CN113660647A - 基于蓝牙LongRange模式的环境监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环境监测领域，具体涉及一种基于蓝牙LongRange模式的环境监测系统及方法，有效地减少了设备部署数量，极大地降低了成本以及功耗。技术方案包括环境监测设备、网关设备以及云端服务器，所述环境监测设备包括支持蓝牙协议5.0的蓝牙模块，环境监测设备与网关设备采用蓝牙LongRange模式进行通信，网关设备与云端服务器无线连接；环境监测设备采集环境参数信息，并将环境参数信息发送至网关设备；网关设备接收环境检测设备发送的环境参数信息，并打包发送给云端服务器，以及接收云端服务器发送的配置信息并发送给环境检测设备；云端服务器接收网关发送的环境参数信息，并对环境参数信息进行分析和处理，本发明适用于环境监测。

Description

基于蓝牙LongRange模式的环境监测系统及方法

技术领域

本发明涉及环境监测领域，具体涉及一种基于蓝牙LongRange模式的环境监测系统及方法。

背景技术

随着社会生产力的发展，越来越多的无人值守或者高危工作环境出现，为了保护设备安全以及人员安全，需要时刻对工作环境参数进行监测。

目前环境监测主要采用无线或者有线通讯方式，一般的无线设备比如普通蓝牙、wifi、zigbee等受限于低功耗设备的性能，传输距离近，如果采用网关-子设备的通讯方式需要高密度的铺设网关以保证通讯质量，如果摒弃网关给每个设备都添加一个wifi或者4G的上行通道，将难以控制功耗和成本；Lora、Sigfox等虽然有长距离通信的优势，但是在国内可应用场景不多，而且网关开发周期长，价格不菲；有线通讯方式则需要进行布线。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于蓝牙LongRange模式的环境监测系统及方法，有效地减少了设备部署数量，环境监测设备与网关不需要保持长链接，极大地降低了成本以及功耗。

本发明采取如下技术方案实现上述目的，基于蓝牙LongRange模式的环境监测系统，包括环境监测设备、网关设备以及云端服务器，所述环境监测设备包括支持蓝牙协议5.0的蓝牙模块，所述环境监测设备与网关设备采用蓝牙LongRange模式进行通信，网关设备与云端服务器无线连接；

所述环境监测设备用于采集环境参数信息，并将环境参数信息发送至网关设备；

所述网关设备用于接收环境检测设备发送的环境参数信息，并打包发送给云端服务器，以及接收云端服务器发送的配置信息并发送给环境检测设备；

所述云端服务器用于接收网关发送的环境参数信息，并对环境参数信息进行分析和处理，以及修改环境检测设备的配置信息并发送给网关设备。

基于蓝牙LongRange模式的环境监测方法，应用于上述所述的基于蓝牙LongRange模式的环境监测系统，包括：

步骤1、环境监测设备实时采集环境参数信息，并将环境参数信息通过蓝牙LongRange通信模式发送至网关设备；

步骤2、网关设备对环境参数信息打包发送至云端服务器；

步骤3、云端服务器对环境参数信息进行相应分析处理。

进一步的是，步骤1中，实时采集环境参数信息，并将环境参数信息通过蓝牙LongRange通信模式发送至网关设备的具体方法包括：

环境监测设备定时对周围环境进行采样，设置上报时间，所述上报时间采用随机数确定，到达上报时间后开启蓝牙广播，与相应的网关连接后发送环境参数信息，同时网关更新对应环境监测设备的时间戳以及配置信息；环境监测设备与网关通信完成后断开连接进入低功耗模式。

进一步的是，所述环境监测设备按照配置信息对环境参数进行采样并判断，若环境参数不再设定的阈值范围内，则开启广播发送报警信息。

进一步的是，开启蓝牙广播发送信息时，广播信息中包括对应环境监测设备的MAC地址，网关设备将对此MAC地址进行识别分析，若此MAC地址不在管理范围内，将不会对广播发送来的信息进行处理。

进一步的是，步骤2中，云端服务器中记录所有环境监测设备信息，并将所有环境监测设备信息保存为环境监测设备列表，网关设备初始化时，网关将从云端服务器获取环境监测设备列表，所述环境监测设备列表中记录了各环境监测设备的MAC地址。

进一步的是，步骤3中，云端服务器对环境参数信息进行相应分析处理的具体方法包括：

云端服务器根据环境参数信息制定可视化图表，实时更新环境信息，并为各种环境监测设备进行个性化配置，包括上报时间配置、参数阈值配置、采样频率配置以及心跳配置。

本发明采用蓝牙LongRange模式可以长距离传输数据，有效减少设备部署数量，环境监测设备与网关不需要保持长链接，有效降低功耗和成本；在广播信息中加入各自对应的MAC地址，避免信息误传，上报时间采用随机数确定，能避免多个设备同时连上网关导致通讯的异常，提升通讯的稳定性。

附图说明

图1是本发明基于蓝牙LongRange模式的环境监测系统示意图。

图2是本发明网关和监测设备通信示意图。

图3是本发明新设备添加流程示意图。

附图中，①为环境参数信息，②为配置信息。

具体实施方式

本发明基于蓝牙LongRange模式的环境监测系统，如图1所示，包括环境监测设备、网关设备以及云端服务器，所述环境监测设备包括支持蓝牙协议5.0的蓝牙模块，所述环境监测设备与网关设备采用蓝牙LongRange模式进行通信，网关设备与云端服务器无线连接；

LongRange是BLE 5.0中新增加的特性，主要是通过扩频的方式，提高了天线接收的灵敏度，同时将最大的发送功率，从4.0/4.1/4.2中的10mW增大到5.0的100mW。相对于BLE来说，增加了通信的距离，但是每次通信可携带的信息也变少了。LongRange主要的变动在PHY的编码方式，所以不会和BLE信号产生冲突，在有很多蓝牙设备的环境中受到的影响较小；

环境监测设备用于采集环境参数信息，并将环境参数信息发送至网关设备；

网关设备用于接收环境检测设备发送的环境参数信息，并打包发送给云端服务器，以及接收云端服务器发送的配置信息并发送给环境检测设备；

云端服务器用于接收网关发送的环境参数信息，并对环境参数信息进行分析和处理，以及修改环境检测设备的配置信息并发送给网关设备。

图2是本发明网关和监测设备通信示意图，环境监测设备采集环境参数信息，并将环境参数信息发送至网关设备，网关设备更新配置信息至环境监测设备。

基于蓝牙LongRange模式的环境监测方法，应用于上述所述的基于蓝牙LongRange模式的环境监测系统，包括：

步骤1、环境监测设备实时采集环境参数信息，并将环境参数信息通过蓝牙LongRange通信模式发送至网关设备；

步骤2、网关设备对环境参数信息打包发送至云端服务器；

步骤3、云端服务器对环境参数信息进行相应分析处理。

步骤1中，实时采集环境参数信息，并将环境参数信息通过蓝牙LongRange通信模式发送至网关设备的具体方法包括：

环境监测设备定时对周围环境进行采样，设置上报时间，所述上报时间采用随机数确定，到达上报时间后开启蓝牙广播，与相应的网关连接后发送环境参数信息，同时网关更新对应环境监测设备的时间戳以及配置信息；环境监测设备与网关通信完成后断开连接进入低功耗模式。

环境监测设备按照配置信息对环境参数进行采样并判断，若环境参数不再设定的阈值范围内，则开启广播发送报警信息。

开启蓝牙广播发送信息时，广播信息中包括对应环境监测设备的MAC地址，网关设备将对此MAC地址进行识别分析，若此MAC地址不在管理范围内，将不会对广播发送来的信息进行处理。

步骤2中，云端服务器中记录所有环境监测设备信息，并将所有环境监测设备信息保存为环境监测设备列表，网关设备初始化时，网关将从云端服务器获取环境监测设备列表，所述环境监测设备列表中记录了各环境监测设备的MAC地址。

步骤3中，云端服务器对环境参数信息进行相应分析处理的具体方法包括：

云端服务器根据环境参数信息制定可视化图表，实时更新环境信息，并为各种环境监测设备进行个性化配置，包括上报时间配置、参数阈值配置、采样频率配置以及心跳配置。

具体工作时，网关从云端获取到属于本设备的白名单，白名单即保存在云端所有环境监测设备信息列表，上面记录了需要通信的监测设备MAC地址。监测设备定时对周围环境进行采样，到需要上报的时间开启蓝牙广播，与相应的网关连接后发送环境信息，网关会给外围设备更新时间戳、配置信息等参数。监测设备与网关通信完成后断开连接，进入低功耗模式，网关则会在与单个监测设备通信完成后直接上报。

监测设备按照配置信息对环境参数进行采样，如果环境参数不在设定的范围之内，将会立马开启广播发送报警信息。如果数据没有异常，将会按照设定的时间唤醒并以最近一次采样的数据进行上报。

因为外围设备采用电池供电，所以不能长时间开启广播，为了节省功耗为上报设定一个时长，超时无网关处理将会关闭广播，等待一段时间后再次开启，直到成功连上网关后上报此次信息。

可能同一个环境中，用户部署了多个网关，监测设备连上了别的网关，会误以为此次上报已经结束，实际上网关不会处理非白名单列表中的设备发送的信息，为了避免这种情况，将会在广播信息中加入自己的MAC地址，网关识别到此MAC地址之后将和白名单中的设备对比，确定不属于自己的设备将不会处理。

LongRange携带信息较少，那么与单个设备通讯时间就会延长，为了减少其他外围设备等待的时间，外围监测设备将根据自己的上报时间设定一个随机值，改变自己的上报时间点，这样能有效降低功耗，同时也能避免多个设备同时连上网关导致通讯的异常，提升通讯的稳定性。

网关将所有数据发送到云端，云端对数据进行分析和处理

网关每收集到一个监测设备的信息就进行上报，上报结束后再次开启扫描，这样做不需要网关对设备上报信息进行存储，节省存储空间。

监测设备可能产生故障从而无法进行上报，网关在和外围设备通信完成后会关闭蓝牙进行上报，为了避免网关为了等待设备上报而一直处于蓝牙扫描状态，将设定一个超时时间，超时后通过4G模块向云端发送未上报的设备信息，如果有设备连续多次没有上报，将会通知云端此设备状态异常，并更新白名单，将此设备删除。

云端可以根据设备所上传的环境信息，制定可视化图表，实时更新环境信息，还可以针对各种设备指定个性化配置，包括上报时间、阈值、采样频率、心跳等。

云端如有更新后的白名单列表、监测设备的配置信息将及时下发到网关，网关将存储相关信息并在与监测设备通信时下发。

如果用户需要修改设备的工作模式，只需要在云端更改特定设备的配置信息，网关通过4G接收到更新后的配置信息将存储在flash中，等待与监测设备通信的时候下发。

图3是本发明新设备添加流程示意图，用户需要添加已有类型的外围设备到网关中，需要在云端将设备MAC地址添加到网关下的白名单中，网关获取到新的白名单之后，在环境中部署新设备时须手动唤醒，确认和网关通信成功后，即部署完毕，由于网关常带电处于扫描模式中，不需要对它进行操作，只需要确保外围设备在安装时被唤醒。

用户需要在系统中添加新类型的外围设备，需要在云端添加此设备的数据格式，确保能解析新设备的数据，重复和上面添加设备的步骤，即添加成功。

综上所述，本发明采用蓝牙LongRange模式可以长距离传输数据，有效减少设备部署数量及成本，环境监测设备与网关不需要保持长链接，有效降低功耗；在广播信息中加入各自对应的MAC地址，避免信息误传；环境参数信息上报时间采用随机数确定，能避免多个设备同时连上网关导致通讯的异常，提升通讯的稳定性。

Claims (7)

1.基于蓝牙LongRange模式的环境监测系统，其特征在于，包括环境监测设备、网关设备以及云端服务器，所述环境监测设备包括支持蓝牙协议5.0的蓝牙模块，所述环境监测设备与网关设备采用蓝牙LongRange模式进行通信，网关设备与云端服务器无线连接；

所述环境监测设备用于采集环境参数信息，并将环境参数信息发送至网关设备；

所述网关设备用于接收环境检测设备发送的环境参数信息，并打包发送给云端服务器，以及接收云端服务器发送的配置信息并发送给环境检测设备；

所述云端服务器用于接收网关发送的环境参数信息，并对环境参数信息进行分析和处理，以及修改环境检测设备的配置信息并发送给网关设备。

2.基于蓝牙LongRange模式的环境监测方法，应用于权利要求1所述的基于蓝牙LongRange模式的环境监测系统，其特征在于，包括：

步骤1、环境监测设备实时采集环境参数信息，并将环境参数信息通过蓝牙LongRange通信模式发送至网关设备；

步骤2、网关设备对环境参数信息打包发送至云端服务器；

步骤3、云端服务器对环境参数信息进行相应分析处理。

3.根据权利要求2所述的基于蓝牙LongRange模式的环境监测方法，其特征在于，步骤1中，实时采集环境参数信息，并将环境参数信息通过蓝牙LongRange通信模式发送至网关设备的具体方法包括：

环境监测设备定时对周围环境进行采样，设置上报时间，所述上报时间采用随机数确定，到达上报时间后开启蓝牙广播，与相应的网关连接后发送环境参数信息，同时网关更新对应环境监测设备的时间戳以及配置信息；环境监测设备与网关通信完成后断开连接进入低功耗模式。

4.根据权利要求3所述的基于蓝牙LongRange模式的环境监测方法，其特征在于，所述环境监测设备按照配置信息对环境参数进行采样并判断，若环境参数不再设定的阈值范围内，则开启广播发送报警信息。

5.根据权利要求3或4所述的基于蓝牙LongRange模式的环境监测方法，其特征在于，开启蓝牙广播发送信息时，广播信息中包括对应环境监测设备的MAC地址，网关设备将对此MAC地址进行识别分析，若此MAC地址不在管理范围内，将不会对广播发送来的信息进行处理。

6.根据权利要求5所述的基于蓝牙LongRange模式的环境监测方法，其特征在于，步骤2中，云端服务器中记录所有环境监测设备信息，并将所有环境监测设备信息保存为环境监测设备列表，网关设备初始化时，网关将从云端服务器获取环境监测设备列表，所述环境监测设备列表中记录了各环境监测设备的MAC地址。

7.根据权利要求6所述的基于蓝牙LongRange模式的环境监测方法，其特征在于，步骤3中，云端服务器对环境参数信息进行相应分析处理的具体方法包括：

云端服务器根据环境参数信息制定可视化图表，实时更新环境信息，并为各种环境监测设备进行个性化配置，包括上报时间配置、参数阈值配置、采样频率配置以及心跳配置。

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