CN217155474U - 一种实验动物生长区环境质量远程监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于远程监控设备技术领域，公开了一种实验动物生长区环境质量远程监控系统，包括传感器模组、执行装置、下位机控制器、上位机、电源和云服务器。本实用新型的系统数据传输在下位机与上位机之间选择性地采取有线传输的方式，采取RS485通讯传输接口与ModBus通讯协议，克服无线传输在如钢板房等特殊建筑结构情况下的可靠性缺陷问题，同时支持至多32个设备连接，适合于多个实验动物生长间与上位机之间数据的共同传输需求；在传输两端设计TVS管电路进行TVS瞬态抑制保护，有效的保护精密元器件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击，功能全面且性能可靠。

Description

一种实验动物生长区环境质量远程监控系统

技术领域

本实用新型属于远程监控设备技术领域，尤其涉及一种实验动物生长区环境质量远程监控系统。

背景技术

目前，随着生命科学、医药学等领域的发展，实验动物的需求越来越大，实验动物不同于普通动物，其生长环境应满足相关国家标准的规定，常见的环境指标有温度、湿度、氨气浓度、空气洁净度、光照强度、相通区域压差等。实现实验动物生长间的环境质量的测量与控制的需求越来越大。

目前，对于室内环境质量的测量与控制一般采用传感器采集、处理器进行数据处理与指令发布、执行器执行控制动作的方式来实现，数据传输一般采取短距离无线传输的方式，如WIFI、蓝牙、Zigbee等。

目前常见的室内环境质量测控系统虽然能实现常规室内环境，如家居场所，办公场所的环境数据采集、监控与控制等功能，但在一些特殊场景下并不适用，例如，在实际设计与建造中，实验动物生长区域等特殊环境可能会以钢板等材料进行建筑隔离或强化，此时，无线传输方式并不可靠，需要采取其他数据传输方式。

关于室内空气质量的国家标准包括物理性、化学性、生物性和放射性四个方面，物理性包含相对湿度、空气流速、新风量三项指标要求，化学性包含二氧化氮、甲醛、苯等十三项指标要求，生物性指菌落总数的要求，放射性指氡元素放射量要求。室内空气质量检测的需求通常在医院、工业洁净室、养殖场、民用建筑工程验收等特殊场合，各种场合对检测项目的侧重点根据具体情况有所不同，例如医院注重对通风量及菌落数指标较为关心，工业洁净室对温度和湿度指标较为关心养殖业养殖场对氨气、硫化氢、二氧化碳指标较为关心，民用建筑验收对甲醛和苯的检测较为重视。目前常见的空气质量测控系统通常采取传感器采集数据，由下位机收集数据信息并传输给上位机进行处理和存储的方式，下位机通常采用嵌入式系统，满足高效可靠低功耗的要求，上位机根据不同要求可以采用工控机或PC等，一些系统要求具有远程监控的功能，多数系统会采取由上位机将数据上传云服务器的方式。这些室内空气质量监控系统在下位机与上位机的通讯方面大多采用无线通讯的方式，如WIFI、蓝牙、2.4G等等，这些无线通讯传输方式确实可以方便可靠地使用在上述对室内空气质量监控有需求的场所，但是在某些无线讯号受到阻碍甚至被屏蔽的特殊场所是不能应用的，例如金属板房、地下室等，这时传统的有线传输方式的优势就重新凸现出来，目前有线传输方式更多地使用在如汽车内部空气质量检测等近传输距离的场合，希望在室内空气质量监控系统中引入有线的方式以克服无线传输的一些弊端，采取有线传输方式，信号传输的抗干扰能力会大大加强。

在本系统的控制方面，所涉及的六种环境质量指标中的五项和空气有关，这五种量的控制目前在业内大多数情况都是使用净化空调系统来实现控制，例如医院洁净手术室、半导体洁净室等都是使用净化空调机组。简单介绍空调机组调控方式：净化空调机组通常由新风系统、排风系统和冷热水源三部分构成，一套空调系统就可以完成对温度、湿度、氨气浓度、相通区域压差和空气洁净度五种指标的控制，温度通过干式冷却盘组调控，除湿采用降温除湿的方式，加湿由空气淋水装置完成，氨气浓度和相通区域压差由风机变频器调节风机转速控制，空气洁净度由风机过滤单元控制。目前业内净化空调系统通常由PLC来控制，这已经是一种成熟的方案。在实际调研时发现很多设计都把温度与湿度的检测放在通风管道里，以管道里进风口和排风口或回风管道里气流的温度和湿度代替房间或厂房里的温度与湿度，这种将温湿度测量与净化空调机组绑定的方案方便且性价比高，但现有技术并未直接测量室内温湿度指标，稍缺乏严谨性。

另一方面，PLC控制柜一般位于专门的控制间，如果想要在被测室内实时查看环境质量信息，一般只需要通过远程查看的方式，这在实时性和便利性方面有待改进。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前常见的室内环境质量测控系统并不适用于实验动物生长区域等特殊环境，且无线传输方式不可靠。

现有系统大多数在下位机和上位机之间采取无线通讯的方式，这在一些无线讯号受限的场所并不适用。

现有技术将温湿度采集直接与净化空调机组绑定，使用通风管道温度代替室内温湿度方案不够严谨。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种实验动物生长区环境质量远程监控系统。本实用新型出于直接检测室内环境质量和实时查看的目的，需采用在被测室内直接设计一套检测装置的方案代替业内常见的方案，后期如果需要可以方便地利用下位机加装基地显示，方便被测室内直接查看数据。

本实用新型是这样实现的，一种实验动物生长区环境质量远程监控系统设置有：

用于测量实验动物生长间环境数据的传感器模组；

用于调控动物生长间环境质量的执行装置；

用于接收传感器模组的采集信息，并对执行装置进行控制的下位机控制器；

用于与下位机控制器通过连接线路连接，接收各个生长间的下位机控制器上传的数据，并将数据上传到云服务器的上位机；

用于与下位机控制器和执行装置相连接并进行供电的电源；

用于与pc端和手机端连接，将上位机上传的数据进行远程发布的云服务器。

所述传感器模组和执行装置依次与下位机控制器、上位机和云服务器连接；

进一步，所述传感器模组位于各个实验动物生长间内部，所述传感器模组设置有温湿度传感器、大气压差传感器、光敏照度传感器、氨气浓度传感器和PM2.5浓度传感器。

进一步，所述执行装置位于各个实验动物生长间内部，设置有温度控制装置、相对湿度控制装置、相通区域大气压强控制装置、光照强度控制装置、氨气浓度控制装置和PM2.5浓度控制装置。

进一步，所述下位机控制器位于各个实验动物生长间内部，设置有相连接的控制器和AD转换电路。

进一步，所述上位机位于独立于实验动物生长间的控制室内，所述上位机通过RS485线路与下位机控制器连接。

进一步，所述电源位于各个实验动物生长间内部。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，从以下几方面分析本实用新型所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本实用新型的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本实用新型技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本实用新型提供的实验动物生长区环境质量远程监控本实用新型数据传输在下位机与上位机之间选择性地采取有线传输的方式，采取RS485通讯传输接口与ModBus通讯协议，克服了无线传输在如钢板房等特殊建筑结构情况下的可靠性缺陷问题，同时可以支持至多32个设备连接，适合于多个实验动物生长间与上位机之间数据的共同传输需求；而且，RS485采取差分信号传输方式，具有较强的抗干扰能力，理论传输距离1200米，满足实验动物生长间环境质量测控本实用新型的要求。由于本设计下位机与上位机都是USB接口，所以二者之间采取USB转RS485电路辅助进行数据远距离传输，本实用新型还在传输两端设计TVS管电路进行TVS瞬态抑制保护，有效的保护精密元器件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。

本实用新型在传感器硬件选取上尽可能多地选择数字量输出，减少了当使用模拟量输出传感器时，传感器与单片机之间通讯的AD转换过程。另外，本实用新型设计共包含多种传感器，能够测量温度、相对湿度、相通区域最小静压差、氨浓度、空气洁净度、照度六种环境参数，基本涵盖国家标准《实验动物环境及设施(GB14925-2010)》中所涉及的指标，监控量足够全面。

本实用新型设计包含数据库部分，能够存储数据与查询历史数据，数据库界面设计简洁美观，便于用户进行数据查看与分析。同时，在基础的基地监控功能的基础上，本实用新型设计了pc端和手机端的远程客户端，能够实现用户远程查看数据和发布命令的功能。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本实用新型所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本实用新型针对金属板房结构的实验动物生长间环境质量的测量与控制进行设计，下位机到上位机采取有线传输的数据传输方式。另外，本实用新型设计包含远程发布、故障报警等功能，本实用新型整体设计功能全面且性能可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的实验动物生长区环境质量远程监控系统的结构原理图；

图2是本实用新型实施例提供的具体实施例示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一主多从连接方式示意图；

图中：1、传感器模块；2、下位机控制模块；3、执行器块；4、上位机模块；5、服务器与双端模块；6、电源模块。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种实验动物生长区环境质量远程监控系统，下面结合附图对本实用新型作详细的描述。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本实用新型如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本实用新型实施例提供的实验动物生长区环境质量远程监控系统主要包括以下模块：传感器模块1、下位机控制模块2、执行器块3、上位机模块4、服务器与双端模块5和电源模块6。

传感器模块1位于各个实验动物生长间内部，包括温湿度传感器、大气压差传感器、光敏照度传感器、氨气浓度传感器、PM2.5浓度传感器，分别用于测量实验动物生长间温度、相对湿度、相通区域压差、氨气浓度、PM2.5浓度。上述传感器模块与单片机控制模块连接，各传感器可以将环境参数转化为对应的数字量或模拟量信号，传输给下位机控制模块进行数据处理。在选择传感器时，应尽量选择数字量输出的传感器，以减少其与下位机控制模块通讯时的AD转换，简化电路与程序设计。

下位机控制模块2位于各个实验动物生长间内部，包括控制器和AD转换电路，AD转换电路将模拟量传感器输出转化为数字量，控制芯片一般选择单片机。在将写好的程序烧录进单片机后，单片机将传感器采集到的数据进行处理，产生控制信号并将其传输至执行器模块，同时，下位机控制模块还负责将环境数据传输至上位机，以进行数据的存储。上述下位机控制模块与传感器模块，执行器模块，上位机模块连接。

执行器模块3位于各个实验动物生长间内部，接收来自下位机控制模块的控制信号，执行相应的控制动作，以达到调控动物生长间环境质量的目的。该模块包括温度控制模块，相对湿度控制模块、相通区域大气压强控制模块、光照强度控制模块、氨气浓度控制模块、PM2.5浓度控制模块,分别负责调节实验动物生长间的温度、相对湿度、相通区域大气压差、实验动物光照强度、氨气浓度和PM2.5浓度，上述执行器模块与下位机控制模块连接。在选取执行机构时，应根据具体调节范围来选型，尽量与实际设备相结合，尽可能通过少量设备实现多个环境指标的调控以降低系统复杂度。

上位机模块4位于独立于实验动物生长间的控制室内，负责接收来自各个生长间的下位机控制模块上传的数据，编程建立数据库将接收到的数据存储起来，并设计简洁美观的界面进行实时数据显示、历史数据查询、执行器状态显示和控制命令显示，同时上位机将数据上传服务器，上位机模块与下位机控制模块与服务器连接。

服务器与双端模块5包括云服务器、pc端和手机端，负责将上位机上传的数据进行远程发布，用户可以远程查看数据和发布命令。

电源模块6位于各个实验动物生长间内部，与下位机控制模块和执行机构模块相连接为其供电。下位机控制模块选择单片机作为主控芯片时通常为5v或3.3v供电，输出电压通常为5v，不足以为执行机构供电，所以各个执行机构要根据实际选型设计供电电路。

二、实施例相关效果的证据。本实用新型实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

本实用新型实施例基于武汉理工大学马赛学院实验动物生长间实验室环境监控系统的设计，根据具体要求对上述完整系统有所增减变动，下面对本实施例做部分必要说明。

本实验动物生长区主要区域有8间生长间和1间控制室，生长间用作动物的饲养和实验等，生长间内部在建造时使用了金属板作建筑材料，对无线信号有屏蔽作用；控制室用作放置净化空调室内机组、plc控制柜和上位机。系统采集的信息有实验动物生长间的温度、相对湿度、氨气浓度、光照强度、相通区域压差和空气洁净度，系统控制的量包括生长间的温度、相对湿度、氨气浓度、相通区域压差和空气洁净度，这些被控量的控制都由一组净化空调机组实现，净化空调机组通过将室外新风和室内回风混合处理后输入进风管道，然后输入8间实验动物生长间，以此来达到控制5种被控量的目的，而净化空调机组由plc控制。

如图2所示，传感器模块选用了五种传感器采集数据，传感器模块1a包括三种传感器，分别为氨气浓度传感器、光照强度传感器和空气洁净度传感器，这三款传感器共同组成一个传感子模块，每个生长间放置1个，一共8个此子模块，负责采集每个生长间的氨气浓度、光照强度和空气洁净度参数；传感器模块1b包含两种传感器，分别为温湿度传感器和大气压强传感器，这两种传感器共同组成一个传感器子模块，放置在净化空调机组向8个生长间输送新风的主管道内部，数量为1套，负责采集送风温度、送风相对湿度、回风温度、回风相对湿度、送风压强和回风压强，传感器将这些信息上传发送给plc，以此作为调节控制生长间温度、相对湿度和相通区域压差的参数依据。

下位机控制模块2a选用stm32芯片作为主控芯片，数量为8个，和传感器子模块1a一起放置在8间实验动物生长间中，接收来自传感器模块1a发送的数据，并负责将环境参数发送至上位机，由上位机进行数据处理产生控制命令，传感器子模块1a与上位机之间为单向通讯；下位机控制子模块2b为可编程逻辑控制器plc，品牌为SIEMENS，数量为1个，放置在控制室内，控制同样放在控制室内的执行机构模块3，即净化空调机组。此子模块接收来自传感器子模块1b上传的温度、相对湿度和大气压强的参数，上传给上位机，接收来自上位机的控制命令，以此作为控制净化空调机组的控制依据，下位机控制子模块2b与上位机之间是双向通讯。

执行机构模块3主要由风冷热泵机组、净化新风机组和净化排风机组构成一套完整的净化空调机组，其室内部分放置在控制室，产生的新风通过送风管道送入8个生长间内，生长间的回风通过回风管道回到控制室与新风混合重新净化。通过净化空调机组3，调节实验动物生长间的温度、相对湿度和相通区域压差。

上位机模块4是本实用新型实施例的主要控制器，位于控制室内，数量为2，一用一备，当其中一台出现故障时，系统自动切换备用机。上位机开发软件为QT，开发语言为C++，上位机负责接收来自传感器模块1a和下位机控制模块2b发送的数据，产生控制信号并发送给下位机控制模块2b，其图形化界面可以使用户便捷地查看环境参数和下发控制命令，界面包括四大功能区，分别为节点实时数据查询、节点历史数据查询、执行机构状态查询和控制命令。数据库开发软件为MySQL，开发语言为SQL，数据库主要功能为存储数据，以实现历史数据查询的功能。

云服务器与双端模块5属于软件，包括pc端和手机端。云服务器为租用阿里云，上位机将数据库数据上传至云服务器，并将上位机界面上传。pc端为web形式，开发语言为html，手机端为APP形式，开发语言为Java，web界面与上位机界面保持一致，APP界面与上位机界面类似。整个模块实现了数据云端存储与远程发布，用户可以在远程查看环境数据并下发命令。

特别说明下位机控制模块与上位机模块之间的连接方式与数据传输方式。由于生长间建造时使用了金属板，所以目前常见的无线通讯方式如WIFI、zigbe、GPRS或Bluetooth在这种场景下都不能可靠地将信号从房间内部传输出来，而下位机与上位机分别放置在生长间和控制室内部，二者之间的距离在10～50米之间，综合考虑后使用RS485通讯传输接口与modbus通讯协议的方式来传输信号，这种方式在工业上使用较为广泛。RS485选用两线制半双工模式，线材使用双绞线。plc自带RS485接口，但因为下位机控制模块2a使用的stm32单片机和上位机pc都没有自带RS485接口，所以使用usb转RS485电路来进行转换，本实施例采用了成熟的usb与RS485转换模块，芯片采用CH340，防护上采用了TVS瞬态抑制二极管做浪涌保护。在主机与从机的连接上，采取一主多从菊花链式连接方式，1台上位机连接9台下位机，采取轮询方式对总线上的设备轮流进行通讯，连接示意图如图3所示。这种通讯方式的优点包括下列几点，有线的传输方式能够适应如金属板房间等特殊环境，RS485差分信号传输方式配合双绞线拥有极高的抗干扰能力，且能同时连接多个设备，传输距离可以远至800米，在工业上拥有很好的适应能力。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实验动物生长区环境质量远程监控系统，其特征在于，所述实验动物生长区环境质量远程监控系统设置有：

用于测量实验动物生长间环境数据的传感器模组；

用于调控动物生长间环境质量的执行装置；

用于接收传感器模组的采集信息，并对执行装置进行控制的下位机控制器；

用于与下位机控制器通过连接线路连接，接收各个生长间的下位机控制器上传的数据，并将数据上传到云服务器的上位机；

用于与下位机控制器和执行装置相连接并进行供电的电源；

用于与pc端和手机端连接，将上位机上传的数据进行远程发布的云服务器；

所述传感器模组和执行装置依次与下位机控制器、上位机和云服务器连接。

2.如权利要求1所述实验动物生长区环境质量远程监控系统，其特征在于，所述传感器模组位于各个实验动物生长间内部，所述传感器模组设置有温湿度传感器、大气压差传感器、光敏照度传感器、氨气浓度传感器和PM2.5浓度传感器。

3.如权利要求1所述实验动物生长区环境质量远程监控系统，其特征在于，所述执行装置位于各个实验动物生长间内部，设置有温度控制装置、相对湿度控制装置、相通区域大气压强控制装置、光照强度控制装置、氨气浓度控制装置和PM2.5浓度控制装置。

4.如权利要求1所述实验动物生长区环境质量远程监控系统，其特征在于，所述下位机控制器位于各个实验动物生长间内部，设置有相连接的控制器和AD转换电路。

5.如权利要求1所述实验动物生长区环境质量远程监控系统，其特征在于，所述上位机位于独立于实验动物生长间的控制室内，所述上位机通过RS485线路与下位机控制器连接。

6.如权利要求1所述实验动物生长区环境质量远程监控系统，其特征在于，所述电源位于各个实验动物生长间内部。

Images