CN204155124U - 分布式环境监测与控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种分布式环境监测与控制系统，系统包括：布置在监控中心的监测主机以及分别布置在各个采样点的监测从机；监测从机包括第一处理器、第一无线收发器、第一供电电源、执行器和至少一个环境参数采集传感器；监测主机包括第二处理器、第二无线收发器、第二供电电源、人机交互设备和短信收发模块；监测从机的第一无线收发器与监测主机的第二无线收发器进行无线通信。具有以下优点：监测主机和监测从机采用无线通信方式，具有易扩展的优点；并且，还具有对环境参数监测全面的优点；还具有整体控制系统易部署的优点。

Description

分布式环境监测与控制系统

技术领域

本实用新型属于环境监测技术领域，具体涉及一种分布式环境监测与控制系统。 

背景技术

对于冷库、粮库、机房、孵房、环境实验室、食品厂房、医药厂房、电子厂房等对环境温湿度要求较高的场合，需要对其环境参数进行实时监测与控制，使其环境参数在指定范围内。 

然而，现有的监测与控制系统，具有以下不足：(1)环境参数监测种类少，难以对被监测环境进行全面监测；此外，监测系统的扩展性较差，难以简单方便的扩展环境参数监测种类；(2)各个环境参数监测设备与位于监控中心的服务器之间采用有线通讯方式，具有布线繁琐的问题。 

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种分布式环境监测与控制系统，可有效解决上述问题。 

本实用新型采用的技术方案如下： 

本实用新型提供一种分布式环境监测与控制系统，包括：布置在监控中心的监测主机以及分别布置在各个采样点的监测从机； 

所述监测从机包括第一处理器、第一无线收发器、第一供电电源、执行器和至少一个环境参数采集传感器；其中，所述第一处理器分别与所述第一无线收发器、所述第一供电电源、所述执行器和各个所述环境参数采集传感器连接； 

所述监测主机包括第二处理器、第二无线收发器、第二供电电源、人机交互设备和短信收发模块；所述第二处理器分别与所述第二无线收发器、所述第二供电电源、所述人机交互设备和所述短信收发模块连接； 

其中，所述监测从机的所述第一无线收发器与所述监测主机的所述第二无线收发器进行无线通信。 

优选的，所述环境参数采集传感器包括土壤温度采集传感器、土壤湿度采 集传感器、空气温度采集传感器和空气湿度采集传感器。 

优选的，所述土壤温度采集传感器和所述土壤湿度采集传感器集成为土壤温湿度复合采集传感器；所述空气温度采集传感器和所述空气湿度采集传感器集成为空气温湿度复合采集传感器。 

优选的，所述土壤温湿度复合采集传感器为SHT10型号的温湿度复合传感器、AM2301型号的数字温湿度复合传感器或SHT10型号的温湿度复合传感器； 

所述空气温湿度复合采集传感器为AM2301型号的温湿度复合传感器、AM2301型号的数字温湿度复合传感器或SHT10型号的温湿度复合传感器。 

优选的，所述第一供电电源包括光伏发电系统、双向DC/DC变换器以及混合储能单元；所述光伏发电系统的输出端通过所述双向DC/DC变换器与所述混合储能单元的一端连接；所述混合储能单元的另一端用于与监测从机的供电接口连接； 

其中，所述混合储能单元为由超级电容器和蓄电池组成的混合储能单元。 

优选的，所述双向DC/DC变换器包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一二极管D1以及第二二极管D2；其中，所述第一三极管Q1的集电极与光伏发电系统输出端的正极连接，所述第一三极管Q1的发射极与所述混合储能单元的正极连接；所述第二三极管Q2的集电极与所述第一三极管Q1的发射极连接，所述第二三极管Q2的发射极与所述混合储能单元的负极连接；另外，所述第一二极管D1的负极与所述第一三极管Q1的集电极连接，所述第一二极管D1的正极与所述第一三极管Q1的发射极连接；所述第二二极管D2的负极与所述第二三极管Q2的集电极连接，所述第二二极管D2的正极与所述第二三极管Q2的发射极连接； 

在所述双向DC/DC变换器与所述混合储能单元之间还串联有LC振荡电路；该LC振荡电路由电感L3和电容C1构成。 

优选的，所述第一无线收发器和所述第二无线收发器均为NRF905型号的无线收发器；所述第一处理器和所述第二处理器均为STC12C5A60S2型号的单片机。 

优选的，所述人机交互设备包括键盘、鼠标和显示器；其中，所述键盘、 所述鼠标和所述显示器分别连接到所述第二处理器的对应串口上； 

所述短信收发模块为GSM模块与所述第二处理器的串口连接所构成的短信收发模块。 

优选的，所述第二供电电源包括：第1供电子电源、第2供电子电源、第3供电子电源和第4供电子电源； 

其中，所述第1供电子电源采用lm2940-5V芯片，为5V供电子电源，用于向所述第二处理器独立供电； 

所述第2供电子电源采用LM1117芯片，为3.3V供电子电源，用于向所述第二无线收发器独立供电； 

所述第3供电子电源采用MIC29302BT芯片，为4.2V供电子电源，用于向所述短信收发模块独立供电； 

所述第4供电子电源为5V供电子电源，用于向所述人机交互设备独立供电。 

优选的，所述监测主机还包括存储器；所述存储器采用SD卡；所述SD卡与所述第二处理器采用SPI通信。 

本实用新型提供的分布式环境监测与控制系统，具有以下优点： 

(1)监测主机和监测从机采用无线通信方式，具有易扩展的优点；并且，还具有对环境参数监测全面的优点；采用分布式架构，具有整体控制系统易部署的优点； 

(2)每一个监测从机均采用光伏发电系统供电，既节约了能源，又能够稳定向各个监测从机供电，保证监测从机稳定可靠的工作。 

附图说明

图1为本实用新型提供的分布式环境监测与控制系统的结构示意图； 

图2为监测从机的电路原理图； 

图3为监测从机时钟电路原理图； 

图4为AM2301型号的数字温湿度复合传感器的电路原理示意图； 

图5为SHT10型号的数字温湿度复合传感器的电路原理示意图； 

图6为第二供电电源的电路原理图； 

图7为SD卡与第二处理器连接的电路原理图； 

图8为显示器与第二处理器连接的电路原理图； 

图9为NRF905型号的无线收发器的电路原理图； 

图10为所配置的简易键盘的电路原理图； 

图11为短信收发模块的一种具体的电路原理图； 

图12为第一供电电源的电路原理图。 

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进行详细说明： 

如图1所示，本实用新型提供一种分布式环境监测与控制系统，包括：布置在监控中心的监测主机以及分别布置在各个采样点的监测从机；监测主机与各个监测从机采用无线通信方式。由于采用分布式网络架构，因此，监测从机的数量根据实际需要，任何扩展。以下对监测从机和监测主机分别详细介绍： 

(一)监测从机 

监测从机分布在各个采样点，各个监测从机的工作原理均相同，如图2所示，为监测从机的电路原理图，如图3所示，为监测从机时钟电路原理图，包括第一处理器、第一无线收发器、第一供电电源、执行器和至少一个环境参数采集传感器；其中，第一处理器分别与第一无线收发器、第一供电电源、执行器和各个环境参数采集传感器连接。 

1、环境参数采集传感器 

环境参数采集传感器包括土壤温度采集传感器、土壤湿度采集传感器、空气温度采集传感器和空气湿度采集传感器。其中，土壤温度采集传感器和土壤湿度采集传感器插入采样点的土壤中，用于采集土壤的温度或湿度值；将空气温度采集传感器和空气湿度采集传感器置于被监测环境的空气中，与空气直接接触，用于采集空气的温度或湿度值； 

根据实际需要，土壤温度采集传感器和土壤湿度采集传感器可集成为土壤温湿度复合采集传感器，例如，SHT10型号的温湿度复合传感器、AM2301型号的数字温湿度复合传感器或SHT10型号的温湿度复合传感器；空气温度采集传感器和空气湿度采集传感器可集成为空气温湿度复合采集传感器，例如，AM2301型号的温湿度复合传感器、AM2301型号的数字温湿度复合传感器或 SHT10型号的温湿度复合传感器。 

其中，AM2301型号的数字温湿度复合传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，如图4所示，为AM2301型号的数字温湿度复合传感器的电路原理示意图，包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件。其与第一处理器之间的通信采用单总线数据格式，一次通信时间5ms左右；数据格式为：40bit数据＝16bit湿度数据+16bit温度数据+8bit校验和，R23为5.1千欧的上拉电阻。 

SHT10型号的温湿度复合传感器是一款含已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，如图5所示，为SHT10型号的数字温湿度复合传感器的电路原理示意图，包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙试测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。本实用新型所用的土壤温湿度传感器外面安装有外壳，可以直接插入土壤中；其中，R22为10千欧的上拉电阻。 

2、第一供电电源 

本实用新型中，各个监测从机可通过光伏发电系统供电，从而达到节约能源的目的。但是，由于日照强度的不稳定性，因此，会导致光伏发电系统输出的电能不稳定，而为了提高光伏发电系统对监测从机的稳定供电能力，在光伏发电系统的输出端与混合储能单元之间建立双向DC/DC变换器，通过对双向DC/DC变换器的控制，实现光伏发电系统直流母线与储能单元之间的能量流动，进而达到有效地稳定监测从机的供电电压的目的。 

具体的，第一供电电源采用以超级电容器和蓄电池为混合储能单元的独立光伏发电供电系统；如图12所示，为第一供电电源的电路原理图；包括光伏发电系统、双向DC/DC变换器以及混合储能单元；所述光伏发电系统的输出端通过所述双向DC/DC变换器与所述混合储能单元的一端连接；所述混合储能单元的另一端用于与监测从机的供电接口连接； 

其中，所述混合储能单元为由超级电容器和蓄电池组成的混合储能单元；其中，超级电容器为图12中的C，蓄电池为图12中的Rp； 

双向DC/DC变换器包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一二极管 D1以及第二二极管D2；其中，所述第一三极管Q1的集电极与光伏发电系统输出端的正极连接，所述第一三极管Q1的发射极与所述混合储能单元的正极连接；所述第二三极管Q2的集电极与所述第一三极管Q1的发射极连接，所述第二三极管Q2的发射极与所述混合储能单元的负极连接；另外，所述第一二极管D1的负极与所述第一三极管Q1的集电极连接，所述第一二极管D1的正极与所述第一三极管Q1的发射极连接；所述第二二极管D2的负极与所述第二三极管Q2的集电极连接，所述第二二极管D2的正极与所述第二三极管Q2的发射极连接； 

在所述双向DC/DC变换器与所述混合储能单元之间还串联有LC振荡电路；该LC振荡电路由电感L3和电容C1构成；在LC振荡电路和混合储能单元之间还串联有电阻RS； 

其工作原理为：通过对双向DC/DC变换器的第一三极管Q1和第二三极管Q2的控制，实现能量的双向流动，即： 

当检测到混合储能单元电力不足时，控制第一三极管Q1以PWM工作方式导通，第二三极管Q2与第一三极管Q1为互补方式工作，此时，第二三极管Q2与第一三极管Q1构成BUCK降压斩波电路，电感L3的电流为正，混合储能单元处于充电状态； 

当检测到混合储能单元电力过剩时，控制第二三极管Q2以PWM工作方式导通，第一三极管Q1与第二三极管Q2为互补方式工作，此时，第二三极管Q2与第一三极管Q1构成BOOST升压斩波电路，电感L3的电流为负，混合储能单元处于放电状态。 

因此，通过上述电源，在光伏发电系统发电功率发生波动时，混合储能系统通过双向变换器的控制始终处于优化的充放电状态，保证了监测从机的稳定运行。 

(二)监测主机 

监测主机包括第二处理器、第二无线收发器、第二供电电源、人机交互设备和短信收发模块；第二处理器分别与第二无线收发器、第二供电电源、人机交互设备和短信收发模块连接；其中，监测从机的第一无线收发器与监测主机 的第二无线收发器进行无线通信。 

(1)人机交互设备 

人机交互设备包括键盘、鼠标和显示器；其中，键盘、鼠标和显示器分别连接到第二处理器的对应串口上；如图8所示，为显示器与第二处理器连接的电路原理图；显示器与第二处理器采用串口通信。当采样点布置4个时，如图10所示，为所配置的简易键盘的电路原理图，共设置了4个按键。 

(2)短信收发模块 

短信收发模块为由GSM模块与第二处理器的串口连接所构成的短信收发模块；如图11所示，为短信收发模块的一种具体的电路原理图，第二处理器通过短信收发模块接收手持终端所发送的短信信息；以及，第二处理器通过短信收发模块向各个手持终端返回短信信息。 

(3)第二供电电源 

第二供电电源的电路原理图如图6所示，由于监测主机需要5V、3.3V、4.2V这几种不同电压的电源，因此，设置第1供电子电源、第2供电子电源、第3供电子电源和第4供电子电源；(1)第1供电子电源：采用lm2940-5V芯片，为5V供电子电源，用于向第二处理器独立供电；(2)第2供电子电源：采用LM1117芯片，为3.3V供电子电源，用于向第二无线收发器即NRF905无线收发器独立供电；(3)第3供电子电源：采用MIC29302BT芯片，为4.2V供电子电源，用于向短信收发模块即GSM900模块独立供电；此处，由于GSM900模块供电电压为4.2V，并且电流能达2A左右，所以选用最大输出电流为3A的可调稳压芯片MIC29302BT。(4)第4供电子电源：采用5V供电子电源，用于向人机交互设备独立供电。具体的，人机交互设备包括显示屏，由于显示屏由5V电压供电，但是电流要求稍大，因此，显示屏不能与第二处理器共用5V电源，因此，额外增加第4供电子电源，用于向显示屏供电。 

(4)SD卡 

监测主机还包括存储器；存储器采用SD卡；如图7所示，为SD卡与第二处理器连接的电路原理图；具体的，SD卡与第二处理器采用SPI通信。 

(5)无线收发器 

另外，对于监测主机和监测从机，第一无线收发器和第二无线收发器均采用NRF905型号的无线收发器；如图9所示，为NRF905型号的无线收发器的电路原理图，由于各个监测从机和监测主机之间的数据通信采用NRF905无线通信方式，并且，监测从机采集到的环境监测参数由NRF905发送给监测主机；同时，监测主机向监测从机下发对执行机构的执行命令，然后，监测从机的NRF905需要接收执行命令，因此，每个NRF905均需要实现接收和发送的双向功能。 

(6)处理器 

对于监测主机和监测从机，第一处理器和第二处理器均采用STC12C5A60S2型号的单片机。STC12C5A60S2单片机作为监测主机和监测从机的开发控制芯片，是宏晶科技公司生产的单时钟、机器周期(1T)的单片机，是高速、低功耗、超强干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路、2路PWM、4个16位定时器、7个中断、8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/秒)等，具有功耗低、体积小、成本低、运用广泛、市场上容易购买等优点。 

由此可见，本实用新型提供的分布式环境监测与控制系统，具有以下优点： 

(1)采用多采样点(可扩展)环境参数的分布式采集架构，并且，每个采样点可采集多种环境参数，提高了环境参数采集的全面性，进而提高了环境参数监测的精确度和控制的有效性；且由于监测从机与监测主机之间为无线通信方式，具有易扩展的优点； 

(2)每一个监测从机均采用光伏发电系统供电，既节约了能源，又能够稳定向各个监测从机供电，保证监测从机稳定可靠的工作； 

(3)整体具有低功耗、低成本、操作简单、监控全面和调节及时等优点，具有易推广的优点；尤其适用于对环境参数要求严格的场合，在物联网、智能家居高速发展的今天，具有极高的推广价值。 

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进 和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。 

Claims (10)

1.一种分布式环境监测与控制系统，其特征在于，包括：布置在监控中心的监测主机以及分别布置在各个采样点的监测从机； 

所述监测从机包括第一处理器、第一无线收发器、第一供电电源、执行器和至少一个环境参数采集传感器；其中，所述第一处理器分别与所述第一无线收发器、所述第一供电电源、所述执行器和各个所述环境参数采集传感器连接； 

所述监测主机包括第二处理器、第二无线收发器、第二供电电源、人机交互设备和短信收发模块；所述第二处理器分别与所述第二无线收发器、所述第二供电电源、所述人机交互设备和所述短信收发模块连接； 

其中，所述监测从机的所述第一无线收发器与所述监测主机的所述第二无线收发器进行无线通信。 

2.根据权利要求1所述的分布式环境监测与控制系统，其特征在于，所述环境参数采集传感器包括土壤温度采集传感器、土壤湿度采集传感器、空气温度采集传感器和空气湿度采集传感器。 

3.根据权利要求2所述的分布式环境监测与控制系统，其特征在于，所述土壤温度采集传感器和所述土壤湿度采集传感器集成为土壤温湿度复合采集传感器；所述空气温度采集传感器和所述空气湿度采集传感器集成为空气温湿度复合采集传感器。 

4.根据权利要求3所述的分布式环境监测与控制系统，其特征在于，所述土壤温湿度复合采集传感器为SHT10型号的温湿度复合传感器、AM2301型号的数字温湿度复合传感器或SHT10型号的温湿度复合传感器； 

所述空气温湿度复合采集传感器为AM2301型号的温湿度复合传感器、AM2301型号的数字温湿度复合传感器或SHT10型号的温湿度复合传感器。 

5.根据权利要求1所述的分布式环境监测与控制系统，其特征在于，所述第一供电电源包括光伏发电系统、双向DC/DC变换器以及混合储能单元；所述光伏发电系统的输出端通过所述双向DC/DC变换器与所述混合储能单元的一端连接；所述混合储能单元的另一端用于与监测从机的供电接口连接； 

其中，所述混合储能单元为由超级电容器和蓄电池组成的混合储能单元。 

6.根据权利要求5所述的分布式环境监测与控制系统，其特征在于，所述 双向DC/DC变换器包括：第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一二极管D1以及第二二极管D2；其中，所述第一三极管Q1的集电极与光伏发电系统输出端的正极连接，所述第一三极管Q1的发射极与所述混合储能单元的正极连接；所述第二三极管Q2的集电极与所述第一三极管Q1的发射极连接，所述第二三极管Q2的发射极与所述混合储能单元的负极连接；另外，所述第一二极管D1的负极与所述第一三极管Q1的集电极连接，所述第一二极管D1的正极与所述第一三极管Q1的发射极连接；所述第二二极管D2的负极与所述第二三极管Q2的集电极连接，所述第二二极管D2的正极与所述第二三极管Q2的发射极连接； 

在所述双向DC/DC变换器与所述混合储能单元之间还串联有LC振荡电路；该LC振荡电路由电感L3和电容C1构成。 

7.根据权利要求1所述的分布式环境监测与控制系统，其特征在于，所述第一无线收发器和所述第二无线收发器均为NRF905型号的无线收发器；所述第一处理器和所述第二处理器均为STC12C5A60S2型号的单片机。 

8.根据权利要求1所述的分布式环境监测与控制系统，其特征在于，所述人机交互设备包括键盘、鼠标和显示器；其中，所述键盘、所述鼠标和所述显示器分别连接到所述第二处理器的对应串口上； 

所述短信收发模块为GSM模块与所述第二处理器的串口连接所构成的短信收发模块。 

9.根据权利要求1所述的分布式环境监测与控制系统，其特征在于，所述第二供电电源包括：第1供电子电源、第2供电子电源、第3供电子电源和第4供电子电源； 

其中，所述第1供电子电源采用lm2940-5V芯片，为5V供电子电源，用于向所述第二处理器独立供电； 

所述第2供电子电源采用LM1117芯片，为3.3V供电子电源，用于向所述第二无线收发器独立供电； 

所述第3供电子电源采用MIC29302BT芯片，为4.2V供电子电源，用于向所述短信收发模块独立供电； 

所述第4供电子电源为5V供电子电源，用于向所述人机交互设备独立供电。 

10.根据权利要求1所述的分布式环境监测与控制系统，其特征在于，所述监测主机还包括存储器；所述存储器采用SD卡；所述SD卡与所述第二处理器采用SPI通信。