CN110940380A - 无线温湿度检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线温湿度检测系统，包括网关模块，网关模块与温湿度采集模块连接，网关模块还与外部设备连接，温湿度采集模块分为室内采集模块和室外采集模块，室外采集模块与网关模块通过中继器模块连接，室内采集模块与网关模块连接；通过室内采集模块和室外采集模块分别对室内和室外的温湿度进行采集，最后室外采集模块借助中继器，将数据传输到网关模块，不受墙壁和铁皮房限制，借助温湿度采集模块里的低电耗硬件和休眠‑工作间断式的工作模式减少能耗，保证设备低功耗正常运行，借助高精度温湿度传感器和多点温湿度采集及算法校准来实现高精度的温湿度测量。

Description

无线温湿度检测系统

技术领域

本发明属于环境检测技术领域，尤其涉及一种无线温湿度检测系统。

背景技术

环境检测,是指环境检测机构对环境质量状况进行监视和测定的活动。环境检测是通过对反映环境质量的指标进行监视和测定，以确定环境污染状况和环境质量的高低。环境检测的内容主要包括物理指标的检测、化学指标的检测和生态系统的检测。环境的检测工作离不开对基站设备的供电，尤其是在供电出现突发状况时，由蓄电组进行紧急供电，除此以外，一些大功率设备的运行也对基站设施有了更高的要求。

如CN203551008U中提供的一种无线传输温湿度检测装置，为了解决温湿度检测仪器大多通过有线连接的方式传输数据，在布线困难的情况下，就会影响温湿度的检测。

如CN103369719B中提供的一种基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构，利用zigbee星型网络架构来实现温湿度多点监控，但只能监测室内的设备而无法监测室外设备的温湿度，墙壁、铁皮会对zigbee传输造成很大屏蔽效果，另外不具备低功耗及超强续航能力。

综上所述，对于蓄电池组以及大功率设备，尤其是基站外的交流电表等设备，由于无线传输方式的弊端，铁皮或墙壁对信号有较大干扰，检测数据无法及时传输，设备更易由于温度过高或短路等原因而损坏，且无法及时了解情况，给运营商和设备厂商带来巨大损失。

并且，基站设备消耗大量电能，续航能力较差，对环境温湿度的精度不够高，这些都会造成不必要的后果，产生不良影响。

发明内容

针对上述问题，本发明提供，主要解决了现有技术中由于铁皮或墙壁对信号的干扰，导致室外温湿度数据用无线传输方式存在困难、基站设备消耗电量较大，续航能力较差、温湿度检测精度不足等问题。

为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

无线温湿度检测系统，包括zigbee网关模块，所述zigbee网关模块与温湿度采集模块连接，所述zigbee网关模块还与外部设备连接，

所述温湿度采集模块分为室内采集模块和室外采集模块，所述室外采集模块与所述zigbee网关模块通过中继器模块连接，所述室内采集模块与所述zigbee网关模块连接。

一种方式，所述zigbee网关模块包括控制模块和zigbee室内协调模块，

所述zigbee室内协调模块与所述控制模块串口连接，所述zigbee室内协调模块分别与室内采集模块、中继器模块连接，所述控制模块与外部设备连接。

一种方式，所述室内采集模块包括多个室内采集器，

所述多个室内采集器分别用于监测室内蓄电池组和室内设备。

一种方式，所述室外采集模块包括多个室外采集器，

所述室外采集器分别用于监测室外交流电表和室外液位检测装置。

一种方式，所述中继器模块包括zigbee透传模块和zigbee室外协调模块，

所述zigbee透传模块与所述zigbee室外协调模块串口连接，

所述zigbee透传模块设于室内，所述zigbee透传模块与所述zigbee网关模块连接，

所述zigbee室外协调模块设于室外，所述zigbee室外协调模块与所述室外采集模块连接。

一种方式，所述外部设备包括APP设备和平台设备，

所述zigbee网关模块通过天线分别与所述APP设备、所述平台设备连接。

一种方式，所述室内采集器或所述室外采集器包含zigbee soc芯片EM357、温湿度传感器芯片、zigbee天线、LED指示灯、操作按键，

所述zigbee soc芯片EM357分别与所述温湿度传感器芯片、所述zigbee天线、所述LED指示灯、所述操作按键连接，

所述zigbee soc芯片EM357为低功耗主控芯片，是整个采集器的控制中枢，

所述温湿度传感器芯片为低功耗高精度温湿度传感器芯片，用于采集区域温湿度数据，

所述zigbee天线，用于增强采集器发射和接收数据的性能，

所述LED指示灯，用于指示采集器的状态，

所述操作按键，方便人为控制采集器。

本发明的有益效果是：

1.通过室内采集模块和室外采集模块分别对室内和室外的温湿度进行采集，最后室外采集模块借助中继器，将数据传输到zigbee网关模块，不受墙壁和铁皮房限制；

2.借助温湿度采集模块里的低电耗硬件和休眠-工作间断式的工作模式减少能耗，并对蓄电池组进行监测，以便及时排出故障，保证设备低功耗正常运行；

3.借助高精度温湿度传感器SI7020和多点温湿度采集及算法校准来实现高精度的温湿度测量；

4.自身具备电池电压检测功能，能及时提醒维护人员上站更换电池。

附图说明

图1为本发明的无线温湿度检测系统的连接示意图；

图2为本发明的室内采集器和室外采集器的内部连接示意图；

图3为本发明的室内采集器和室外采集器的通信模块电路图；

图4为本发明的室内采集器和室外采集器的连接电路图；

图5为本发明的中继器的连接电路图；

图6为本发明的zigbee网关模块的连接示意图。

图中：1、zigbee网关模块；11、控制模块；12、zigbee室内协调模块；2、温湿度采集模块；3、室内采集模块；31、室内采集器；4、室外采集模块；41、室外采集器；5、中继器模块；51、zigbee透传模块；52、zigbee室外协调模块；6、外部设备；61、APP设备；62、平台设备。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明：

各部件、模块的信号传输方向亦在图中标出，

如图1所示，无线温湿度检测系统，包括zigbee网关模块1，zigbee网关模块1与温湿度采集模块2连接，zigbee网关模块1还与外部设备6连接，

温湿度采集模块2分为室内采集模块3和室外采集模块4，室外采集模块4与zigbee网关模块1通过中继器模块5在zigbee网络内传输数据，室内采集模块3与zigbee网关模块1在zigbee网络内传输数据。

zigbee网关模块1包括控制模块11和zigbee室内协调模块12，

控制模块11为CORTEX-A8控制模块，

zigbee室内协调模块12与控制模块11串口连接，zigbee室内协调模块12分别与室内采集模块3、中继器模块5在zigbee网络内传输数据，控制模块11与外部设备6连接。

室内采集模块3包括多个室内采集器31，

多个室内采集器31分别用于监测室内蓄电池组和室内设备。

室外采集模块4包括多个室外采集器41，

室外采集器41分别用于监测室外交流电表和室外液位检测装置，室外液位检测是因为有些基站由发电机供电，需要对其燃油液位进行监测。

中继器模块5包括zigbee透传模块51和zigbee室外协调模块52，

zigbee透传模块51与zigbee室外协调模块52串口连接，

zigbee透传模块51设于室内，zigbee透传模块51与zigbee网关模块1在zigbee网络内传输数据，

zigbee室外协调模块52设于室外，zigbee室外协调模块52与室外采集模块4在zigbee网络内传输数据。

如图5所示，zigbee透传模块51连接到zigbee网关模块1的zigbee室内协调模块12，加入室内的zigbee网络，负责接收zigbee室内协调模块12下达的指令并透传给zigbee室外协调模块52；

zigbee室外协调模块52用于管理室外采集模块4的全部室外采集器41，它会在室外重新建立一个zigbee网络，然后将所有室外采集器41加入该网络，室外采集器41的数据传送到zigbee室外协调模块52，再通过串口传输到zigbee透传模块51，再传送给zigbee室内协调模块12，实现室外温湿度等数据的上送，zigbee网关模块1命令的下发，沿与上送路线相反的传输路线进行传送，实现对室外采集模块4的命令下发。

如图6所示，zigbee网关模块1包含zigbee室内协调模块12和CORTEX-A8内核的AM335X微处理器，即控制模块11，两者通过串口通信。zigbee室内协调模块12负责建立zigbee网络并管理其下节点，汇聚各温湿度采集节点数据，并将该数据通过串口传送给控制模块11处理该温湿度数据后，将数据和告警等情况通过以太网上送到APP设备61和平台设备62，实现实时显示和实时监控的功能。

外部设备6包括APP设备61和平台设备62，

zigbee网关模块1通过天线分别与APP设备61、平台设备62在以太网内传输数据。

APP设备61：手机、平板等便携式移动设备。

平台设备62：台式电脑、控制台等不便移动的设备。

如图2所示，室内采集器31或室外采集器41包含zigbee soc芯片EM357、温湿度传感器芯片、zigbee天线、LED指示灯、操作按键，

zigbee soc芯片EM357分别与温湿度传感器芯片、zigbee天线、LED指示灯、操作按键连接、电池、电池电压检测器、电源管理模块连接，

zigbee soc芯片EM357：超低功耗基于Cortex-M3内核的32位低功耗zigbee主控芯片。整合了zigbee射频(RF)前端，内存和微控制模块11。使用32位CORTEX-M3内核架构，具有192K flash和12K的RAM，具有ADC、USART、SPI、IIC、看门狗等多种接口，以满足各种需求。休眠模式下电流损耗<2.0uA,特别适合需要长时间续航的传感器设备。该芯片控制温湿度芯片获取温湿度数据、无线数据传输以及电源控制等功能，是整个采集器的控制中枢。

温湿度传感器芯片：超低功耗高精度温湿度传感器芯片，用于采集区域温湿度数据，输入电压范围1.9～3.6V,-40～+125℃温度检测范围，0～100％湿度监测范围，150uA工作电流，60nA待机电流，通过串行通信总线IIC总线进行通信。

如图3所示，为一种采集模块的组内通信电路，如图4所示为温湿度传感器芯片的电路，图4中的温湿度传感器芯片将其SDA线路和SCL线路接入通信模块的SDA分路和SCL分路，即可实现温湿度传感器芯片的数据传输。

zigbee天线：增强zigbee模块发射和接收数据的性能。

LED指示灯：人机交互，用作设备当前运行状态的指示，可以指示设备当前设备搜网/入网成功/传输数据/休眠等状态。

操作按键：人机输入，用于设备触发搜网(长按)、设备唤醒及数据上送(短按)、防拆告警等功能。

电池：一次性高能量密度锂电池，为设备正常工作提供保障。该电池能在极端环境下稳定输出电能。

电池电压检测器：通过电阻分压及电压跟随器将电池电压分压后提供给芯片内部ADC采样，换算计算得到实际电池电压，用于判断电池续航时间及提醒维护人员更换电池。

电源管理：包括对温湿度传感器芯片(si7020)、电池电压检测器等模块切断供电等操作，以及整机休眠时的低功耗管理。

室内采集器31对室内设备的蓄电池进行电压监测，以便通过电压变化来得知是否需要更换或保养电池，以及判断电池的续航时间，借助温湿度传感器芯片将温湿度信息采集后形成数据进行发送。

室外采集器41对室外设备的交流电压进行监控，同样的也是为了及时发现异常进行检修，也借助温湿度传感器芯片将温湿度信息采集后形成数据进行发送。

通过选用低功耗MCU(休眠电流<2.0uA)和低功耗温湿度传感器(待机电流<60nA)，配合特定的休眠机制(5秒采集一次温湿度数据，如果变化超过设定值则立即上报温湿度数据，否则进入休眠；每1h周期性上送一次温湿度数据，其余时间休眠)能实现整机<10uA的休眠电流，能够提高传感器的续航时间。

借助多点温湿度采集及算法校准来实现高精度的温湿度测量，校准算法的大致原理是通过计算一个范围内的多点温湿度在该时刻平均温湿度值，采用递推中值滤波算法，去除掉最高和最低的几个，范围内温湿度节点个数和有效温湿度数据个数可以平台灵活配置，例如：一个小范围内安装有5个温湿度传感器，有效温湿度个数配置为3，则应该去掉一个最高温湿度数据和一个最低温湿度数据，而将中间值的三个数据来进行平均中值计算，取中间部分数据进行平均中值计算，避免掉个别传感器异常引起的计算值偏差或者辅助显示该区域的平均温湿度值，这个区域平均温湿度值和每个点温湿度数据都会上送至平台存储，用于综合分析判断，提高采集准确性。

zigbee室内协调模块12和zigbee室外协调模块52均由型号是EM357 soc芯片加一些外围器件组成，烧录固件为协调器的程序，运行的程序采用现有可实现协调器功能的程序。

zigbee透传模块51的型号是EM357 soc芯片加一些外围器件组成，烧录固件为终端节点的程序，主要实现将串口数据转为zigbee无线数据，将zigbee无线数据转为串口数据，实现数据透传。

本领域的技术人员可以明确，在不脱离本发明的总体精神以及构思的情形下，可以做出对于以上实施例的各种变型。其均落入本发明的保护范围之内。本发明的保护方案以本发明所附的权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种无线温湿度检测系统，包括网关模块，所述网关模块与温湿度采集模块连接，所述网关模块还与外部设备连接，

所述温湿度采集模块分为室内采集模块和室外采集模块，所述室外采集模块与所述网关模块通过中继器模块连接，所述室内采集模块与所述网关模块连接。

2.根据权利要求1所述的无线温湿度检测系统，其特征在于：所述网关模块包括室内协调模块，

所述室内协调模块分别与室内采集模块、中继器模块连接。

3.根据权利要求2所述的无线温湿度检测系统，其特征在于：所述网关模块还包括控制模块，

所述室内协调模块与所述控制模块串口连接，所述控制模块与外部设备连接。

4.根据权利要求1所述的无线温湿度检测系统，其特征在于：所述室内采集模块包括多个室内采集器，

所述多个室内采集器分别用于监测室内蓄电池组和室内设备。

5.根据权利要求1所述的无线温湿度检测系统，其特征在于：所述室外采集模块包括多个室外采集器，

所述室外采集器分别用于监测室外交流电表和室外液位检测装置。

6.根据权利要求1所述的无线温湿度检测系统，其特征在于：所述中继器模块包括室外协调模块，

所述室外协调模块设于室外，所述室外协调模块与所述室外采集模块连接。

7.根据权利要求6所述的无线温湿度检测系统，其特征在于：所述中继器模块还包括透传模块，

所述透传模块与所述室外协调模块串口连接，

所述透传模块设于室内，所述透传模块与所述网关模块连接。

8.根据权利要求1所述的无线温湿度检测系统，其特征在于：所述外部设备包括APP设备和平台设备，

所述网关模块通过天线分别与所述APP设备、所述平台设备连接。

9.根据权利要求4或5任一所述的无线温湿度检测系统，其特征在于：所述室内采集器或所述室外采集器包含zigbee soc芯片、温湿度传感器芯片、zigbee天线、LED指示灯、操作按键，

所述zigbee soc芯片分别与所述温湿度传感器芯片、所述zigbee天线、所述LED指示灯、所述操作按键连接，

所述温湿度传感器芯片为低功耗高精度温湿度传感器芯片，用于采集区域温湿度数据。

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