气压强传感器(3)、光照度传感器(4)、环境温度传感器(5)、PM颗粒物浓度传感器(6)、有机物气体浓度传感器(7)、热释电红外传感器(8)和嵌入式微处理器(13)，所述芯片温度传感器(1)、环境湿度传感器(2)、大气压强传感器(3)和光照度传感器(4)的数据通信端通过IIC接口(14)连接嵌入式微处理器(13)的对应传感器数据通信端，环境温度传感器(5)的数据通信端通过单线制接口(30)连接嵌入式微处理器(13)的环境温度数据通信端，PM颗粒物浓度传感器(6)和有机物气体浓度传感器(7)的数据通信端通过UART串口(15)连接嵌入式微处理器(13)的对应传感器数据通信端，热释电红外传感器(8)的通信端通过放大调理模块(16)连接嵌入式微处理器(13)的红外线数据通信端，芯片温度传感器(1)、环境湿度传感器(2)、大气压强传感器(3)、光照度传感器(4)、环境温度传感器(5)、PM颗粒物浓度传感器(6)、有机物气体浓度传感器(7)和热释电红外传感器(8)的驱动代码位于嵌入式微处理器(13)的板级支持包中，嵌入式微处理器(13)的数字量输出接口(9)用于连接外接PLC控制模块(17)，嵌入式微处理器(13)的模拟量输出接口(10)用于连接外接模拟控制设备的继电器(18)，嵌入式微处理器(13)的数字量输入接口(11)用于连接外置可扩展数字量传感器(19)，嵌入式微处理器(13)的模拟量输入端接口(12)用于连接外置可扩展模拟量传感器(20)；
所述嵌入式微处理器(13)用于根据芯片温度传感器(1)感应到的监控终端内部芯片温度信号，生成监控终端内部风扇控制指令，并将监控终端内部风扇控制指令通过模拟量输出接口(10)发送到监控终端内部风扇(31)的模拟控制设备的继电器(18)，实现对监控终端内部风扇(31)的闭环控制，保证监控终端内部芯片温度保持在预设的芯片温度安全值范围内；
所述嵌入式微处理器(13)用于根据环境湿度传感器(2)、大气压强传感器(3)和环境温度传感器(5)感应到的环境湿度、大气压强和环境温度信号，生成环境条件控制指令，并将环境条件控制指令通过数字量输出接口(9)传输到外接PLC控制模块(17)，PLC控制模块(17)根据环境条件控制指令控制环境湿度、温度和气压调节设备(21)，实现对环境湿度、温度和气压调节设备(21)的闭环控制，保证环境湿度、温度和气压保持在预设湿度、温度和气压范围内；
所述嵌入式微处理器(13)用于根据光照度传感器(4)感应到的光照度数据，生成遮阳帘控制指令，并将遮阳帘控制指令通过数字量输出接口(9)传输到外接PLC控制模块(17)，PLC控制模块(17)根据遮阳帘控制指令控制电动遮阳帘(22)的开度，保证室内光照度在预设光照度范围内；
所述嵌入式微处理器(13)用于根据PM颗粒物浓度传感器(6)和有机物气体浓度传感器(7)感应到的PM颗粒物浓度信号和有机物气体浓度信号，生成空气过滤系统控制指令，并将空气过滤系统控制指令通过数字量输出接口(9)传输到外接PLC控制模块(17)，PLC控制模块(17)根据空气过滤系统控制指令控制空气过滤系统(23)的工况，保证室内PM颗粒物浓度和有机物气体浓度在预的PM颗粒物浓度和有机物气体浓度范围内；
所述嵌入式微处理器(13)用于根据热释电红外传感器(8)感应到的门禁系统前人体移动信号，生成门禁系统控制指令，并将门禁系统控制指令通过数字量输出接口(9)传输到外接PLC控制模块(17)，PLC控制模块(17)根据门禁系统控制指令控制门禁系统(24)工作；
所述嵌入式微处理器(13)的远程数据通信端还连接有RS485通信模块(25)、WIFI通信模块(26)、以太网通信模块(27)和LORA无线通信模块(28)；
所述嵌入式微处理器(13)的显示信号通信端通过SPI接口连接显示器(29)的通信端，嵌入式微处理器(13)用于将实时的芯片温度、环境湿度、大气压强、光照度、环境温度、PM颗粒物浓度、有机物气体浓度和门禁前人体移动情况数据传输给显示器(29)进行显示；
所述嵌入式微处理器(13)用于将实时的芯片温度、环境湿度、大气压强、光照度、环境温度、PM颗粒物浓度、有机物气体浓度和门禁前人体移动情况数据通过WIFI通信模块(26)、以太网通信模块(27)或LORA无线通信模块(28)传输给云端服务器。
2.一种基于权利要求1所述终端的数字化多功能智能监控方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：芯片温度传感器(1)、环境湿度传感器(2)、大气压强传感器(3)、光照度传感器(4)、环境温度传感器(5)、PM颗粒物浓度传感器(6)、有机物气体浓度传感器(7)、热释电红外传感器(8)分别将采集到的实时芯片温度、环境湿度、大气压强、光照度、环境温度、PM颗粒物浓度、有机物气体浓度和门禁前人体移动情况数据传输给嵌入式微处理器(13)；
步骤2：所述嵌入式微处理器(13)根据芯片温度传感器(1)感应到的监控终端内部芯片温度信号，生成监控终端内部风扇控制指令，并将监控终端内部风扇控制指令通过模拟量输出接口(10)发送到监控终端内部风扇(31)的模拟控制设备的继电器(18)，实现对监控终端内部风扇(31)的闭环控制，保证监控终端内部芯片温度保持在预设的芯片温度安全值范围内；
所述嵌入式微处理器(13)根据环境湿度传感器(2)、大气压强传感器(3)和环境温度传感器(5)感应到的环境湿度、大气压强和环境温度信号，生成环境条件控制指令，并将环境条件控制指令通过数字量输出接口(9)传输到外接PLC控制模块(17)，PLC控制模块(17)根据环境条件控制指令控制环境湿度、温度和气压调节设备(21)，实现对环境湿度、温度和气压调节设备(21)的闭环控制，保证环境湿度、温度和气压保持在预设湿度、温度和气压范围内；
所述嵌入式微处理器(13)根据光照度传感器(4)感应到的光照度数据，生成遮阳帘控制指令，并将遮阳帘控制指令通过数字量输出接口(9)传输到外接PLC控制模块(17)，PLC控制模块(17)根据遮阳帘控制指令控制电动遮阳帘(22)的开度，保证室内光照度在预设光照度范围内；
所述嵌入式微处理器(13)根据PM颗粒物浓度传感器(6)和有机物气体浓度传感器(7)感应到的PM颗粒物浓度信号和有机物气体浓度信号，生成空气过滤系统控制指令，并将空气过滤系统控制指令通过数字量输出接口(9)传输到外接PLC控制模块(17)，PLC控制模块(17)根据空气过滤系统控制指令控制空气过滤系统(23)的工况，保证室内PM颗粒物浓度和有机物气体浓度在预的PM颗粒物浓度和有机物气体浓度范围内；
所述嵌入式微处理器(13)根据热释电红外传感器(8)感应到的门禁系统前人体移动信号，生成门禁系统控制指令，并将门禁系统控制指令通过数字量输出接口(9)传输到外接PLC控制模块(17)，PLC控制模块(17)根据门禁系统控制指令控制门禁系统(24)工作；
步骤3：嵌入式微处理器(13)将实时的芯片温度、环境湿度、大气压强、光照度、环境温度、PM颗粒物浓度、有机物气体浓度和门禁前人体移动情况数据传输给显示器(29)进行显示；同时，嵌入式微处理器(13)将实时的芯片温度、环境湿度、大气压强、光照度、环境温度、PM颗粒物浓度、有机物气体浓度和门禁前人体移动情况数据通过WIFI通信模块(26)、以太网通信模块(27)或LORA无线通信模块(28)传输给云端服务器。
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