CN109029561A - 一种环境温湿度及voc多参数在线监测终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境温湿度及VOC多参数在线监测终端，其针对在户外恶劣工况下的温湿度及VOC多参数监测终端存在续航时间短、无线通讯距离短、时钟***漂移、防护等级低、施工困难、运维成本高等诸多问题，做出的在户外恶劣工况环境下的监测应用，具有续航时间长、无线通讯距离长、时钟***稳定、数据传输稳定、防护等级高、施工便捷、运维低廉等有益效果的环境温湿度及VOC多参数在线监测终端。
Description
技术领域
本发明涉及无线通讯领域，尤其涉及一种环境温湿度及VOC多参数在线监测终端。
背景技术
近年来，智慧城市的快速发展，有力推动着环境监测事业的大跨步迈进。大气温湿度及VOC等参数监测是环境监测中较为重要的指标，截至目前，基于无线通讯技术的环境温湿度及VOC多参数在线监测终端并不少见，但其中的大部分设备属于通用设备，环境适应能力较为有限。据统计，应用在户外恶劣工况下的温湿度及VOC多参数监测终端存在续航时间短、无线通讯距离短、时钟***漂移、防护等级低、施工困难、运维成本高等诸多问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种环境温湿度及VOC多参数在线监测终端。
本发明提供一种环境温湿度及VOC多参数在线监测终端，包括
中央处理单元：用于自组织网络、自恢复网络、时钟同步、温湿度及VOC数据采样及计算、射频通讯、数据存储、数据传输及回补、控制指令执行、状态机切换及低功耗实现；
时钟管理单元：其包括实时时钟模块及其***处理电路；中央处理单元读取时钟模块的相关寄存器，获取***时钟；中央处理器定期从父节点获取时间，并将时间数据写入时钟模块的寄存器单元，以校准时间；
温湿度信号采集单元：其包括温湿度传感器及采样信号调理电路；中央处理器定期从该单元获取环境温湿度数据，并完成采样数据计算；
VOC信号采集单元：其包括VOC传感器及采样信号调理电路；中央处理器定期从该单元获取环境VOC监测数据，并完成采样数据计算；
射频通讯单元：其包括射频接收机、射频发射机及射频信号调理电路；中央处理器通过该单元完成与网关等外部终端的数据交互，包含数据发送和数据接收；
数据存储单元：其包括数据存储模块及其***处理电路；中央处理器可以从该单元读取数据，也可以将数据写入该单元；
电源管理***：为各单元提供电力；
所述中央处理单元与所述的时钟管理单元、温湿度信号采集单元、VOC信号采集单元、射频通讯单元、数据储存单元电连接形成电回路。
所述中央处理器为MCU。
所述中央处理器的型号为MSP430F5438A。
所述实时时钟模块的型号为DS3231。
所述温湿度传感器的型号为SHT15。
所述VOC传感器的型号为：MAQ400A。
所述射频通讯接收机、射频发送机的型号为SX1276。
所述数据存储模块的型号为AT24CM01。
与相关技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用了低功耗处理技术，中央处理器可以控制与电源管理***相连接的所有单元，使温湿度及VOC多参数在线监测终端只用电池供电便可以续航2年以上。
2、本发明采用了LORA通讯技术，集成了定制化的无线传感器网络协议栈，使温湿度及VOC多参数在线监测终端可以和10公里外的网关进行稳定的双向无线通讯。
3、本发明采用了实时时钟校准技术，使温湿度及VOC多参数在线监测终端的实时时钟和网络时间协议服务器保持同步。
4、本发明采用了掉电非易失数据存储技术，可使温湿度及VOC多参数在线监测终端在极端工况下保持数据的连续性。
5、本发明的壳体结构采用增材制造技术，防雨防潮，可使其防护等级达到IP67以上。
附图说明
图1为本发明的连接关系示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
该监测终端包括中央处理单元、时钟管理单元、温湿度信号采集单元、VOC信号采集单元、射频通讯单元、数据存储单元以及电源管理***。
为便于行文描述，中央处理器以MSP430F5438A为优选对象，但本专利所述技术几乎适用于所有微处理器。
中央处理单元主要完成下述工作：自组织网络、自恢复网络、时钟同步、温湿度数据采样及计算、射频通讯、数据存储、数据传输及回补、控制指令执行、状态机切换及低功耗实现。
自组织网络技术交底。监测终端开机后，通过发送广播信号寻找网关等父节点设备，收到父节点回应后，视为自组织网络成功；否则，应继续搜索，直到成功加入网络。
自恢复网络技术交底。监测终端数据发送失败后，视为断开网络，需要重新恢复，监测终端重新发送广播信号寻找网关等父节点设备，收到父节点回应后，视为自恢复网络成功；否则，应继续搜索，直到成功恢复网络。
数据传输及回补技术交底。监测终端数据发送失败后，将本次发送失败的数据写入非易失存储器相应的地址中；当监测终端网络恢复后，再将存储的数据发送给父节点，同时，删除原地址中的数据。
控制指令执行技术交底。监测终端从休眠态进入工作态后，会给父节点发送握手信号，以查询缓存的指令，若得到命令指示，则开始接收并执行命令。
时钟管理单元包括实时时钟模块及与其连接的***处理电路。
时钟管理单元技术交底。中央处理器和时钟管理模块(DS3231)通过IIC总线相连。中央处理器的GPIO P8.7与DS3231的SCL连接，GPIO P8.6与DS3231的SDA连接，这两个接口上均配置10KΩ的上拉电阻，供电电压为3.3V。中央处理器通过IIC总线，读取时钟模块的相关寄存器，获取***时钟；中央处理器定期从网关等父节点获取时间，并将时间数据写入时钟模块的寄存器单元，以校准时间。
温湿度信号采集单元包括温湿度传感器及采样信号调理电路。
温湿度信号采集单元技术交底。中央处理器定期从温湿度信号采集单元获取环境温湿度数据，并完成采样数据计算。中央处理器和温湿度传感器(SHT15)通过IIC总线相连。中央处理器的GPIO P5.4与SHT15的SCL连接，GPIO P3.7与SHT15的SDA连接，这两个接口上均配置10KΩ的上拉电阻，供电电压为3.3V。
VOC信号采集单元包括VOC传感器及采样信号调理电路。
VOC信号采集单元技术交底。中央处理器定期从VOC信号采集单元获取环境VOC数据，并完成采样数据计算。中央处理器和VOC传感器(MAQ400A)通过UART总线相连。中央处理器的U5_RX与MAQ400A的TXD连接，U5_TX与MAQ400A的RXD连接，供电电压为5V。
射频通讯单元包括射频接收机、射频发射机及射频信号调理电路。
射频通讯单元技术交底。射频通讯单元具有唯一的地址，这样，多个不同地址的监测终端可以在同一个通讯信道中工作；中央处理器通过该单元实现其与网关等外部终端的数据交互，包含数据发送和数据接收。中央处理器和射频模块(SX1276)通过SPI总线相连。中央处理器的GPIO P2.1与SX1276的发送控制引脚连接，用于控制SX1276处于发送状态；GPIO P2.2与SX1276的接收控制引脚连接，用于控制SX1276处于接收状态；GPIO P2.3与SX1276的复位控制引脚连接，用于控制SX1276复位；GPIO P2.4与SX1276的GP0引脚连接，当射频接收到数据的时候，处理器可进入中断状态，接收数据；GPIO P3.3与SX1276的SCK引脚连接，用于同步时钟；GPIO P3.2与SX1276的MISO引脚连接，GPIO P3.1与SX1276的MOSI引脚连接，用于数据交换。
数据存储单元包括数据存储模块及其***处理电路。
数据存储单元技术交底。中央处理器可以从该单元读取数据，也可以将数据写入该单元，该单元具备掉电非易失特性，监测终端开关机后，原有存储数据不会丢失。中央处理器和数据存储模块(AT24CM01)通过IIC总线相连。中央处理器的GPIO P10.2与AT24CM01的SCL连接，GPIO P10.1与AT24CM01的SDA连接，这两个接口上均配置10KΩ的上拉电阻，供电电压为3.3V。中央处理器通过IIC总线，读取数据存储模块的相关寄存器，从指定地址空间获取数据；也可以将初始化信息及采样数据写入指定的地址空间。
电源管理***与中央处理单元、时钟管理单元、温湿度信号采集单元、VOC信号采集单元、射频通讯单元、数据存储单元相连接。
电源管理***技术交底。通过电源管理***，中央处理单元可灵活切换状态机，进入工作状态或者休眠状态，以降低整个***的功耗。中央处理单元从休眠状态切换到工作状态后，首先，会依次打开温湿度信号采集单元、VOC信号采集单元的电源***，采样完毕后，关闭其电源***；其次，会打开射频通讯单元的的电源***，数据交互完毕后，关闭该电源***；然后，再进入休眠模式。上述状态机的切换周而复始，因大部分时间处于休眠状态，故可大大延长续航时间。
中央处理器通过GPIO P4.5控制SHT15的电源，采样开始的时候，GPIO P4.5输出高电平，为SHT15上电；采样结束后，GPIOP4.5输出低电平，为SHT15断电。中央处理器通过GPIOP4.3控制MAQ400A的电源，采样开始的时候，GPIO P4.3输出高电平，为MAQ400A上电；采样结束后，GPIO P4.3输出低电平，为MAQ400A断电。中央处理器的GPIO P4.7与SX1276的信号发射放大器端口相连接。数据发射时，GPIO P4.7输出为高电平，可以将发射电压提高到5V，同时，SX1276射频发射功率平均功耗可达150mA；终端休眠时，GPIO P4.7输出为低电平，SX1276的信号发射放大电路电源被切断，SX1276休眠功耗只有2μA。
监测终端采样期间，平均功耗大致为20mA；发射瞬间，平均功耗大致为160mA；休眠前，中央处理单元逐个处理GPIO引脚配置，再进入低功耗模式(LPM3)，可将平均功耗降到10μA左右。据此，当监测终端采样周期为十分钟时，配置的10Ah的电池可供其续航2年时间以上。
以上所述仅为本发明的实施例，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等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种环境温湿度及VOC多参数在线监测终端，其特征在于：包括
中央处理单元：用于自组织网络、自恢复网络、时钟同步、温湿度和VOC数据采样及计算、射频通讯、数据存储、数据传输及回补、控制指令执行、状态机切换及低功耗实现；
时钟管理单元：其包括实时时钟模块及其***处理电路；中央处理单元读取时钟模块的相关寄存器，获取***时钟；中央处理器定期从父节点获取时间，并将时间数据写入时钟模块的寄存器单元，以校准时间；
温湿度信号采集单元：其包括温湿度传感器及采样信号调理电路；中央处理器定期从该单元获取环境温湿度数据，并完成采样数据计算；
VOC信号采集单元：其包括VOC传感器及采样信号调理电路；中央处理器定期从该单元获取VOC数据，并完成采样数据计算；
射频通讯单元：其包括射频接收机、射频发射机及射频信号调理电路；中央处理器通过该单元完成与网关等外部终端的数据交互，包含数据发送和数据接收；
数据存储单元：其包括数据存储模块及其***处理电路；中央处理器可以从该单元读取数据，也可以将数据写入该单元；
电源管理***：为各单元提供电力；
所述中央处理单元与所述的时钟管理单元、传感信号采集单元、射频通讯单元、数据储存单元电连接形成电回路。
2.如权利要求1所述的一种环境温湿度及VOC多参数在线监测终端，其特征在于：所述中央处理器为MCU。
3.如权利要求2所述的一种环境温湿度及VOC多参数在线监测终端，其特征在于：所述中央处理器的型号为MSP430F5438A。
4.如权利要求1所述的一种环境温湿度及VOC多参数在线监测终端，其特征在于：所述实时时钟模块的型号为DS3231。
5.如权利要求1所述的一种环境温湿度及VOC多参数在线监测终端，其特征在于：所述温湿度传感器的型号为SHT15，VOC传感器的型号为MAQ400A。
6.如权利要求1所述的一种环境温湿度及VOC多参数在线监测终端，其特征在于：所述射频通讯接收机、射频发送机的型号为SX1276。
7.如权利要求1所述的一种环境温湿度及VOC多参数在线监测终端，其特征在于：所述数据存储模块的型号为AT24CM01。
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