CN219105371U - 一种物联网多模环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种物联网多模环境监测系统，包括十六个传感器模块、四个具有数据转换和数据透传功能的采集终端、两个数据网关和环境数据监测平台，一个采集终端与四个传感器模块连接，一个数据网关与两个采集终端通过无线网络通道连接，环境数据监测平台与数据网关连接，采集终端能够通过唯一码识别当前所连接的传感器模块类型和厂家，通过数据网关获得传感器模块的配置原语，配置原语包含对该传感器模块通信接口访问软硬件配置和访问流程，实现数据网关和传感器模块之间的透明化数据传输，只需要更新数据网关的传感器软硬件配置库，即可理论上实现不同传感器模块型号的无限制接入，并且传感器模块在整个系统中适配一次后，永久使用的目的。

Description

一种物联网多模环境监测系统

技术领域

本实用新型属于数据采集技术领域，具体涉及一种物联网多模环境监测系统。

背景技术

近年来，我国经济社会发展速度极快，极大程度上的提升了人们的日常生活水平，然而也造成了严重的生态环境污染问题，不仅制约了社会的可持续发展，同时还对人们的健康生活造成了较大的影响。开展环境监控工作的过程中，能够采集到各种环境信息数据，针对社会生产当中出现的各种非法污染进行系统化监控，预防污染的持续进行。

信息技术应用在环境监测中，主要包括了无线传感器技术与可编程逻辑控制器技术。其中无线传感器技术就是于监测环境当中设置数据采集终端和传感器相结合的节点，节点采集传感器的数据并将数据传输到数据基站，数据链路到达云服务数据平台，实现在采集终端访问数据以及为数据基站发送相应指令。

然而，随着生活环境监测的指标和种类越来越多，所使用到的传感器种类就越来越多，进而造成采集终端的种类就越多，终端需要去对接不同的传感器以适应新的需求，势必造成采集终端的通用性下降、扩展性减弱、系统开发成本增高。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题，本实用新型提供一种物联网多模环境监测系统，以解决现有环境监测系统的采集终端通用性低，扩展性弱的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种物联网多模环境监测系统，包括：

至少一个传感器模块；传感器模块用于对环境特征进行识别并生成环境数据；

至少一个具有数据转换和数据透传功能的采集终端；一个采集终端与至少一个传感器模块连接，采集终端用于接收传感器模块生成的环境数据和传感器模块的配置信息；

至少一个数据网关；一个数据网关与至少一个采集终端通过无线网络通道连接，数据网关用于通过采集终端的数据转换和数据透传功能以收集传感器模块的配置信息和环境数据并向采集终端发送配置原语；

环境数据监测平台；环境数据监测平台与数据网关连接，环境监测平台用于接收数据网关接收的环境数据并对环境数据进行监测和管理。

优选地，一个传感器模块还包括：

传感装置；传感装置用于对至少一种环境特征进行识别并生成环境数据，环境特征包括环境的温度、湿度、光照、噪音、气压、二氧化碳含量、一氧化碳含量、二氧化硫含量、雨量和风速；

传感存储装置；传感存储装置与传感装置连接，传感存储装置用于存储传感装置收集的环境数据和传感装置的配置信息。

优选地，一个采集终端包括：

数据接收无线模块；数据接收无线模块用于通过无线网络通道接收数据网关输出的配置原语；

数据发送无线模块；数据发送无线模块用于通过无线网络通道向数据网关发送环境数据和配置信息；

传感器扩展接口；传感器扩展接口包括IIC、SPI、UART接口，传感器扩展接口与传感存储装置通过数据线连接；

微控制器；微控制器上连接有数据接收无线模块、数据发送无线模块和传感器扩展接口连接，微控制器用于对数据网关下发的配置原语进行数据转换并执行；

终端电源模块；终端电源模块用于为微控制器、数据发送无线模块和数据接收无线模块供电。

优选地，一个数据网关包括：

信号输出与输入模块；信号输出与输入模块通过无线网络通道与采集终端的数据接收无线模块和数据发送无线模块连接，信号输出与输入模块还与环境数据监测平台连接；

网关数据处理与存储模块；网关数据处理与存储模块和信号输出与信号输入模块连接，网关数据处理与存储模块通过识别采集终端连接的传感器模块的配置信息对采集终端发送配置原语，以及对采集终端收集的环境数据进行采集；

RTC模块；RTC模块用于为网关数据处理与存储模块提供时钟源；

网关电源模块；网关电源模块用于为信号输出与输入模块、网关数据处理与存储模块和RTC模块提供电源。

优选地，配置原语为一种自定的通用描述语言，用于描述采集终端的执行流程，包含了端口输入和输出电气配置、输出高低电平设置、输入高低电平读取、电平维持时间描述、写入控制位和读取状态位，采集终端和数据网关均能够对该通用描述语言进行识别和执行，配置原语还包括传感器模块的总线类型配置信息、软件驱动信息和寄存器识别配置信息。

优选地，环境监测平台为移动APP、web和可执行文件中的至少一种。

本申请的有益效果在于：

本申请解决了采集终端对接传感器模块种类多、品牌多和通信协议多的难题，使采集终端连接传感器模块时，能够识别传感器模块的类型和厂家，能够通过传感器的唯一识别号在数据网关获得当前所连接的传感器模块配置原语，该原语包含了对该传感器模块的通信接口访问软硬件配置和访问流程，构建完整的传感器模块访问路径，实现数据网关和传感器模块之间的透明化数据传输，整个传感器模块的使用过程中，只需要更新数据网关的配置原语，即可理论上实现不同传感器模块型号的无限制接入，并且达到传感器模块在整个系统中适配一次后，永久使用的目的。

附图说明

图1为一种物联网多模环境监测系统的结构示意图；

图2为数据网关模块的具体结构示意图；

图3为采集终端的具体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

如图1所示，一种物联网多模环境监测系统，包括：

十六个传感器模块；传感器模块用于对环境特征进行识别并生成环境数据，传感模块采用可直接采购的传感器；

四个具有数据转换和数据透传功能的采集终端；一个采集终端与四个传感器模块连接，采集终端用于接收传感器模块生成的环境数据和传感器模块的配置信息，采集终端采用遵循环保行业规约标准(HJ 212-2017) 和(HJ 212-2005)的可直接采购的采集终端，如DF-CJ型号采集终端；

两个数据网关；一个数据网关与两个采集终端通过无线网络通道连接，数据网关用于通过采集终端的数据转换和数据透传功能以收集传感器模块的配置信息和环境数据并向采集终端发送配置原语，配置原语包括传感器模块的总线类型配置信息、软件驱动配置信息和寄存器识别配置信息；

环境数据监测平台；环境数据监测平台与数据网关连接，环境监测平台用于接收数据网关接收的环境数据并对环境数据进行监测和管理。

在本实施例中，本申请解决了采集终端对接传感器模块种类多、品牌多和通信协议多的难题，使采集终端能够通过配置原语识别当前所连接的传感器模块类型和厂家，进而通过数据网关获得对该传感器模块的通信接口访问软硬件配置，构建完整的传感器模块访问路径，实现数据网关和传感器模块之间的透明化数据传输，整个传感器模块的使用过程中，只需要更新数据网关的配置原语，即可理论上实现不同传感器模块型号的无限制接入，并且达到传感器模块适配一次后，永久使用的目的。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于：如图1所示，一个传感器模块还包括：

传感装置；传感装置用于对至少一种环境特征进行识别并生成环境数据，环境特征包括环境的温度、湿度、光照、噪音、气压、二氧化碳含量、一氧化碳含量、二氧化硫含量、雨量和风速；

传感存储装置；传感存储装置与传感装置连接，传感存储装置用于存储传感装置收集的环境数据和传感装置的配置信息。

在本实施例中，传感装置存有唯一编码，同时，将传感装置的通信接口与传感存储装置的通信接口通过系统定义的标准电气连接顺序对外连接，主要包含电源供电接口和数字输入输出口，其中传感存储装置的通信接口和传感器模块供电需要遵循固定的顺序，传感器的通信接口没有固定的顺序要求。

实施例3：

本实施例与实施例2的区别在于：如图3所示，一个采集终端包括：

数据接收无线模块；数据接收无线模块用于通过无线网络通道接收数据网关输出的配置原语；

数据发送无线模块；数据发送无线模块用于通过无线网络通道向数据网关发送环境数据和配置信息；

传感器扩展接口；传感器扩展接口包括IIC、SPI、UART接口，传感器扩展接口与传感存储装置通过数据线连接；

微控制器；微控制器上连接有数据接收无线模块、数据发送无线模块和传感器扩展接口连接，微控制器用于对数据网关下发的配置原语进行数据转换并执行；

终端电源模块；终端电源模块用于为微控制器、数据发送无线模块和数据接收无线模块供电。

在本实施例中，根据采集终端实际需要连接的传感器模块数量，采集终端能够配置1至4通道分别与不同的传感器模块进行电气连接。采集终端具有唯一码，能够在环境监测系统进行唯一化身份标识，能够根据数据网关下发的配置原语进行执行，对传感器扩展接口进行数字输入输出口的配置、总线类型配置、总线时序配置、数据寄存器配置，以正确获得当前电气连接的传感器模块的传感装置数据，当采集终端的数据接收无线模块接收到数据网关发送的查询命令之后，采集终端能够正确获得传感装置的当前数据，并将当前数据通过采集终端中的数据发送无线模块反馈给数据网关，这个过程中，采集终端不参与数据的计算和其他操作，只起到数据转换和数据透传的功能。采集终端具有定时和实时两种工作模式，定时工作模式主要应用于电池供电的场景，在于能够节约能耗、延长工作时间，但监测数据的实时性下降；实时模式则主要应用于外部供电的场景，能够实时响应数据网关对其的数据访问。

实施例4：

本实施例与实施例3的区别在于：如图2所示，一个数据网关包括：

信号输出与输入模块；信号输出与输入模块通过无线网络通道与采集终端的数据接收无线模块和数据发送无线模块连接，信号输出与输入模块还与环境数据监测平台连接；

网关数据处理与存储模块；网关数据处理与存储模块和信号输出与信号输入模块连接，网关数据处理与存储模块通过识别采集终端连接的传感器模块的配置信息对采集终端发送配置原语，以及对采集终端收集的环境数据进行采集，网关数据处理与存储模块为具有存储功能和搭载传感器软硬件配置库的PCB；

RTC模块；RTC模块用于为网关数据处理与存储模块提供时钟源；

网关电源模块；网关电源模块用于为信号输出与输入模块、网关数据处理与存储模块和RTC模块提供电源。

在本实施例中，数据网关主要由网关数据处理与存储模块、电源管理模块、数据网关中的数据接收无线模块和数据发送无线模块、USB扩展模块、RTC模块、RS485/422有线通信模块、以太网通信模块、移动通信网络3G/4G模块、状态指示与显示模块、数字隔离输入模块、数字隔离驱动输出模块、电流输入监测模块和数据网关软件组成，数据网关通过数据网关中的数据接收无线模块、数据发送无线模块构成了与采集终端之间的无线网络通道，数据网关通过识别采集终端连接的传感器模块，给采集终端发送配置原语，用于采集终端以正确的方式配置与传感器模块的总线类型、软件驱动和相关寄存器识别，实现数据网关与传感器模块之间的无线数据总线通道，达到数据网关可以直接采集传感器模块数据的目的；数据网关具有有线以太网通信接口和移动通信网络3G/4G模组，实现优先使用有线通信，备用移动通信，两者之间无缝切换；数据网关具有本地有线的RS485/422通信接口，用于与联动设备进行数据通信，数据网关能够通过采集终端的传感数据、数据网关自身的电流输入和数字隔离输入进行处理，并控制数字隔离驱动输出模块。

实施例5：

本实施例与实施例4的区别在于：环境监测平台为移动APP、web和可执行文件中的至少一种。

在本实施例中，环境监测平台包含有数据采集、备案管理、设备管理、系统管理、运行监测和统计分析功能模块。以数据采集实现对所有的数据网关的数据全面采集，以备案管理对环境监测企业、环境监测点和相关责任人员进行备案管理，并通过设备管理实现传感器模块原语设置、采集终端注册和数据网关的管理与分配到对应的监测企业、环境监测点和相关责任人员，并指定相关的维保人员。通过运行监测模块能够实现对监测企业、监测点和环境数据进行实时监测，并反映出相关有故障的数据网关、采集终端和传感器模块，并通过信息推送的方式提示对应维保人员进行维护。统计分析能够根据历史数据进行相关信息汇总和图表标示，进而形成指定格式的报表文件，以便于进行核对与参考。

实施例6：

本实施例与实施例5的区别在于：一种物联网多模环境监测系统的主要工作流程为：

首先，通过设备管理完成传感器模块的型号注册，并且根据传感器模块的数据手册配置总线类型、总线时序、配置寄存器的地址和值、数据寄存器的地址，生成标识该传感器型号的唯一码，并写入传感存储装置；

其次，对采集终端和数据网关进行系统入库，并由系统生成采集终端和数据网关的唯一码，并将唯一码分别写入采集终端和数据网关；

再次，系统对环境监测的企业、监测点和责任人进行信息备案，并且生成企业标识、监测点标识和责任人标识的唯一码，确保备案信息的唯一性；

进而，通过唯一码将采集终端、数据网关分别与企业、监测点和责任人进行关联绑定；

进一步，传感器模块连接到采集终端的任意一个传感器扩展接口之后，采集终端通过读取传感器模块的传感存储装置，获得该传感器模块型号的唯一码，并通过数据网关获得该传感器模块的配置原语，执行与传感器模块连接的数字输入输出口配置、总线类型、总线时序、配置寄存器的地址和值设置，并可以根据数据寄存器的地址读取数据；

再一步，采集终端将传感器模块的唯一码发送给数据网关进行注册，数据网关根据本地数据库判断当前注册的唯一码是否存在；如果该唯一码在存，则直接将配置原语返送给采集终端；如果不存在则向监测平台（通过以太网或移动网络）发起查询，监测平台查询到该唯一码，并将其配置原语返送给数据网关，数据网关进行本地存储的同时将配置原语返送给采集终端；如果该唯一码在数据网关的数据库和监测平台均没有，则无法完成对该传感器模块的识别和数据读取；如果注册成功将会在数据网关的数据库内添加该采集终端的在线状态，采集终端长时间不进行数据上报或者通信失败则需要进行重新注册；

再一步，数据网关则根据数据采集策略，定时执行对已经完成注册的采集终端进行传感器模块数据获取，并提交到监测平台；这一过程中，如果多次对采集终端进行通信均无响应的则在数据网关的数据库内删除该采集终端的在线状态；采集终端发现通信状态离线后，需要重新执行注册操作，才能进行正常的数据通信；

再一步，通过监测平台能够随时配置采集终端工作在定时模式和实时模式，工作在定时模式后，数据网关需要对采集终端发送该定时间隔，采集终端每隔这一段时间唤醒，然后进行传感器模块数据上传，之后进入到休眠状态，等待下一次定时到之后唤醒；定时间隔时间是通过数据网关下发给采集终端的，每次采集终端上传数据后，都会收到下一次休眠的时间，如此反复增加采集终端的定时灵活性；

再一步，环境数据监测平台通过实时数据采集、数据统计和数据分析，能够显示各监测点的环境状态，并根据监测点的数据记录分析出该监测点的对应环境发展趋势，形成详细信息、列表、图示和曲线等形式的数据展示；

再一步，在传感器模块、采集终端和数据网关发生异常的情况下，监测平台能够进行及时的判定，并将故障信息推送到相关责任人，以便于进行快速维保；

最后，能够根据监测点的各种传感器模块采集数据等信息形成历史环境数据信息，并根据环境数据信息形成相应的环境状态数据报表和统计分析，为战略决策、环境治理和应急处理提供数据参考；

环境监测系统能够有效地提高被监测企业的环境治理积极性，提高对环境状态的数据指标化，能够降低环保部门对监测点的环境监测难度，能够实时监测各监测点的环境数据以便于应急处理，并能够对整个生活环境的改善起到积极的作用。

Claims (6)

1.一种物联网多模环境监测系统，其特征在于，包括：

至少一个传感器模块；传感器模块用于对环境特征进行识别并生成环境数据；

至少一个具有数据转换和数据透传功能的采集终端；一个采集终端与至少一个传感器模块连接，采集终端用于接收传感器模块生成的环境数据和传感器模块的配置信息；

至少一个数据网关；一个数据网关与至少一个采集终端通过无线网络通道连接，数据网关用于通过采集终端的数据转换和数据透传功能以收集传感器模块的配置信息和环境数据并向采集终端发送配置原语；

环境数据监测平台；环境数据监测平台与数据网关连接，环境监测平台用于接收数据网关接收的环境数据并对环境数据进行监测和管理。

2.根据权利要求1所述的一种物联网多模环境监测系统，其特征在于，一个传感器模块还包括：

传感装置；传感装置用于对至少一种环境特征进行识别并生成环境数据，环境特征包括环境的温度、湿度、光照、噪音、气压、二氧化碳含量、一氧化碳含量、二氧化硫含量、雨量和风速；

传感存储装置；传感存储装置与传感装置连接，传感存储装置用于存储传感装置收集的环境数据和传感装置的配置信息。

3.根据权利要求2所述的一种物联网多模环境监测系统，其特征在于，一个采集终端包括：

数据接收无线模块；数据接收无线模块用于通过无线网络通道接收数据网关输出的配置原语；

数据发送无线模块；数据发送无线模块用于通过无线网络通道向数据网关发送环境数据和配置信息；

传感器扩展接口；传感器扩展接口包括IIC、SPI、UART接口，传感器扩展接口与传感存储装置通过数据线连接；

微控制器；微控制器上连接有数据接收无线模块、数据发送无线模块和传感器扩展接口连接，微控制器用于对数据网关下发的配置原语进行数据转换并执行；

终端电源模块；终端电源模块用于为微控制器、数据发送无线模块和数据接收无线模块供电。

4.根据权利要求3所述的一种物联网多模环境监测系统，其特征在于，一个数据网关包括：

信号输出与输入模块；信号输出与输入模块通过无线网络通道与采集终端的数据接收无线模块和数据发送无线模块连接，信号输出与输入模块还与环境数据监测平台连接；

网关数据处理与存储模块；网关数据处理与存储模块和信号输出与信号输入模块连接，网关数据处理与存储模块通过识别采集终端连接的传感器模块的配置信息对采集终端发送配置原语，以及对采集终端收集的环境数据进行采集；

RTC模块；RTC模块用于为网关数据处理与存储模块提供时钟源；

网关电源模块；网关电源模块用于为信号输出与输入模块、网关数据处理与存储模块和RTC模块提供电源。

5.根据权利要求4所述的一种物联网多模环境监测系统，其特征在于，配置原语为一种自定的通用描述语言，用于描述采集终端的执行流程，包含了端口输入和输出电气配置、输出高低电平设置、输入高低电平读取、电平维持时间描述、写入控制位和读取状态位，采集终端和数据网关均能够对该通用描述语言进行识别和执行，配置原语还包括传感器模块的总线类型配置信息、软件驱动信息和寄存器识别配置信息。

6.根据权利要求1所述的一种物联网多模环境监测系统，其特征在于，环境监测平台为移动APP、web和可执行文件中的至少一种。

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