CN216717449U - 一种实验室环境监测装置 - Google Patents

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陈旭东
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Abstract

本实用新型公开了一种实验室环境监测装置,涉及传感器技术领域,包括:传感控制装置和组网装置,所述传感控制装置用于监测数据的采集及功能控制,所述组网装置用于监测数据的收集及上传,其中,所述传感控制装置包括多个传感器、多个控制器以及与所述传感器和控制器连接的第一通信节点电路,所述组网装置包括第一通信协调器和第二通信节点电路,实现二者数据传输。采用上述技术方案,由于基于NB‑IoT和ZigBee的实验实训环境监测系统,把ZigBee快速自组网的优势跟NB‑IoT高效远程透传能力相结合,应用到实验实训环境监测中,后期运维成本大幅降低,此外系统的低功耗设计及防误报机制也极大提高了系统的稳定性,具有广阔的应用前景。

Description

一种实验室环境监测装置
技术领域
本实用新型涉及传感器技术领域,特别涉及一种实验室环境监测装置。
背景技术
高校实验室是师生开展专业实践的重要场所,安全管理尤为重要,环境监测是安全管理的重要一环,其是否高效、可靠运行将直接影响实验实训的顺利开展。随着物联网技术的发展及普及,实验实训环境监测必须摒弃传统方式,运用先进技术提高管理效率,保障实验实训安全运行。
现有技术中,实验实训场地本身设备种类繁多,配电及各类信号传输线占用较多,因此环境监测不宜大量布线及占用配电资源,需满足高可靠性、灵活布局、低成本、低功耗等前提要求。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种实验室环境监测装置,满足现有技术中所提出的满足高可靠性、灵活布局、低成本、低功耗等要求。
为了解决上述技术问题,本实用新型的技术方案为:
一种实验室环境监测装置,包括:传感控制装置和组网装置,所述传感控制装置用于监测数据的采集及功能控制,所述组网装置用于监测数据的收集及上传,其中,所述传感控制装置包括多个传感器、多个控制器以及与所述传感器和控制器连接的第一通信节点电路,所述组网装置包括第一通信协调器和第二通信节点电路,所述第一通信协调器将所述第一通信节点电路和所述第二通信节点电路进行虚连接,实现二者数据传输。
进一步的,所述传感器包括烟雾传感器、温度传感器和湿度传感器。
更进一步的,所述温度传感器和所述湿度传感器采用DHT11数字温湿度传感器。
进一步的,所述控制器包括喷淋器控制器、风扇控制器和LED控制器。
进一步的,所述第一通信节点电路为ZigBee节点电路,所述ZigBee节点电路用于完成传感器驱动、控制器驱动及无线射频驱动,所述ZigBee节点电路包括单片机系统电路、电池供电电路和外围接口电路。
更进一步的,所述单片机系统电路采用CC2530单片机电路。
进一步的,所述第一通信协调器为ZigBee协调器,用于与第一通信节点电路连接以实现ZigBee自组网的连接管理。
进一步的,所述第二通信节点电路为NB-IoT节点电路,用于发送AT指令或接收控制信息。
更进一步的,所述NB-IoT节点电路采用BC28模组电路。
进一步的,在所述第一通信协调器和所述第二通信节点电路之间设置有串口转换电路。
采用上述技术方案,由于基于NB-IoT和ZigBee的实验实训环境监测系统,把ZigBee快速自组网的优势跟NB-IoT高效远程透传能力相结合,应用到实验实训环境监测中,一个中小规模的监测系统只需定期向电信运营商缴纳一个NB-IoT网关模块的流量费用而不需要其他费用,后期运维成本大幅降低,此外系统的低功耗设计及防误报机制也极大提高了系统的稳定性,具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型实验室环境监测装置的结构示意图;
图2为本实用新型中传感控制装置的结构示意图;
图3为本实用新型中ZigBee节点电路中单片机的引脚连接示意图;
图4为本实用新型中组网装置的结构示意图;
图5为本实用新型中ZigBee协调器中单片机的引脚连接示意图。
图6为本实用新型中串口转换电路的电路结构图。
图7为本实用新型中数据组网图。
图中,100-传感控制装置,110-ZigBee节点电路,120-烟雾传感器,130-温度传感器,140-湿度传感器,150-喷淋器控制器,160-风扇控制器,170-LED控制器,200-组网装置,210-ZigBee协调器,220-NB-IoT节点电路,300-云平台。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是,对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型,但并不构成对本实用新型的限定。此外,下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
作为本实用新型的第一实施例,基于实验实训环境监测的实际需求,采用ZigBee模块作为数据采集结点及终端设备控制节点,同时设计ZigBee协调器实现与各个节点快速组网获取监测数据及下发控制指令,Zigbee协调器只需借助一个NB-IoT模块作为网关与IoT云平台进行数据传输,实现远程监测及终端设备控制,满足低成本、低功耗的实际需求。
因此,本实施例所提出的一种实验室环境监测装置,具体如图1-7所示,包括传感控制装置100和组网装置200,传感控制装置100用于监测数据的采集及功能控制,传感控制装置100包括多个传感器、多个控制器以及与传感器和控制器连接的第一通信节点电路,第一通信节点电路为ZigBee节点电路110,ZigBee节点电路包括单片机系统电路、电池供电电路和外围接口电路,具体来说,ZigBee节点电路采用TI公司生产的CC2530单片机作为主控芯片,而电池供电电路采用3.3V电池供电。ZigBee节点电路110用于完成传感器驱动、控制器驱动及无线射频驱动等工作,传感器包括烟雾传感器120、温度传感器130和湿度传感器140等,在本实施例中,温度传感器130和湿度传感器140采用DHT11数字温湿度传感器,其具有已校准的数字信号输出,湿度量程5~95%RH,温度量程-20~60℃,其灵敏性及可靠性满足实验实训环境监测要求。
ZigBee节点电路110的CC2530单片机使用IO口P0_7作为数字信号接收口,单片机需对接收的温湿度信息进行字符串转换,利用变量temp和humidity存储温湿度信息用于OLED显示及单片机逻辑控制条件。
烟雾传感器120有可靠性及灵敏度要求,在本实施例中,采用MQ-2烟雾传感器,其测量范围较宽,可达到15000ppm。传感器的导电率随环境中气体浓度增大而增大,其模拟输出电压也加大。
ZigBee节点电路110的CC2530单片机使用P0_6口作为模拟量输入口获得输入电压并进行AD转换,与传感器量程进行相应的比例运算可以计算出环境浓度值,具体如下式(1)表示:
控制器包括喷淋器控制器150、风扇控制器160和LED控制器170,分别连接风扇、喷淋系统和指示灯,当实验实训室温湿度过高时可以自动或者手动开启风扇进行降温除湿。当烟雾传感器监测到室内烟雾浓度过高时,则需要向协调器发送警报信号,进而手动或者自动开启喷淋系统。对风扇及喷淋系统的控制需使用两组继电器,ZigBee节点电路110的CC2530单片机分别使用P1_0、P1_1两个IO口对继电器进行控制。
组网装置200用于监测数据的收集及上传,组网装置包括第一通信协调器和第二通信节点电路,第一通信协调器将第一通信节点电路和第二通信节点电路进行虚连接,实现二者数据传输。第一通信协调器为ZigBee协调器210,用于与第一通信节点电路,即与ZigBee节点电路110连接以实现ZigBee自组网的连接管理,集中来自不同ZigBee监测节点的信息,包括温湿度、烟雾量、电池电量和报警信息等,最后通过串口传输给第二通信节点电路。
第二通信节点电路为NB-IoT节点电路220,用于发送AT指令或接收控制信息。NB-IoT节点电路采用上海移远公司的BC28模组电路。ZigBee协调器210的CC2530单片机使用串口1(P0_4、P0_5)与NB-IoT节点进行串口通信,实现发送AT指令或接收控制信息,由于CC2530的串口电压3.3V与BC28的1.8V不匹配,需要先进行串口电平转换后才可以连接通信,即在ZigBee协调器210和NB-IoT节点电路220之间增加串口转换电路。
进一步的,为了考虑功耗控制要求,ZigBee协调器210的CC2530使用P1_2口对NB-IoT节点电路220的开启及休眠进行控制。
采用上述技术方案,由于基于NB-IoT和ZigBee的实验实训环境监测系统,把ZigBee快速自组网的优势跟NB-IoT高效远程透传能力相结合,应用到实验实训环境监测中,一个中小规模的监测系统只需定期向电信运营商缴纳一个NB-IoT网关模块的流量费用而不需要其他费用,后期运维成本大幅降低,此外系统的低功耗设计及防误报机制也极大提高了系统的稳定性,具有广阔的应用前景。
作为上述第一实施例的优选实施例,还提出一种实验室环境监测系统,在采用第一实施例中的实验室环境监测装置,在其上还连接有云平台300,云平台300实现数据管理、数据显示及控制命令发送,系统采用OneNET云平台,提供了丰富的API和各类应用开发模板,能快速接入各类传感器及智能硬件,其友好的开发环境及支持多协议接入让智能应用开发变得简单。平台采用Web架构,开发环境提供了必须的界面搭建元素,数据绑定简洁直观,控制台可以自动生成Web应用链接,利用浏览器或OneNET手机端APP可以方便实现远程监测及控制。
数据管理实现Web应用和底层传感网络的数据交互及分析处理,云平台300是连接Web应用和底层传感网络的桥梁,云平台接收并存储来自传感网的监测数据并为Web应用开发者提供API。由于环境监测系统侧重于数据实时处理,无需庞大的历史数据存储量,使用OneNET平台自带数据库而无需另外搭建数据库,平台设备接入方式选择NB-IoT方式。
以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明,但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言,在不脱离本实用新型原理和精神的情况下,对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型,仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种实验室环境监测装置,其特征在于,包括:传感控制装置和组网装置,所述传感控制装置用于监测数据的采集及功能控制,所述组网装置用于监测数据的收集及上传,其中,所述传感控制装置包括多个传感器、多个控制器以及与所述传感器和控制器连接的第一通信节点电路,所述组网装置包括第一通信协调器和第二通信节点电路,所述第一通信协调器将所述第一通信节点电路和所述第二通信节点电路进行虚连接,实现二者数据传输。
2.根据权利要求1所述的实验室环境监测装置,其特征在于:所述传感器包括烟雾传感器、温度传感器和湿度传感器。
3.根据权利要求2所述的实验室环境监测装置,其特征在于:所述温度传感器和所述湿度传感器采用DHT11数字温湿度传感器。
4.根据权利要求1所述的实验室环境监测装置,其特征在于:所述控制器包括喷淋器控制器、风扇控制器和LED控制器。
5.根据权利要求1所述的实验室环境监测装置,其特征在于:所述第一通信节点电路为ZigBee节点电路,所述ZigBee节点电路用于完成传感器驱动、控制器驱动及无线射频驱动,所述ZigBee节点电路包括单片机系统电路、电池供电电路和外围接口电路。
6.根据权利要求5所述的实验室环境监测装置,其特征在于:所述单片机系统电路采用CC2530单片机电路。
7.根据权利要求1所述的实验室环境监测装置,其特征在于:所述第一通信协调器为ZigBee协调器,用于与第一通信节点电路连接以实现ZigBee自组网的连接管理。
8.根据权利要求1所述的实验室环境监测装置,其特征在于:所述第二通信节点电路为NB-IoT节点电路,用于发送AT指令或接收控制信息。
9.根据权利要求8所述的实验室环境监测装置,其特征在于:所述NB-IoT节点电路采用BC28模组电路。
10.根据权利要求1所述的实验室环境监测装置,其特征在于:在所述第一通信协调器和所述第二通信节点电路之间设置有串口转换电路。
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