本實(shí)用新型涉及環(huán)境參數(shù)精確測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于低壓電力線載波通信的環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，一般在建筑領(lǐng)域環(huán)境檢測(cè)裝置主要檢測(cè)PM2.5含量或者溫濕度，而在農(nóng)業(yè)方面主要是檢測(cè)CO₂濃度或者溫濕度，從而實(shí)現(xiàn)控制對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，這些檢測(cè)裝置檢測(cè)目標(biāo)單一，不能跨領(lǐng)域應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中需要一種能夠同時(shí)測(cè)量多個(gè)環(huán)境參數(shù)，如對(duì)溫濕度需求較高的同時(shí)，也需要對(duì)CO₂測(cè)量，以判斷風(fēng)機(jī)的開(kāi)啟或者關(guān)閉；在家庭住房中，以前人們對(duì)室內(nèi)溫度比較關(guān)注，但由于霧霾的影響，人們特別是有嬰幼兒的家庭關(guān)心PM2.5和PM10的含量，所以需要一種測(cè)量?jī)x，可以精確測(cè)量人們?nèi)粘ｊP(guān)注的環(huán)境參數(shù)，方便人們的生活。

同時(shí)，現(xiàn)有的空氣測(cè)量?jī)x通信方式主要是：WiFi和藍(lán)牙等，這幾種通信方式主要缺點(diǎn)在于：(1)通信距離短，不能實(shí)現(xiàn)大范圍的通信；(2)每一種通信方式都需要相應(yīng)的硬件配備，如WiFi通信，需要網(wǎng)絡(luò)接入和相應(yīng)的無(wú)線設(shè)備，一般的大功率的無(wú)線設(shè)備不僅成本高，而且傳輸距離短，雖然移動(dòng)或者電信的無(wú)線設(shè)備通信距離比較長(zhǎng)，但顯然設(shè)備的成本會(huì)相當(dāng)?shù)母?。家庭使用的無(wú)線路由傳輸距離一般為10米左右，并且穿透能力很弱。而藍(lán)牙的傳輸距離更是其硬傷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。

專利CN105181020A提供了一種多功能環(huán)境測(cè)試儀，可以測(cè)量多種環(huán)境參數(shù)，但這種測(cè)試儀的傳輸方式是WiFi或者藍(lán)牙，這種傳輸方式的主要缺點(diǎn)：WiFi在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候，功率較大，若用電池續(xù)航時(shí)間又短，由于WiFi傳輸需要路由等各種設(shè)備，硬件費(fèi)用高， 在沒(méi)有路由的環(huán)境下是沒(méi)有辦法使用WiFi傳輸；藍(lán)牙的傳輸距離更是限制其使用的主要原因。

綜上所述，需要對(duì)進(jìn)一步增加可測(cè)量的環(huán)境參數(shù)，擴(kuò)大測(cè)量?jī)x的適用領(lǐng)域，并且提高通信的傳輸距離，同時(shí)減少投資成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有的通信方式不能長(zhǎng)距離傳輸、傳輸環(huán)境受限、測(cè)量環(huán)境參數(shù)單一等問(wèn)題，提供一種基于低壓電力線載波通信的環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x。

該測(cè)量?jī)x包括殼體和集成電路，集成電路位于殼體內(nèi)部；殼體外部前端有吸風(fēng)口區(qū)域和指示燈區(qū)域，指示燈區(qū)域包括狀態(tài)指示燈、數(shù)據(jù)發(fā)送指示燈和數(shù)據(jù)接收指示燈，殼體外部后端有出風(fēng)口區(qū)域和電源接口區(qū)域；集成電路包括電源模塊、微處理器、環(huán)境參數(shù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、隔離保護(hù)模塊和載波通信模塊，其中，環(huán)境參數(shù)采集模塊包括CO₂傳感器、PM2.5和PM10傳感器、溫濕度傳感器，CO₂傳感器、PM2.5和PM10傳感器、溫濕度傳感器分別與微處理器連接，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與微處理器連接，隔離保護(hù)模塊與微處理器連接，載波通信模塊與隔離保護(hù)模塊連接，電源模塊為微處理器、環(huán)境參數(shù)采集模塊、隔離保護(hù)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和載波通信模塊供電。

其中，殼體為鋁制殼體。

微處理器采用高性能工業(yè)級(jí)微處理器STM32F103，它是由ST公司研制而成，該芯片內(nèi)核為ARM公司的32位Cortex-M3處理器。微處理器主要完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理存儲(chǔ)以及與上位機(jī)的通信功能。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)微處理器對(duì)各個(gè)傳感器初始化、參數(shù)配置和下發(fā)控制命令等操作。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集之后，微處理器再把包含測(cè)量?jī)x地址、當(dāng)前時(shí)間、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵部分，電源模塊設(shè)計(jì)的好壞直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。由于系統(tǒng)的供電電壓多并且幅值也不相同，系統(tǒng)對(duì)電源的性能要求高并且要求體積小、重量輕，因此， 采用高性能開(kāi)關(guān)電源的形式，根據(jù)供電需求以及考慮現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因素，加入了金升陽(yáng)科技有限公司出品的工業(yè)級(jí)AC/DC隔離電源模塊，可以提高系統(tǒng)的安全性及可靠度。該方案能很好的滿足低壓電路的需求。電源模塊由220V轉(zhuǎn)換為兩路電壓：12V和5V。其中12V一路轉(zhuǎn)換為5V為載波通信模塊進(jìn)行供電；5V一路為CO₂和PM模塊供電，并且5V自身轉(zhuǎn)3.3V供電至微處理器。

由于系統(tǒng)有強(qiáng)電接入，為了對(duì)微處理器進(jìn)行保護(hù)，在微處理器與載波通信模塊之間設(shè)計(jì)了數(shù)字隔離保護(hù)模塊，主要采用工業(yè)級(jí)Si8663型號(hào)的數(shù)字隔離芯片。Si8663數(shù)字隔離芯片具有六路通道，其中三路的傳輸方向由微處理器到載波通信模塊，其余三路通道的傳輸方向是由載波通信模塊到微處理器；它具有寬范圍的工作溫度，數(shù)據(jù)傳輸速率150Mbps，是目前業(yè)界最高的水平；與同類產(chǎn)品比較，抖動(dòng)性能最低，可保證具有最低的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤和誤碼率。

環(huán)境參數(shù)采集模塊，對(duì)環(huán)境中的主要參數(shù)進(jìn)行采集，包括：CO₂濃度、溫度、濕度、PM2.5含量和PM10含量。本實(shí)用新型使用T6603傳感器測(cè)量CO₂，使用STH21測(cè)量溫濕度，使用SDS011PM2.5傳感器測(cè)量PM2.5和PM10含量，各個(gè)傳感器的精度高，工作穩(wěn)定可靠，可以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。由于可測(cè)量的環(huán)境參數(shù)種類多，因此測(cè)量?jī)x可以同時(shí)應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，如：工業(yè)、建筑、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

為避免上位機(jī)數(shù)據(jù)丟失的時(shí)候，檢測(cè)的數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以保證數(shù)據(jù)的安全性。本系統(tǒng)主要采用工業(yè)級(jí)SST25VF032B串行閃存，此芯片采用四線、兼容SPI的接口。SST25VF032B器件是增強(qiáng)型器件，與一般的存儲(chǔ)器件相比，提高了工作頻率并降低了功耗。SST25VF032B SPI串行閃存采用SST專有的高性能CMOS技術(shù)制造。與其他方法相比，分離柵極單元設(shè)計(jì)和厚氧化層隧穿注入器可實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和可制造性。對(duì)于SST25VF032B，技術(shù)的編程電流更低、擦除時(shí)間更短。因此，在任何擦除或編程操作期間消耗的總能量低于其他閃存技術(shù)。

載波模塊與微處理器通過(guò)串口連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，載波模塊采用 福星曉程GWD-M100單相載波模塊，此載波為同步通信方式，CRC校驗(yàn)，載波中心頻率為120KHz，調(diào)制方式為DBPSK。載波模塊與微處理器通過(guò)串口連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，另外還有IO口線直連實(shí)現(xiàn)事件的觸發(fā)和設(shè)置。載波發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)模塊耦合到電力線，接收信號(hào)通過(guò)模塊解耦，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。載波模塊內(nèi)部包含數(shù)據(jù)處理主芯片，發(fā)送和接收配置線路，通過(guò)變壓器線圈實(shí)現(xiàn)與電力線的耦合，主芯片是載波的收發(fā)處理芯片，與微處理器之間串行通信。

本實(shí)用新型的上述技術(shù)方案的有益效果如下：

(1)本設(shè)計(jì)功能相比其他環(huán)境測(cè)量?jī)x，測(cè)量參數(shù)多包括有：CO₂濃度、溫度、濕度、PM2.5含量和PM10含量，并且測(cè)量精度高，功能強(qiáng)大?？梢詮V泛的應(yīng)用到建筑、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等行業(yè)。

(2)本實(shí)用新型傳輸方式為低壓電力線載波通信，這種通信方式有著其他通信方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，電力線分布范圍廣、密度大，不需要重新布線，投資成本低，并且電力線的通信距離一般無(wú)中繼的情況下為1km，電力線負(fù)載小的時(shí)候，可達(dá)幾公里，比普通的WiFi或者藍(lán)牙遠(yuǎn)。并且由于電力線的自身特點(diǎn)，便于對(duì)測(cè)量?jī)x的維護(hù)，減少很多人力和物力。

(3)本設(shè)計(jì)的通信模塊與微處理器之間設(shè)有數(shù)字隔離模塊，能有效消除電力線信號(hào)干擾，保護(hù)微處理器并維持通信信號(hào)的穩(wěn)定性。

(4)本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，測(cè)量精度高，成本低，適合大面積應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的基于低壓電力線載波通信的環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x外殼結(jié)構(gòu)正面視圖；

圖2為本實(shí)用新型的基于低壓電力線載波通信的環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x外殼結(jié)構(gòu)背面視圖；

圖3為基于低壓電力線載波通信的環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為基于低壓電力線載波通信的環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x的電源系統(tǒng)電路圖；

圖5為基于低壓電力線載波通信的環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x的隔離保護(hù)模塊電路圖；

圖6為基于低壓電力線載波通信的環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊電路圖；

圖7為基于低壓電力線載波通信的環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x的測(cè)量流程圖。

其中：1-載波通信模塊；2-隔離保護(hù)模塊；3-數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；4-微處理器；5-電源模塊；6-PM2.5和PM10傳感器；7-CO₂傳感器；8-溫濕度傳感器；11-吸風(fēng)口區(qū)域；12-狀態(tài)指示燈；13-數(shù)據(jù)發(fā)送指示燈；14-數(shù)據(jù)接收指示燈；15-出風(fēng)口區(qū)域；16-電源接口區(qū)域。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。

本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有的通信方式不能長(zhǎng)距離傳輸、傳輸環(huán)境受限、測(cè)量環(huán)境參數(shù)單一等問(wèn)題，提供一種基于低壓電力線載波通信的環(huán)境參數(shù)測(cè)量?jī)x。

該測(cè)量?jī)x包括鋁制殼體和集成電路，集成電路位于殼體內(nèi)部，如圖1和圖2所示，殼體外部前端有吸風(fēng)口區(qū)域11和指示燈區(qū)域，指示燈區(qū)域包括狀態(tài)指示燈12、數(shù)據(jù)發(fā)送指示燈13和數(shù)據(jù)接收指示燈14，殼體外部后端有出風(fēng)口區(qū)域15和電源接口區(qū)域16。

如圖3所示，集成電路包括電源模塊5、微處理器4、環(huán)境參數(shù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊3、隔離保護(hù)模塊2和載波通信模塊1，其中，環(huán)境參數(shù)采集模塊包括CO₂傳感器7、PM2.5和PM10傳感器6、溫濕度傳感器8，CO₂傳感器7、PM2.5和PM10傳感器6、溫濕度傳感器8分別與微處理器4連接，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊3與微處理器4連接，隔離保護(hù)模塊2與微處理器4連接，載波通信模塊1與隔離保護(hù)模塊 2連接，電源模塊5為微處理器4、環(huán)境參數(shù)采集模塊、隔離保護(hù)模塊2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊3和載波通信模塊1供電。

微處理器采用高性能工業(yè)級(jí)微處理器STM32F103，由ST公司研制而成，該芯片內(nèi)核為ARM公司的32位Cortex-M3處理器。微處理器主要完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理存儲(chǔ)以及與上位機(jī)的通信功能。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)微處理器對(duì)各個(gè)傳感器初始化、參數(shù)配置和下發(fā)控制命令等操作。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集之后，微處理器再把包含測(cè)量?jī)x地址、當(dāng)前時(shí)間、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。

如圖4所示，電源模塊是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵部分，電源模塊設(shè)計(jì)的好壞直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。由于系統(tǒng)的供電電壓多并且幅值也不相同，并且系統(tǒng)對(duì)電源的性能要求高并且要求體積小、重量輕，因此，采用高性能開(kāi)關(guān)電源的形式，根據(jù)供電需求以及考慮現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境因素，加入了金升陽(yáng)科技有限公司出品的工業(yè)級(jí)AC/DC隔離電源模塊，可以提高系統(tǒng)的安全性及可靠度。該方案能很好的滿足低壓電路的需求。電源模塊由220V轉(zhuǎn)換為兩路電壓：12V和5V。其中12V一路轉(zhuǎn)換為5V為載波通信模塊進(jìn)行供電；5V一路為CO₂和PM模塊供電，并且5V自身轉(zhuǎn)3.3V供電至微處理器。

由于系統(tǒng)有強(qiáng)電接入，為了對(duì)微處理器進(jìn)行保護(hù)，在微處理器與載波通信模塊之間設(shè)計(jì)了數(shù)字隔離保護(hù)模塊，如圖5所示，主要采用工業(yè)級(jí)Si8663型號(hào)的數(shù)字隔離芯片。Si8663數(shù)字隔離芯片具有六路通道，其中三路的傳輸方向由微處理器到載波通信模塊，其余三路通道的傳輸方向是由載波通信模塊到微處理器；它具有寬范圍的工作溫度，數(shù)據(jù)傳輸速率150Mbps，是目前業(yè)界最高的水平；與同類產(chǎn)品比較，抖動(dòng)性能最低，可保證具有最低的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤和誤碼率。

環(huán)境參數(shù)采集模塊，對(duì)環(huán)境中的主要參數(shù)進(jìn)行采集，包括：CO₂濃度、溫度、濕度、PM2.5含量和PM10含量。本實(shí)用新型使用T6603傳感器測(cè)量CO₂，使用STH21測(cè)量溫濕度，使用SDS011PM2.5傳感器測(cè)量PM2.5和PM10含量，各個(gè)傳感器的精度高，工作穩(wěn)定可靠，可以實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量。由于可測(cè)量的環(huán)境參數(shù)種類多，因此測(cè)量?jī)x可以同 時(shí)應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，如：工業(yè)、建筑、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

為避免上位機(jī)數(shù)據(jù)丟失的時(shí)候，檢測(cè)的數(shù)據(jù)丟失，系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以保證數(shù)據(jù)的安全性。如圖6所示，本系統(tǒng)主要采用工業(yè)級(jí)SST25VF032B串行閃存，此芯片采用四線、兼容SPI的接口。SST25VF032B器件是增強(qiáng)型器件，與一般的存儲(chǔ)器件相比，提高了工作頻率并降低了功耗。SST25VF032B SPI串行閃存采用SST專有的高性能CMOS技術(shù)制造。與其他方法相比，分離柵極單元設(shè)計(jì)和厚氧化層隧穿注入器可實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和可制造性。對(duì)于SST25VF032B，技術(shù)的編程電流更低、擦除時(shí)間更短。因此，在任何擦除或編程操作期間消耗的總能量低于其他閃存技術(shù)。

載波模塊與微處理器通過(guò)串口連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，載波模塊采用福星曉程GWD-M100單相載波模塊，此載波為同步通信方式，CRC校驗(yàn)，載波中心頻率為120KHz，調(diào)制方式為DBPSK。載波模塊與微處理器通過(guò)串口連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，另外還有IO口線直連實(shí)現(xiàn)事件的觸發(fā)和設(shè)置。載波發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)模塊耦合到電力線，接收信號(hào)通過(guò)模塊解耦，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。載波模塊內(nèi)部包含數(shù)據(jù)處理主芯片，發(fā)送和接收配置線路，通過(guò)變壓器線圈實(shí)現(xiàn)與電力線的耦合，主芯片是載波的收發(fā)處理芯片，與微處理器之間串行通信。

圖7為該測(cè)量?jī)x的測(cè)量流程圖，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了保證微處理器的軟硬件處于正常工作狀態(tài)，在執(zhí)行初始化操作之前會(huì)有一段系統(tǒng)延時(shí)，確保各個(gè)模塊處于正常起始狀態(tài)，并且在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，程序會(huì)不斷的檢測(cè)軟件是否工作正常，若發(fā)現(xiàn)軟件運(yùn)行不正常，程序會(huì)自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位；數(shù)據(jù)采集與處理，系統(tǒng)會(huì)對(duì)環(huán)境測(cè)量，分別采集CO₂濃度值、溫濕度、PM2.5和PM10含量；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，對(duì)環(huán)境參數(shù)測(cè)量完之后，把各個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)存入flash中；數(shù)據(jù)傳輸，將處理后的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀，組幀格式嚴(yán)格按照DL/T645協(xié)議，等待接收上位機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)送命令，將包含有環(huán)境數(shù)據(jù)的完整幀傳輸至上位機(jī)。

以上所述是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù) 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型所述原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。