CN110867059A - 一种大气环境参数的数据采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大气环境参数的数据采集系统。所述系统包括：数据采集模块、数据存储模块、无线通信模块和控制模块。数据采集模块用于采集大气环境参数的数据；数据存储模块用于存储所采集的大气环境参数的数据；无线通信模块用于将所采集的大气环境参数的数据发送给远程服务器；控制模块，分别与所述数据采集模块、所述数据存储模块和所述无线模块连接，用于控制所述数据采集模块、所述数据存储模块和所述无线模块的开闭。本发明提供的大气环境参数的数据采集系统，具有结构简单和采集效率高的特点。

Description

一种大气环境参数的数据采集系统
技术领域
本发明涉及数据采集技术领域，特别是涉及一种大气环境参数的数据采集系统。
背景技术
大气污染是我们国家目前面临的一个重要的问题，现下的大气污染严重且影响着人们的生活健康，人们对大气环境问题越来越重视，因此对大气环境的实时化监测需求在不断的增长。
而现有技术中一般是通过人工采用各种大气参数的传感器来对大气环境参数数据进行定时或定点采集，并记录后，带回实验室进行研究，并没有一种结构简单且采集效率高的采集平台，能够对大气环境中的参数进行实时采集。
发明内容
本发明的目的是提供一种大气环境参数的数据采集系统，具有结构简单和采集效率高的特点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种大气环境参数的数据采集系统，包括：
数据采集模块，用于采集大气环境参数的数据；
数据存储模块，用于存储所采集的大气环境参数的数据；
无线通信模块，用于将所采集的大气环境参数的数据发送给远程服务器；
控制模块，分别与所述数据采集模块、所述数据存储模块和所述无线模块连接，用于控制所述数据采集模块、所述数据存储模块和所述无线模块的开闭。
可选的，所述数据采集模块包括：
电化学气体传感器，用于采集大气中二氧化硫、一氧化碳、臭氧和二氧化氮的数据；
激光散射传感器，用于采集大气中PM2.5和PM10的数据；
开关，分别与所述电化学气体传感器和所述激光散射传感器连接，用于控制所述电化学气体传感器和所述激光散射传感器的开闭。
可选的，所述开关为数字开关或模拟开关。
可选的，所述控制模块为ARM处理器。
可选的，所述ARM处理器包括型号为STM32F107的控制芯片。
可选的，所述无线通信模块采用的通信协议为LoRaWAN协议。
可选的，所述系统还包括：
电源模块，用于为所述系统提供电能。
可选的，所述电源模块为太阳能电池和/或蓄电池。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的大气环境参数的数据采集系统，仅通过采用数据采集模块、数据存储模块、无线通信模块和控制模块这一简单的系统构成，就能够实现对大气环境中各种参数数据的采集，并且通过无线通讯模块，可以将所采集的数据实时上传给服务器，以提高采集效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的大气环境参数的数据采集系统的结构示意图。
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。
本发明的目的是提供一种大气环境参数的数据采集系统，具有结构简单和采集效率高的特点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明主要针对基于嵌入式系统设计的监测节点，在节点中实现基于LoRaWAN协议的大气环境参数数据上传。为了实现上述功能，需要完成三个工作：1、完成嵌入式系统的软硬件设计；2、完成基于LoRaWAN协议的数据传输；3、完成大气环境参数的数据采集，参数包括SO2、CO、O3、NO2)和PM2.5、PM10。以下将详细介绍本技术的具体实现：
图1为本发明实施例所提供的大气环境参数的数据采集系统的结构示意图，如图1所示，本发明所提供的大气环境参数的数据采集系统，包括：数据采集模块1、数据存储模块2、无线通信模块3和控制模块4。
数据采集模块1采集大气环境参数的数据。
数据存储模块2存储所采集的大气环境参数的数据。
无线通信模块3将所采集的大气环境参数的数据发送给远程服务器。
控制模块4分别与所述数据采集模块、所述数据存储模块和所述无线模块连接，以控制所述数据采集模块1、所述数据存储模块2和所述无线模块3的开闭。
所述数据采集模块1包括：电化学气体传感器、激光散射传感器和开关。其中，采用电化学气体传感器采集大气中二氧化硫、一氧化碳、臭氧和二氧化氮的数据。采用激光散射传感器采集大气中PM2.5和PM10的数据。开关分别与所述电化学气体传感器和所述激光散射传感器连接，以控制所述电化学气体传感器和所述激光散射传感器的开闭。
数据采集模块1所采集的数据包括SO2、CO、O3、NO2气体的浓度和PM2.5、PM10颗粒物的浓度。数据采集模块1所包含的传感器的接口采用串口方式，为了保证能接入足够多的串口传感器，系统设计采用了数字开关/模拟开关轮询获取传感器数据的方式，通过一对多的模拟开关/数字开关将所有传感器的串口都连接在同一个MCU串口上，当需要采集数据时，打开对应传感器的通道，通过串口协议进行传感器数据读取，轮询方式采用读取结束加超时的方式，当读取到对应传感器的数据或当前传感器读取超时后切换下一通道，以有效的减少对MCU串口数量的需求。
数据存储模块2选用SPIFLASH作为数据的存储。在实际应用中时，可能会出现通信连接断开一段时间的情况，为了保证采集数据的连续性，需要对未能及时上传的数据进行存储，同时也能通过降低数据上传的频率进一步降低系统的功耗。
因为在通信模块打开和关闭时会消耗大量的电池能量，因此通过提高单次上传的数据量方式来减少对通信模块的打开和关闭次数，从而能降低系统的功耗，而为了保证采集数据的连续性，因此需要存储模块在通信关闭的时候存储数据。
为了使控制模块具有丰富的外设和充足的存储空间，在本发明中控制模块选用属于CortexTM-M3系列的32位ARM处理器。所选用的ARM处理器的控制芯片的型号为STM32F107。
所述无线通信模块3通过LoRaWAN协议与基站相连接，当没有数据上传的时候，无线通信模块3处于极低功耗状态，当有数据上传时，无线通信模块3被唤醒，完成数据上传和接收基站的下行数据。
无线通信模块3需做成标准发送接收函数。通过该无线通信模块3主要完成以下功能：
1、上传数据采集信息，该信息存储在外接FLASH中。
2、在数据上传时需上传模块的信号强度、实时电池电压等以便观察系统现状。
3、在远程控制中设置系统参数、上传系统状态信息等。全部通信均有校检及报文确认。
系统中的数据存储模块的存储过程大致分成2部分：
1、采样数据：以条为单位进行存储。
2、系统工作日志信息：存储系统工作时的信息和状态等，如通信模块开启的时间、系统进入休眠状态的原因等。
控制模块4是大气环境监测节点的核心部件，包括微控制器、外围电路、充电管理单元、电源转换单元、J-Link组件、串口设置单元、数据存储单元、时钟管理单元、网络接口和信号收发机。微处理器采用的STM32F107芯片，内嵌嵌入式操作系统BNUOS，对现场环境数据采集，采集数据存储，采集器与远程服务器的通信管理，采集器之间的通信管理。
在该系统中，传感器都是通过数据采集模块1和控制模块4进行通信或数据交互。针对不同类型的传感器，数据采集模块1通过不同的方式和控制模块4进行交互：对于数字式传感器，数据采集模块1只是提供一个能让传感器和控制模块4进行通信的接口。对于模拟量的传感器，数据采集模块1对传感器输出的电信号经过放大、转换后通过专用接口交给控制模块4进行处理。
控制模块4中所进行的主要处理流程过程如下：
首先系统上电开始进行初始化，主要包括对各类软件接口进行初始化。
初始化成功后会对传感器((SO2、CO、O3、NO2和PM2.5、PM10)进行数据采集，并将数据存储在数据存储器中。
检测无线通信模块(LoRa模块)是否在线，如果在线将数据从存储器中取出并将数据进行上传，将所有数据上传完成后，系统设置RTC(Real-Timer Counter,实时定时计数器)固定的唤醒时间，用于在系统休眠后定时去唤醒系统进行下一轮重复的任务。
RTC设置后系统进入休眠，在RTC定时器时间到后会将系统进行唤醒从初始化开始执行数据的采集、存储和上传。
为了降低设备功耗，系统控制模块4具有系统休眠功能，在系统进入休眠状态前，需要先确定系统下一次唤醒后执行的任务。主要任务包括以下几个：
1、执行采样任务。2、打开LoRa模块，进行采样数据上传。3、打开LoRa模块，测试与服务器的链接是否正常。
在系统中，有以下几个地方会调用休眠程序或置位休眠标志，只有以下所有任务完成后，才允许进入休眠状态(电压过低除外)：
1、采样完成。
2、数据传输模块完成传输。
3、电池电压过低。
另外，在有设置工具或设置软件连接的情况下，系统也会自动唤醒，其唤醒原理是有设置工具和软件连接时，在硬件上会有一个电平变化，从而能唤醒系统。
此外，所述系统还包括：电源模块5。电源模块5完成对整个硬件系统的供电，电源的供应采用太阳能和/或蓄电池的方式，保证设备能在野外无市电供应的地方也能正常工作。通过制定对应的供电策略在需要的时候为模块供电，没有任务时关闭相应模块的电源可以实现节能。
在本发明所提供的系统还可以包括定时模块。所采用定时模块的功能分为两种情况：
1、在具有休眠功能的系统中，该定时模块需要提供一个启动采样的信号量，以唤醒系统，其唤醒顺序为定时模块定时时间到发出信号量->信号量唤醒MCU->MCU唤醒传感器模块进行数据采集->数据采集完成后唤醒数据传输模块->数据传输完成后设置下一次定时器闹钟时间->除定时模块所有模块进行休眠。
2、如果系统一直工作，不需要休眠，则该定时模块需要提供启动采样、开启数据传输模块。
另外，通过设置工具或是远程网络也可以控制采样、数据传输及GPS时间校准。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的大气环境参数的数据采集系统，仅通过采用数据采集模块、数据存储模块、无线通信模块和控制模块这一简单的系统构成，就能够实现对大气环境中各种参数数据的采集，并且通过无线通讯模块，可以将所采集的数据实时上传给服务器，以提高采集效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种大气环境参数的数据采集系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于采集大气环境参数的数据；
数据存储模块，用于存储所采集的大气环境参数的数据；
无线通信模块，用于将所采集的大气环境参数的数据发送给远程服务器；
控制模块，分别与所述数据采集模块、所述数据存储模块和所述无线模块连接，用于控制所述数据采集模块、所述数据存储模块和所述无线模块的开闭。
2.根据权利要求1所述的一种大气环境参数的数据采集系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：
电化学气体传感器，用于采集大气中二氧化硫、一氧化碳、臭氧和二氧化氮的数据；
激光散射传感器，用于采集大气中PM2.5和PM10的数据；
开关，分别与所述电化学气体传感器和所述激光散射传感器连接，用于控制所述电化学气体传感器和所述激光散射传感器的开闭。
3.根据权利要求2所述的一种大气环境参数的数据采集系统，其特征在于，所述开关为数字开关或模拟开关。
4.根据权利要求1所述的一种大气环境参数的数据采集系统，其特征在于，所述控制模块为ARM处理器。
5.根据权利要求4所述的一种大气环境参数的数据采集系统，其特征在于，所述ARM处理器包括型号为STM32F107的控制芯片。
6.根据权利要求1所述的一种大气环境参数的数据采集系统，其特征在于，所述无线通信模块采用的通信协议为LoRaWAN协议。
7.根据权利要求1所述的一种大气环境参数的数据采集系统，其特征在于，所述系统还包括：
电源模块，用于为所述系统提供电能。
8.根据权利要求7所述的一种大气环境参数的数据采集系统，其特征在于，所述电源模块为太阳能电池和/或蓄电池。
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