CN114964363A - 一种基于树莓派的城市环境监测系统 - Google Patents

一种基于树莓派的城市环境监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于树莓派的城市环境监测系统，其特征在于，包括：温湿度传感器模块、CO2监测传感器模块、PM2.5监测传感器模块、云服务器、树莓派主控板、电源模块、GPS/北斗定位模块、数据采集模块、数据传输模块、IoT消息代理模块、树莓派子系统、客户端子系统和服务器子系统；数据传输模块、GPS/北斗定位模块、IoT消息代理模块、温湿度传感器、CO2监测传感器、PM2.5监测传感器电源模块分别与树莓派主控板相连；树莓派子系统将采集到的信息通过MQTT传输到服务器子系统上，客户端子系统通过调用API接口，访问服务器子系统，查看实时的城市环境监测数据，适用于各种城市环境，以解决智能城市环境监测系统不具有远程监控以及延迟高的问题。

Description

一种基于树莓派的城市环境监测系统
技术领域
本发明涉及无线组网和物联网技术领域，尤其涉及一种基于树莓派的城市环境监测系统。
背景技术
随着社会经济水平的高速发展，所产生的各类有害物资通过多种方式进入环境中，长期共存于我们的生活中，损害人体健康。所以，构建完备的城市环境监测系统的必不可少的。不同城市所面临的工业化污染大同小异，由PM2.5引起的雾霾对人们的健康危害尤其严重。因此，如果能够对环境中的PM2.5浓度实时监测，可以让生活在不同区域民众做好相应的防护举措，从而减少对人体的危害。
现有的环境监测系统中存在站点建设成本高的问题，我国各大高校和学术研究机构已开始城市环境监测系统。在STM32的基础上研发了一套大气环境监测系统，其中将传感器采集到的大气环境质量信息传送到用户监控设备上进行查看，存在作用距离较近，无法满足远程监控的缺点。本发明环境监测系统，在树莓派的基础上设计了一种环境监测系统，被监测区域的环境状况通过传感器数据采集、传输至云服务器，用户使用微信小程序即可查看监测数据。解决了现有系统功耗大、延时高的问题以及提供了可视化的数据图表。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种树莓派系统的智能城市环境监测系统，以解决智能城市环境监测系统不具有远程监控以及延迟高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于树莓派系统的城市环境监测系统，其结构包括温湿度传感器模块、 CO2监测传感器模块、PM2.5监测传感器模块、UART转485模块、云服务器、树莓派主控板、电源模块、GPS/北斗定位模块、数据传输模块、IoT消息代理模块、树莓派子系统、客户端子系统和服务器子系统。
所述树莓派主控板，一种便携式微型电脑，内嵌Linux系统，可执行多种编程语言。
所述数据传输模块、GPS/北斗定位模块、IoT消息代理模块、温湿度传感器、CO2监测传感器、PM2.5监测传感器电源模块分别与树莓派主控板相连。
所述树莓派子系统将采集到的信息通过MQTT传输到服务器子系统上，客户端子系统通过调用API接口，访问服务器子系统，查看实时的监测数据。
优选的，所述树莓派子系统通过询问的方式获取传感器数据，进行设备的初始化设置，包括传感器设置、站点ID设置、GPS设置以及WiFi网络连接设置。当网络正常时，正常周期上传数据，网络异常时，则停止数据的上传，同时进行网络的重新连接。
优选的，所述UART转485模块具有RS485总线接口与UART转换接口，可进行数据转换，通过使用标准的Modbus协议接口实现控制器之间以及控制器与其他设备之间对等通信，完成有效的多路控制。
优选的，所述服务器子系统通过MQTT协议接收来自树莓派子系统的数据信息，设置IoT消息代理模块进行设备鉴权、数据转存、制定消息队列的响应优先级；接收来自终端设备的数据服务的同时响应API接口的调用实现数据的传输。
优选的，所述电源模块，通过USB接口为树莓派主控板进行供电，提供5V 电压。
优选的，所述GPS/北斗定位模块通过树莓派3B+连接树莓派主控板，获取高精度的定位信息。
优选的，所述PM2.5监测传感器模块通过神经网络建立图像特征提取模型，从而估算PM2.5浓度。
优选的，所述数据传输模块通过UART转485模块与树莓派主控板相连，将采集到的信息输出至树莓派主控板。
优选的，所述IoT消息代理模块为设备和云端提供安全的数据通信通道，担任数据流转，用户能够通过SQL语句完成规则的配置，从而方便地对数据进行处理、过滤和转发，实现生命周期、固件升级、在线调试和实时监控。
本发明的有益效果为：
本发明能够对城市环境中的温湿度、PM2.5、CO2浓度、监测设备的位置信息进行实时、精确、高效的监测，并能够对监测到的数据进行实时准确的传输，有效提高了城市环境监测的实时性和高效性，同时达到远程监控的效果。
附图说明
图1为本发明的城市环境监测系统总体架构图；
图2为本发明的环境监测模块架构图；
图3为CO2浓度传感器引脚示意图；
图4为本发明的城市环境监测系统软件总架构图；
图5为本发明的服务器子系统工作图；
图6为小程序运行界面图；
图7为设备详情效果图；
图8为树莓派主控板引脚原理图；
图9为树莓派电路原理图；
图10为MQTT模块图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实例中的附图和具体实施方式对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
一种基于树莓派的城市环境监测系统，如图1所示，包括：温湿度传感器模块、CO2监测传感器模块、PM2.5监测传感器模块、云服务器、树莓派主控板、电源模块、GPS/北斗定位模块、数据采集模块、数据传输模块、IoT消息代理模块、树莓派子系统、客户端子系统和服务器子系统。
环境监测模块包括数据采集模块、GPS/北斗定位模块、数据传输模块和IoT 消息代理模块，如图2所示，通过RS485接口的转换后将采集到的城市大气中的相关要素传送到主控板上进行存储处理，通过WiFi网络上传至云平台服务器。
所述温湿度传感器模块、CO2浓度监测传感器模块、PM2.5监测传感器模块、电源模块、GPS/北斗定位模块、数据传输模块、IoT消息代理模块分别与所述树莓派主控板相连；树莓派为Pizerow，引脚原理图如图8所示，电路原理图如图9所示。
温湿度传感器可采用DHT11温湿度一体传感器，可节约传感器所占空间， CO2监测传感器模块可采用JX-CO-103-20W，采用红外光源和双通道热释电测量，稳定可靠，其引脚示意图如图3所示。
所述各类监测传感器模块通过RS485接口将采集到的信息输出到树莓派主控板上，利用WiFi网络建立连接组网，数据传输层采取MQTT协议如图10 所示，将数据信息上传到云平台服务器端的Mysql数据库中。
所述树莓派子系统将采集到的信息通过MQTT传输到服务器子系统上，客户端子系统通过调用API接口，访问服务器子系统，查看实时的监测数据，如图4所述。
所述IoT消息代理模块提供设备管理、数据分析、安全认证和规则引擎模块，将设备连接到阿里云服务，为设备和云端提供安全的数据通信通道；担任数据流转，提供SQL语句完成规则的配置，对数据进行处理、过滤和转发。
所述服务器子系统提供MQTT协议接收来自树莓派子系统的数据信息，设置IoT消息服务器进行设备授权、数据转存、制定信息队列的响应优先级，如图 5所示，一方面接收来自终端设备的数据服务，一方面响应小程序API接口的调用，完成数据传输。
微信小程序模块可以实时查看监测区域的环境信息，也可查看所在区域的监测设备，微信小程序使用一款以Vue.js为核心的前端框架mpvue来设计的。以卡片的形式展示所有设备的信息，设备ID号、最新的数据、历史数据，数据图表显示当前设备的数据曲线图，相应类型的数据显示相应的数据。
进入程序后，地图界面显示系统所监测环境质量信息，通过点击按键显示 30分钟、前1小时、前2小时，选择图表中具体一点，显示当前节点的所有数据。如图7所示。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接运用其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于树莓派的城市环境监测系统，其特征在于，包括：温湿度传感器模块、CO2监测传感器模块、PM2.5监测传感器模块、云服务器、树莓派主控板、电源模块、GPS/北斗定位模块、数据采集模块、数据传输模块、IoT消息代理模块、树莓派子系统、客户端子系统和服务器子系统；
所述数据传输模块、GPS/北斗定位模块、IoT消息代理模块、温湿度传感器、CO2监测传感器、PM2.5监测传感器电源模块分别与树莓派主控板相连；
所述树莓派子系统将采集到的信息通过MQTT传输到服务器子系统上，客户端子系统通过调用API接口，访问服务器子系统，查看实时的监测数据。
2.根据权利要求1所述的基于树莓派的城市环境监测系统，其特征在于，所述数据采集模块、GPS/北斗定位模块、数据传输模块和IoT消息代理模块，通过RS485接口的转换后将采集到的城市大气中的相关要素传送到主控板上进行存储处理，通过WiFi网络上传至云平台服务器。
3.根据权利要求1所述的基于树莓派的城市环境监测系统，其特征在于，所述系统中还包括小程序模块，所述小程序模块可以实时查看监测区域的环境信息，也可查看所在区域的监测设备。
4.根据权利要求1所述的基于树莓派的城市环境监测系统，其特征在于，所述树莓派主控板采用Pizerow的系统。
5.根据权利要求1所述的基于树莓派的城市环境监测系统，其特征在于，CO2监测传感器为JX-CO2-103-20W。
6.根据权利要求3所述的基于树莓派的城市环境监测系统，其特征在于，树莓派子系统将采集到的信息通过MQTT传输到服务器子系统上，通过调用API接口，访问服务器子系统，查看实时的监测数据。
7.根据权利要求6所述的基于树莓派的城市环境监测系统，其特征在于，服务器子系统提供MQTT协议接收来自树莓派子系统的数据信息，通过接收来自终端设备的数据服务和响应小程序API接口的调用，完成数据传输。
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