分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括：布置在監(jiān)控中心的監(jiān)測主機以及分別布置在各個采樣點的監(jiān)測從機；監(jiān)測從機包括第一處理器、第一無線收發(fā)器、第一供電電源、執(zhí)行器和至少一個環(huán)境參數(shù)采集傳感器；監(jiān)測主機包括第二處理器、第二無線收發(fā)器、第二供電電源、人機交互設備和短信收發(fā)模塊；監(jiān)測從機的第一無線收發(fā)器與監(jiān)測主機的第二無線收發(fā)器進行無線通信。具有以下優(yōu)點：(1)監(jiān)測主機和監(jiān)測從機采用無線通信方式，具有易擴展的優(yōu)點；并且，還具有對環(huán)境參數(shù)監(jiān)測全面的優(yōu)點；還具有整體控制系統(tǒng)易部署的優(yōu)點；(2)具有多種超限報警功能，能夠使工作人員及時獲知監(jiān)控異常情況。
【專利說明】分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)及方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測【技術領域】，具體涉及一種分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)及方法。

【背景技術】
[0002]對于冷庫、糧庫、機房、孵房、環(huán)境實驗室、食品廠房、醫(yī)藥廠房、電子廠房等對環(huán)境溫濕度要求較高的場合，需要對其環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測與控制，使其環(huán)境參數(shù)在指定范圍內。
[0003]然而，現(xiàn)有的監(jiān)測與控制系統(tǒng)，具有以下不足:(1)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測種類少，難以對被監(jiān)測環(huán)境進行全面監(jiān)測；此外，監(jiān)測系統(tǒng)的擴展性較差，難以簡單方便的擴展環(huán)境參數(shù)監(jiān)測種類；(2)各個環(huán)境參數(shù)監(jiān)測設備與位于監(jiān)控中心的服務器之間采用有線通訊方式，具有布線繁瑣的問題；(3)當環(huán)境監(jiān)測參數(shù)異常時，服務器只能本地報警，如果監(jiān)控人員不在監(jiān)控中心，難以及時迅速的獲知監(jiān)測現(xiàn)場的情況。


【發(fā)明內容】

[0004]針對現(xiàn)有技術存在的缺陷，本發(fā)明提供一種分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)及方法，可有效解決上述問題。
[0005]本發(fā)明采用的技術方案如下:
[0006]本發(fā)明提供一種分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，包括:布置在監(jiān)控中心的監(jiān)測主機以及分別布置在各個采樣點的監(jiān)測從機；
[0007]所述監(jiān)測從機包括第一處理器、第一無線收發(fā)器、第一供電電源、執(zhí)行器和至少一個環(huán)境參數(shù)采集傳感器；其中，所述第一處理器分別與所述第一無線收發(fā)器、所述第一供電電源、所述執(zhí)行器和各個所述環(huán)境參數(shù)采集傳感器連接；
[0008]所述監(jiān)測主機包括第二處理器、第二無線收發(fā)器、第二供電電源、人機交互設備和短信收發(fā)模塊；所述第二處理器分別與所述第二無線收發(fā)器、所述第二供電電源、所述人機交互設備和所述短信收發(fā)模塊連接；
[0009]其中，所述監(jiān)測從機的所述第一無線收發(fā)器與所述監(jiān)測主機的所述第二無線收發(fā)器進行無線通信。
[0010]優(yōu)選的，所述環(huán)境參數(shù)采集傳感器包括土壤溫度采集傳感器、土壤濕度采集傳感器、空氣溫度采集傳感器和空氣濕度采集傳感器。
[0011]優(yōu)選的，所述土壤溫度采集傳感器和所述土壤濕度采集傳感器集成為土壤溫濕度復合采集傳感器；所述空氣溫度采集傳感器和所述空氣濕度采集傳感器集成為空氣溫濕度復合米集傳感器。
[0012]優(yōu)選的，所述土壤溫濕度復合采集傳感器為SHTlO型號的溫濕度復合傳感器、AM2301型號的數(shù)字溫濕度復合傳感器或SHTlO型號的溫濕度復合傳感器；
[0013]所述空氣溫濕度復合采集傳感器為AM2301型號的溫濕度復合傳感器、AM2301型號的數(shù)字溫濕度復合傳感器或SHTlO型號的溫濕度復合傳感器。
[0014]優(yōu)選的，所述第一供電電源包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、雙向DC/DC變換器以及混合儲能單元；所述光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出端通過所述雙向DC/DC變換器與所述混合儲能單元的一端連接；所述混合儲能單元的另一端用于與監(jiān)測從機的供電接口連接；
[0015]其中，所述混合儲能單元為由超級電容器和蓄電池組成的混合儲能單元；
[0016]所述雙向DC/DC變換器包括:第一三極管Ql、第二三極管Q2、第一二極管Dl以及第二二極管D2 ;其中，所述第一三極管Ql的集電極與光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出端的正極連接，所述第一三極管Ql的發(fā)射極與所述混合儲能單元的正極連接；所述第二三極管Q2的集電極與所述第一三極管Ql的發(fā)射極連接，所述第二三極管Q2的發(fā)射極與所述混合儲能單元的負極連接；另外，所述第一二極管Dl的負極與所述第一三極管Ql的集電極連接，所述第一二極管Dl的正極與所述第一三極管Ql的發(fā)射極連接；所述第二二極管D2的負極與所述第二三極管Q2的集電極連接，所述第二二極管D2的正極與所述第二三極管Q2的發(fā)射極連接；
[0017]在所述雙向DC/DC變換器與所述混合儲能單元之間還串聯(lián)有LC振蕩電路；該LC振蕩電路由電感L3和電容Cl構成；
[0018]其工作原理為:通過對雙向DC/DC變換器的第一三極管Ql和第二三極管Q2的控制，實現(xiàn)能量的雙向流動，即:
[0019]當檢測到混合儲能單元電力不足時，控制第一三極管Ql以PWM工作方式導通，第二三極管Q2與第一三極管Ql為互補方式工作，此時，第二三極管Q2與第一三極管Ql構成BUCK降壓斬波電路，電感L3的電流為正，混合儲能單元處于充電狀態(tài)；
[0020]當檢測到混合儲能單元電力過剩時，控制第二三極管Q2以PWM工作方式導通，第一三極管Ql與第二三極管Q2為互補方式工作，此時，第二三極管Q2與第一三極管Ql構成BOOST升壓斬波電路，電感L3的電流為負，混合儲能單元處于放電狀態(tài)。
[0021]優(yōu)選的，所述第一無線收發(fā)器和所述第二無線收發(fā)器均為NRF905型號的無線收發(fā)器；所述第一處理器和所述第二處理器均為STC12C5A60S2型號的單片機。
[0022]優(yōu)選的，所述人機交互設備包括鍵盤、鼠標和顯示器；其中，所述鍵盤、所述鼠標和所述顯示器分別連接到所述第二處理器的對應串口上；
[0023]所述短信收發(fā)模塊為GSM模塊與所述第二處理器的串口連接所構成的短信收發(fā)模塊；
[0024]所述第二供電電源包括:第I供電子電源、第2供電子電源、第3供電子電源和第4供電子電源；
[0025]其中，所述第I供電子電源采用lm2940_5V芯片，為5V供電子電源，用于向所述第二處理器獨立供電；
[0026]所述第2供電子電源采用LMl117芯片，為3.3V供電子電源，用于向所述第二無線收發(fā)器獨立供電；
[0027]所述第3供電子電源采用MIC29302BT芯片，為4.2V供電子電源，用于向所述短信收發(fā)模塊獨立供電；
[0028]所述第4供電子電源為5V供電子電源，用于向所述人機交互設備獨立供電。
[0029]優(yōu)選的，所述監(jiān)測主機還包括存儲器；所述存儲器采用SD卡；所述SD卡與所述第二處理器采用SPI通信。
[0030]本發(fā)明還提供一種分布式環(huán)境監(jiān)測與控制方法，包括以下步驟:
[0031]SI，在監(jiān)測主機上，第二處理器通過人機交互設備或短信收發(fā)模塊接收初始配置參數(shù)；其中，所述初始配置參數(shù)包括:各個環(huán)境參數(shù)的采樣頻率、需要啟動的指定監(jiān)測從機ID以及分別與各個監(jiān)測從機對應的環(huán)境參數(shù)的報警門限值；
[0032]S2，所述第二處理器存儲所述初始配置參數(shù)；然后，基于所述初始配置參數(shù)，所述第二處理器通過第二無線收發(fā)器向對應的指定監(jiān)測從機發(fā)送啟動信號，其中，該啟動信號攜帶有所配置的對應的采樣頻率；
[0033]S3，各個指定監(jiān)測從機的第一處理器在通過第一無線收發(fā)器接收到該啟動信號時，按所配置的對應的采樣頻率啟動對應的環(huán)境參數(shù)采集傳感器；
[0034]S4，然后，所述第一處理器通過串口接收各個環(huán)境參數(shù)采集傳感器所采集到的環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳，并通過第一無線收發(fā)器將所采集到的環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳發(fā)送給所述監(jiān)測主機；
[0035]S5，所述監(jiān)測主機的第二處理器通過第二無線收發(fā)器接收各個監(jiān)測從機上傳的環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳；然后，一方面，將監(jiān)測從機ID、環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳的映射關系存儲到數(shù)據(jù)庫；另一方面，實時顯示監(jiān)測從機ID、環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳的映射關系；另一方面，判斷來自監(jiān)測從機的環(huán)境參數(shù)值是否達到或超過初始配置的報警門限值，如果達到，則發(fā)出報警通知消息；
[0036]然后，所述監(jiān)測主機向指定監(jiān)測從機下發(fā)環(huán)境參數(shù)調整指令；
[0037]S6，所述指定監(jiān)測從機的第一處理器接收該環(huán)境參數(shù)調整指令，并將該環(huán)境參數(shù)調整指令發(fā)送給對應的執(zhí)行器，通過所述執(zhí)行器改變環(huán)境參數(shù)；然后，通過循環(huán)執(zhí)行S4-S6，使各個監(jiān)測從機所在的環(huán)境參數(shù)趨于理想狀態(tài)。
[0038]優(yōu)選的，S5中，當來自監(jiān)測從機的環(huán)境參數(shù)值達到或超過初始配置的報警門限值時，一方面，監(jiān)測主機本地進行報警；另一方面，通過短信收發(fā)模塊向預配置的對應的手持終端發(fā)送報警短信信息；
[0039]S5中，所述監(jiān)測主機向指定監(jiān)測從機所下發(fā)的環(huán)境參數(shù)調整指令來自于以下兩種方式之一:
[0040]方式一:所述監(jiān)測主機通過短信收發(fā)模塊接收到的來自于手持終端所發(fā)送的短信形式的所述環(huán)境參數(shù)調整指令；
[0041]方式二:所述監(jiān)測主機按預設算法對來自監(jiān)測從機的環(huán)境參數(shù)值與初始配置的報警門限值進行偏離度計算，生成所述環(huán)境參數(shù)調整指令；
[0042]還包括:
[0043]當所述監(jiān)測主機接收到來自手持終端的短信形式的環(huán)境參數(shù)查詢指令時，其中，該環(huán)境參數(shù)查詢指令攜帶有被查詢的監(jiān)測從機ID以及采集時間戳；
[0044]所述監(jiān)測主機以被查詢的監(jiān)測從機ID以及采集時間戳為查詢關鍵詞，查詢所述數(shù)據(jù)庫，獲得對應的環(huán)境參數(shù)值；然后，所述監(jiān)測主機將所獲得的環(huán)境參數(shù)值通過短信收發(fā)模塊以短信的形式下發(fā)到所述手持終端。
[0045]本發(fā)明提供的分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)及方法，具有以下優(yōu)點:
[0046](I)監(jiān)測主機和監(jiān)測從機采用無線通信方式，具有易擴展的優(yōu)點；并且，還具有對環(huán)境參數(shù)監(jiān)測全面的優(yōu)點；還具有整體控制系統(tǒng)易部署的優(yōu)點；
[0047](2)在監(jiān)測主機監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)時，如溫度、濕度超過上下限時，可進行本地報警以及向手持終端短信報警；由于具有多種超限報警功能，能夠使工作人員及時獲知監(jiān)控異常情況。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0048]圖1為本發(fā)明提供的分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)的結構示意圖；
[0049]圖2為監(jiān)測從機的電路原理圖；
[0050]圖3為監(jiān)測從機時鐘電路原理圖；
[0051]圖4為AM2301型號的數(shù)字溫濕度復合傳感器的電路原理示意圖；
[0052]圖5為SHTlO型號的數(shù)字溫濕度復合傳感器的電路原理示意圖；
[0053]圖6為第二供電電源的電路原理圖；
[0054]圖7為SD卡與第二處理器連接的電路原理圖；
[0055]圖8為顯示器與第二處理器連接的電路原理圖；
[0056]圖9為NRF905型號的無線收發(fā)器的電路原理圖；
[0057]圖10為所配置的簡易鍵盤的電路原理圖；
[0058]圖11為短信收發(fā)模塊的一種具體的電路原理圖；
[0059]圖12為第一供電電源的電路原理圖。

【具體實施方式】
[0060]以下結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明:
[0061]如圖1所示，本發(fā)明提供一種分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，包括:布置在監(jiān)控中心的監(jiān)測主機以及分別布置在各個采樣點的監(jiān)測從機；監(jiān)測主機與各個監(jiān)測從機采用無線通信方式。具有環(huán)境參數(shù)采集、處理、顯示、存儲以及超限報警等功能。另外，由于采用分布式網(wǎng)絡架構，因此，監(jiān)測從機的數(shù)量根據(jù)實際需要，任何擴展。以下對監(jiān)測從機和監(jiān)測主機分別詳細介紹:
[0062](一 )監(jiān)測從機
[0063]監(jiān)測從機分布在各個采樣點，各個監(jiān)測從機的工作原理均相同，如圖2所示，為監(jiān)測從機的電路原理圖，如圖3所示，為監(jiān)測從機時鐘電路原理圖，包括第一處理器、第一無線收發(fā)器、第一供電電源、執(zhí)行器和至少一個環(huán)境參數(shù)采集傳感器；其中，第一處理器分別與第一無線收發(fā)器、第一供電電源、執(zhí)行器和各個環(huán)境參數(shù)采集傳感器連接。
[0064]1、環(huán)境參數(shù)采集傳感器
[0065]環(huán)境參數(shù)采集傳感器包括土壤溫度采集傳感器、土壤濕度采集傳感器、空氣溫度采集傳感器和空氣濕度采集傳感器。其中，土壤溫度采集傳感器和土壤濕度采集傳感器插入采樣點的土壤中，用于采集土壤的溫度或濕度值；將空氣溫度采集傳感器和空氣濕度采集傳感器置于被監(jiān)測環(huán)境的空氣中，與空氣直接接觸，用于采集空氣的溫度或濕度值；
[0066]根據(jù)實際需要，土壤溫度采集傳感器和土壤濕度采集傳感器可集成為土壤溫濕度復合采集傳感器，例如，SHTlO型號的溫濕度復合傳感器、AM2301型號的數(shù)字溫濕度復合傳感器或SHTlO型號的溫濕度復合傳感器；空氣溫度采集傳感器和空氣濕度采集傳感器可集成為空氣溫濕度復合采集傳感器，例如，AM2301型號的溫濕度復合傳感器、AM2301型號的數(shù)字溫濕度復合傳感器或SHTlO型號的溫濕度復合傳感器。
[0067]其中，AM2301型號的數(shù)字溫濕度復合傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，如圖4所示，為AM2301型號的數(shù)字溫濕度復合傳感器的電路原理示意圖，包括一個電容式感濕元件和一個高精度測溫元件。其與第一處理器之間的通信采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通信時間5ms左右；數(shù)據(jù)格式為:40bit數(shù)據(jù)=16bit濕度數(shù)據(jù)+16bit溫度數(shù)據(jù)+8bit校驗和，R23為5.1千歐的上拉電阻。
[0068]SHTlO型號的溫濕度復合傳感器是一款含已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，如圖5所示，為SHTlO型號的數(shù)字溫濕度復合傳感器的電路原理示意圖，包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙試測溫元件，并與一個14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。本發(fā)明所用的土壤溫濕度傳感器外面安裝有外殼，可以直接插入土壤中；其中，R22為10千歐的上拉電阻。
[0069]2、第一供電電源
[0070]本發(fā)明中，各個監(jiān)測從機可通過光伏發(fā)電系統(tǒng)供電，從而達到節(jié)約能源的目的。但是，由于日照強度的不穩(wěn)定性，因此，會導致光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能不穩(wěn)定，而為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)對監(jiān)測從機的穩(wěn)定供電能力，在光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出端與混合儲能單元之間建立雙向DC/DC變換器，通過對雙向DC/DC變換器的控制，實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)直流母線與儲能單元之間的能量流動，進而達到有效地穩(wěn)定監(jiān)測從機的供電電壓的目的。
[0071]具體的，第一供電電源采用以超級電容器和蓄電池為混合儲能單元的獨立光伏發(fā)電供電系統(tǒng)；如圖12所不,為第一供電電源的電路原理圖；包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、雙向DC/DC變換器以及混合儲能單元；所述光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出端通過所述雙向DC/DC變換器與所述混合儲能單元的一端連接；所述混合儲能單元的另一端用于與監(jiān)測從機的供電接口連接；
[0072]其中，所述混合儲能單元為由超級電容器和蓄電池組成的混合儲能單元；其中，超級電容器為圖12中的C，蓄電池為圖12中的Rp ；
[0073]雙向DC/DC變換器包括:第一三極管Q1、第二三極管Q2、第一二極管Dl以及第二二極管D2 ;其中，所述第一三極管Ql的集電極與光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出端的正極連接，所述第一三極管Ql的發(fā)射極與所述混合儲能單元的正極連接；所述第二三極管Q2的集電極與所述第一三極管Ql的發(fā)射極連接，所述第二三極管Q2的發(fā)射極與所述混合儲能單元的負極連接；另外，所述第一二極管Dl的負極與所述第一三極管Ql的集電極連接，所述第一二極管Dl的正極與所述第一三極管Ql的發(fā)射極連接；所述第二二極管D2的負極與所述第二三極管Q2的集電極連接，所述第二二極管D2的正極與所述第二三極管Q2的發(fā)射極連接；
[0074]在所述雙向DC/DC變換器與所述混合儲能單元之間還串聯(lián)有LC振蕩電路；該LC振蕩電路由電感L3和電容Cl構成；在LC振蕩電路和混合儲能單元之間還串聯(lián)有電阻RS ；
[0075]其工作原理為:通過對雙向DC/DC變換器的第一三極管Ql和第二三極管Q2的控制，實現(xiàn)能量的雙向流動，即:
[0076]當檢測到混合儲能單元電力不足時，控制第一三極管Ql以PWM工作方式導通，第二三極管Q2與第一三極管Ql為互補方式工作，此時，第二三極管Q2與第一三極管Ql構成BUCK降壓斬波電路，電感L3的電流為正，混合儲能單元處于充電狀態(tài)；
[0077]當檢測到混合儲能單元電力過剩時，控制第二三極管Q2以PWM工作方式導通，第一三極管Ql與第二三極管Q2為互補方式工作，此時，第二三極管Q2與第一三極管Ql構成BOOST升壓斬波電路，電感L3的電流為負，混合儲能單元處于放電狀態(tài)。
[0078]因此，通過上述電源，在光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率發(fā)生波動時，混合儲能系統(tǒng)通過雙向變換器的控制始終處于優(yōu)化的充放電狀態(tài)，保證了監(jiān)測從機的穩(wěn)定運行。
[0079]( 二)監(jiān)測主機
[0080]監(jiān)測主機包括第二處理器、第二無線收發(fā)器、第二供電電源、人機交互設備和短信收發(fā)模塊；第二處理器分別與第二無線收發(fā)器、第二供電電源、人機交互設備和短信收發(fā)模塊連接；其中，監(jiān)測從機的第一無線收發(fā)器與監(jiān)測主機的第二無線收發(fā)器進行無線通信。
[0081](I)人機交互設備
[0082]人機交互設備包括鍵盤、鼠標和顯示器；其中，鍵盤、鼠標和顯示器分別連接到第二處理器的對應串口上；如圖8所示，為顯示器與第二處理器連接的電路原理圖；顯示器與第二處理器采用串口通信。顯示器可以實時顯示當前各個采樣點的土壤和空氣溫濕度值、采樣頻率、土壤和空氣溫濕度設定值、執(zhí)行機構的狀態(tài)和當天的日期和時間等信息。當采樣點布置4個時，如圖10所示，為所配置的簡易鍵盤的電路原理圖，共設置了 4個按鍵，每一個按鍵對應一個采樣點的參數(shù)配置，具體用于手動設置土壤和空氣溫濕度環(huán)境條件和對應的采樣頻率。
[0083](2)短信收發(fā)模塊
[0084]短信收發(fā)模塊為由GSM模塊與第二處理器的串口連接所構成的短信收發(fā)模塊；如圖11所示，為短信收發(fā)模塊的一種具體的電路原理圖，第二處理器通過短信收發(fā)模塊接收手持終端所發(fā)送的短信信息；以及，第二處理器通過短信收發(fā)模塊向各個手持終端返回短Ih Ih 息。
[0085]短信收發(fā)模塊具體功能為:
[0086]1、手持終端通過短信向監(jiān)測主機發(fā)送所設置的土壤和空氣溫濕度上下限值。
[0087]2、手持終端通過短信查詢當前各采樣點的溫濕度值；然后，監(jiān)測主機將查詢到的溫濕度值以短信的形式返回到手持終端。
[0088]3、手持終端通過短信向監(jiān)測主機發(fā)送所設置的對執(zhí)行機構的執(zhí)行指令。
[0089]以上三種功能實現(xiàn)成功后，監(jiān)測主機通過短信收發(fā)模塊向對應的手持終端以短信方式下發(fā)響應消息，通知用戶操作成功。
[0090](3)第二供電電源
[0091]第二供電電源的電路原理圖如圖6所示，由于監(jiān)測主機需要5V、3.3V、4.2V這幾種不同電壓的電源，因此，設置第I供電子電源、第2供電子電源、第3供電子電源和第4供電子電源；(I)第I供電子電源:采用Im2940-5V芯片，為5V供電子電源，用于向第二處理器獨立供電；(2)第2供電子電源:采用LMl117芯片，為3.3V供電子電源，用于向第二無線收發(fā)器即NRF905無線收發(fā)器獨立供電；(3)第3供電子電源:采用MIC29302BT芯片，為4.2V供電子電源，用于向短信收發(fā)模塊即GSM900模塊獨立供電；此處，由于GSM900模塊供電電壓為4.2V，并且電流能達2A左右，所以選用最大輸出電流為3A的可調穩(wěn)壓芯片MIC29302BT。
(4)第4供電子電源:采用5V供電子電源，用于向人機交互設備獨立供電。具體的，人機交互設備包括顯示屏，由于顯示屏由5V電壓供電，但是電流要求稍大，因此，顯示屏不能與第二處理器共用5V電源，因此，額外增加第4供電子電源，用于向顯示屏供電。
[0092](4) SD 卡
[0093]監(jiān)測主機還包括存儲器；存儲器采用SD卡；如圖7所示，為SD卡與第二處理器連接的電路原理圖；具體的，SD卡與第二處理器采用SPI通信；在30卡中新建txt文件，將各個采樣點返回的土壤和空氣溫濕度分別存儲在對應的文件中，各采樣點返回的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測信息之前可分別用A、B、C、D等字母區(qū)別，從而方便查看和分析各采樣點的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測信息。
[0094](5)無線收發(fā)器
[0095]另外，對于監(jiān)測主機和監(jiān)測從機，第一無線收發(fā)器和第二無線收發(fā)器均采用NRF905型號的無線收發(fā)器；如圖9所示，為NRF905型號的無線收發(fā)器的電路原理圖，由于各個監(jiān)測從機和監(jiān)測主機之間的數(shù)據(jù)通信采用NRF905無線通信方式，并且，監(jiān)測從機采集到的環(huán)境監(jiān)測參數(shù)由NRF905發(fā)送給監(jiān)測主機；同時，監(jiān)測主機接收到環(huán)境監(jiān)測參數(shù)后進行處理，并向監(jiān)測從機下發(fā)對執(zhí)行機構的執(zhí)行命令，然后，監(jiān)測從機的NRF905需要接收執(zhí)行命令，因此，每個NRF905均需要實現(xiàn)接收和發(fā)送的雙向功能。
[0096](6)處理器
[0097]對于監(jiān)測主機和監(jiān)測從機，第一處理器和第二處理器均采用STC12C5A60S2型號的單片機。STC12C5A60S2單片機作為監(jiān)測主機和監(jiān)測從機的開發(fā)控制芯片，是宏晶科技公司生產(chǎn)的單時鐘、機器周期(IT)的單片機，是高速、低功耗、超強干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但速度快8-12倍。內部集成MAX810專用復位電路、2路PWM、4個16位定時器、7個中斷、8路高速10位A/D轉換(250K/S，即25萬次/秒)等，具有功耗低、體積小、成本低、運用廣泛、市場上容易購買等優(yōu)點。
[0098]本系統(tǒng)在手機網(wǎng)絡信息化基礎上，利用現(xiàn)代通信技術，選用STC12C5A60S2單片機作為處理器，通過遠端手持終端對多個采樣點的環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)控，并實時記錄監(jiān)控數(shù)據(jù)。監(jiān)測主機采用液晶屏作為另一個人機交互界面，操作人員可通過鍵盤設定或修改各個環(huán)境參數(shù)的上下限報警值。具有使用靈活、易部署的優(yōu)點。
[0099]本發(fā)明還提供一種分布式環(huán)境監(jiān)測與控制方法，監(jiān)測主機接收各個采樣點的環(huán)境參數(shù)，并對接收到的環(huán)境參數(shù)進行處理，通過設置的條件改變執(zhí)行機構的工作狀態(tài)，從而自動調節(jié)被監(jiān)測環(huán)境的環(huán)境參數(shù)；此外，可通過顯示屏實時顯示當前環(huán)境狀況、所設置參數(shù)以及執(zhí)行機構的執(zhí)行情況；通過數(shù)據(jù)庫儲存歷史數(shù)據(jù)，還可以通過短信的方式設置環(huán)境條件、操作執(zhí)行機構和當前環(huán)境情況。具體包括以下步驟:
[0100]SI，在監(jiān)測主機上，第二處理器通過人機交互設備或短信收發(fā)模塊接收初始配置參數(shù)；其中，初始配置參數(shù)包括:各個環(huán)境參數(shù)的采樣頻率、需要啟動的指定監(jiān)測從機ID以及分別與各個監(jiān)測從機對應的環(huán)境參數(shù)的報警門限值；
[0101]S2，第二處理器存儲初始配置參數(shù)；然后，基于初始配置參數(shù)，第二處理器通過第二無線收發(fā)器向對應的指定監(jiān)測從機發(fā)送啟動信號，其中，該啟動信號攜帶有所配置的對應的采樣頻率；
[0102]S3，各個指定監(jiān)測從機的第一處理器在通過第一無線收發(fā)器接收到該啟動信號時，按所配置的對應的采樣頻率啟動對應的環(huán)境參數(shù)采集傳感器；
[0103]S4，然后，第一處理器通過串口接收各個環(huán)境參數(shù)采集傳感器所采集到的環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳，并通過第一無線收發(fā)器將所采集到的環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳發(fā)送給監(jiān)測主機；
[0104]S5，監(jiān)測主機的第二處理器通過第二無線收發(fā)器接收各個監(jiān)測從機上傳的環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳；然后，一方面，將監(jiān)測從機ID、環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳的映射關系存儲到數(shù)據(jù)庫；另一方面，實時顯示監(jiān)測從機ID、環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳的映射關系；另一方面，判斷來自監(jiān)測從機的環(huán)境參數(shù)值是否達到或超過初始配置的報警門限值，如果達到，則發(fā)出報警通知消息，根據(jù)實際設置情況，可采用兩種報警方式:一方面，監(jiān)測主機本地進行報警；另一方面，通過短信收發(fā)模塊向預配置的對應的手持終端發(fā)送報警短信信息；
[0105]然后，監(jiān)測主機向指定監(jiān)測從機下發(fā)環(huán)境參數(shù)調整指令；其中，環(huán)境參數(shù)調整指令可來自于以下兩種方式之一:
[0106]方式一:監(jiān)測主機通過短信收發(fā)模塊接收到的來自于手持終端所發(fā)送的短信形式的環(huán)境參數(shù)調整指令；
[0107]方式二:監(jiān)測主機按預設算法對來自監(jiān)測從機的環(huán)境參數(shù)值與初始配置的報警門限值進行偏離度計算，生成環(huán)境參數(shù)調整指令；
[0108]S6，指定監(jiān)測從機的第一處理器接收該環(huán)境參數(shù)調整指令，并將該環(huán)境參數(shù)調整指令發(fā)送給對應的執(zhí)行器，通過執(zhí)行器改變環(huán)境參數(shù)；然后，通過循環(huán)執(zhí)行S4-S6，使各個監(jiān)測從機所在的環(huán)境參數(shù)趨于理想狀態(tài)。
[0109]另外，還包括移動終端向監(jiān)測主機查詢的步驟，包括:
[0110]當監(jiān)測主機接收到來自手持終端的短信形式的環(huán)境參數(shù)查詢指令時，其中，該環(huán)境參數(shù)查詢指令攜帶有被查詢的監(jiān)測從機ID以及采集時間戳；
[0111]監(jiān)測主機以被查詢的監(jiān)測從機ID以及采集時間戳為查詢關鍵詞，查詢數(shù)據(jù)庫，獲得對應的環(huán)境參數(shù)值；然后，監(jiān)測主機將所獲得的環(huán)境參數(shù)值通過短信收發(fā)模塊以短信的形式下發(fā)到手持終端。
[0112]由此可見，本發(fā)明提供的分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)及方法，采用溫濕度傳感器測量環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)了環(huán)境參數(shù)采集、處理、顯示、存儲以及超限報警等功能，此外，可以快捷地配置系統(tǒng)參數(shù)，可以方便地查詢、編輯和輸出歷史數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)對多個采樣點的環(huán)境監(jiān)控與預警，因此，集環(huán)境監(jiān)控和管理于一體，突出體現(xiàn)基于移動互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控整體智能的概念，具體優(yōu)點為:
[0113](I)將監(jiān)測主機與手持終端對接，通過手持終端向監(jiān)測主機發(fā)送各種指令，例如，查詢指令、對執(zhí)行機構的控制指令等，具有使用方便的優(yōu)點；
[0114](2)采用多采樣點(可擴展)環(huán)境參數(shù)的分布式采集架構，并且，每個采樣點可采集多種環(huán)境參數(shù)，提高了環(huán)境參數(shù)采集的全面性，進而提高了環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的精確度和控制的有效性；且由于監(jiān)測從機與監(jiān)測主機之間為無線通信方式，具有易擴展的優(yōu)點；
[0115](3)監(jiān)測主機能夠連續(xù)實時的記錄各個采樣點上傳的環(huán)境參數(shù)，并以數(shù)字方式進行實時顯示，方便監(jiān)控人員實時了解監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境參數(shù)值；
[0116](4)在監(jiān)測主機監(jiān)測到異常數(shù)據(jù)時，如溫度、濕度超過上下限時，可進行本地報警以及向手持終端短信報警；由于具有多種超限報警功能，能夠使工作人員及時獲知監(jiān)控異常情況；
[0117](5)工作人員通過手持終端可實時方便的對現(xiàn)場環(huán)境進行監(jiān)控，極大的減輕了工作人員的工作量，還提高了工作人員的監(jiān)控效率；
[0118](6)整體具有低功耗、低成本、操作簡單、監(jiān)控全面和調節(jié)及時等優(yōu)點，具有易推廣的優(yōu)點；尤其適用于對環(huán)境參數(shù)要求嚴格的場合，在物聯(lián)網(wǎng)、智能家居高速發(fā)展的今天，具有極高的推廣價值。
[0119]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，其特征在于，包括:布置在監(jiān)控中心的監(jiān)測主機以及分別布置在各個采樣點的監(jiān)測從機； 所述監(jiān)測從機包括第一處理器、第一無線收發(fā)器、第一供電電源、執(zhí)行器和至少一個環(huán)境參數(shù)采集傳感器；其中，所述第一處理器分別與所述第一無線收發(fā)器、所述第一供電電源、所述執(zhí)行器和各個所述環(huán)境參數(shù)采集傳感器連接； 所述監(jiān)測主機包括第二處理器、第二無線收發(fā)器、第二供電電源、人機交互設備和短信收發(fā)模塊；所述第二處理器分別與所述第二無線收發(fā)器、所述第二供電電源、所述人機交互設備和所述短信收發(fā)模塊連接； 其中，所述監(jiān)測從機的所述第一無線收發(fā)器與所述監(jiān)測主機的所述第二無線收發(fā)器進行無線通信。
2.根據(jù)權利要求1所述的分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，其特征在于，所述環(huán)境參數(shù)采集傳感器包括土壤溫度采集傳感器、土壤濕度采集傳感器、空氣溫度采集傳感器和空氣濕度采集傳感器。
3.根據(jù)權利要求2所述的分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，其特征在于，所述土壤溫度采集傳感器和所述土壤濕度采集傳感器集成為土壤溫濕度復合采集傳感器；所述空氣溫度采集傳感器和所述空氣濕度采集傳感器集成為空氣溫濕度復合采集傳感器。
4.根據(jù)權利要求3所述的分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，其特征在于，所述土壤溫濕度復合采集傳感器為SHTlO型號的溫濕度復合傳感器、AM2301型號的數(shù)字溫濕度復合傳感器或SHTlO型號的溫濕度復合傳感器； 所述空氣溫濕度復合采集傳感器為AM2301型號的溫濕度復合傳感器、AM2301型號的數(shù)字溫濕度復合傳感器或SHTlO型號的溫濕度復合傳感器。
5.根據(jù)權利要求1所述的分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第一供電電源包括光伏發(fā)電系統(tǒng)、雙向DC/DC變換器以及混合儲能單兀；所述光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出端通過所述雙向DC/DC變換器與所述混合儲能單元的一端連接；所述混合儲能單元的另一端用于與監(jiān)測從機的供電接口連接； 其中，所述混合儲能單元為由超級電容器和蓄電池組成的混合儲能單元； 所述雙向DC/DC變換器包括:第一三極管Q1、第二三極管Q2、第一二極管Dl以及第二二極管D2 ;其中，所述第一三極管Ql的集電極與光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出端的正極連接，所述第一三極管Ql的發(fā)射極與所述混合儲能單元的正極連接；所述第二三極管Q2的集電極與所述第一三極管Ql的發(fā)射極連接，所述第二三極管Q2的發(fā)射極與所述混合儲能單元的負極連接；另外，所述第一二極管Dl的負極與所述第一三極管Ql的集電極連接，所述第一二極管Dl的正極與所述第一三極管Ql的發(fā)射極連接；所述第二二極管D2的負極與所述第二三極管Q2的集電極連接，所述第二二極管D2的正極與所述第二三極管Q2的發(fā)射極連接； 在所述雙向DC/DC變換器與所述混合儲能單元之間還串聯(lián)有LC振蕩電路；該LC振蕩電路由電感L3和電容Cl構成； 其工作原理為:通過對雙向DC/DC變換器的第一三極管Ql和第二三極管Q2的控制，實現(xiàn)能量的雙向流動，即: 當檢測到混合儲能單元電力不足時，控制第一三極管Ql以PWM工作方式導通，第二三極管Q2與第一三極管Ql為互補方式工作，此時，第二三極管Q2與第一三極管Ql構成BUCK降壓斬波電路，電感L3的電流為正，混合儲能單元處于充電狀態(tài)； 當檢測到混合儲能單元電力過剩時，控制第二三極管Q2以PWM工作方式導通，第一三極管Ql與第二三極管Q2為互補方式工作，此時，第二三極管Q2與第一三極管Ql構成BOOST升壓斬波電路，電感L3的電流為負，混合儲能單元處于放電狀態(tài)。
6.根據(jù)權利要求1所述的分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第一無線收發(fā)器和所述第二無線收發(fā)器均為NRF905型號的無線收發(fā)器；所述第一處理器和所述第二處理器均為STC12C5A60S2型號的單片機。
7.根據(jù)權利要求1所述的分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，其特征在于，所述人機交互設備包括鍵盤、鼠標和顯示器；其中，所述鍵盤、所述鼠標和所述顯示器分別連接到所述第二處理器的對應串口上； 所述短信收發(fā)模塊為GSM模塊與所述第二處理器的串口連接所構成的短信收發(fā)模塊； 所述第二供電電源包括:第I供電子電源、第2供電子電源、第3供電子電源和第4供電子電源； 其中，所述第I供電子電源采用Im2940-5V芯片，為5V供電子電源，用于向所述第二處理器獨立供電； 所述第2供電子電源采用LMl 117芯片，為3.3V供電子電源，用于向所述第二無線收發(fā)器獨立供電； 所述第3供電子電源采用MIC29302BT芯片，為4.2V供電子電源，用于向所述短信收發(fā)模塊獨立供電； 所述第4供電子電源為5V供電子電源，用于向所述人機交互設備獨立供電。
8.根據(jù)權利要求1所述的分布式環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測主機還包括存儲器；所述存儲器采用SD卡；所述SD卡與所述第二處理器采用SPI通信。
9.一種分布式環(huán)境監(jiān)測與控制方法，其特征在于，包括以下步驟: SI，在監(jiān)測主機上，第二處理器通過人機交互設備或短信收發(fā)模塊接收初始配置參數(shù)；其中，所述初始配置參數(shù)包括:各個環(huán)境參數(shù)的采樣頻率、需要啟動的指定監(jiān)測從機ID以及分別與各個監(jiān)測從機對應的環(huán)境參數(shù)的報警門限值； S2，所述第二處理器存儲所述初始配置參數(shù)；然后，基于所述初始配置參數(shù)，所述第二處理器通過第二無線收發(fā)器向對應的指定監(jiān)測從機發(fā)送啟動信號，其中，該啟動信號攜帶有所配置的對應的采樣頻率； S3，各個指定監(jiān)測從機的第一處理器在通過第一無線收發(fā)器接收到該啟動信號時，按所配置的對應的采樣頻率啟動對應的環(huán)境參數(shù)采集傳感器； S4，然后，所述第一處理器通過串口接收各個環(huán)境參數(shù)采集傳感器所采集到的環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳，并通過第一無線收發(fā)器將所采集到的環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳發(fā)送給所述監(jiān)測主機； S5，所述監(jiān)測主機的第二處理器通過第二無線收發(fā)器接收各個監(jiān)測從機上傳的環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳；然后，一方面，將監(jiān)測從機ID、環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳的映射關系存儲到數(shù)據(jù)庫；另一方面，實時顯示監(jiān)測從機ID、環(huán)境參數(shù)值以及對應的采集時間戳的映射關系；另一方面，判斷來自監(jiān)測從機的環(huán)境參數(shù)值是否達到或超過初始配置的報警門限值，如果達到，則發(fā)出報警通知消息； 然后，所述監(jiān)測主機向指定監(jiān)測從機下發(fā)環(huán)境參數(shù)調整指令； S6，所述指定監(jiān)測從機的第一處理器接收該環(huán)境參數(shù)調整指令，并將該環(huán)境參數(shù)調整指令發(fā)送給對應的執(zhí)行器，通過所述執(zhí)行器改變環(huán)境參數(shù)；然后，通過循環(huán)執(zhí)行S4-S6，使各個監(jiān)測從機所在的環(huán)境參數(shù)趨于理想狀態(tài)。
10.根據(jù)權利要求9所述的分布式環(huán)境監(jiān)測與控制方法，其特征在于，S5中，當來自監(jiān)測從機的環(huán)境參數(shù)值達到或超過初始配置的報警門限值時，一方面，監(jiān)測主機本地進行報警；另一方面，通過短信收發(fā)模塊向預配置的對應的手持終端發(fā)送報警短信信息； S5中，所述監(jiān)測主機向指定監(jiān)測從機所下發(fā)的環(huán)境參數(shù)調整指令來自于以下兩種方式之一: 方式一:所述監(jiān)測主機通過短信收發(fā)模塊接收到的來自于手持終端所發(fā)送的短信形式的所述環(huán)境參數(shù)調整指令； 方式二:所述監(jiān)測主機按預設算法對來自監(jiān)測從機的環(huán)境參數(shù)值與初始配置的報警門限值進行偏離度計算，生成所述環(huán)境參數(shù)調整指令； 還包括: 當所述監(jiān)測主機接收到來自手持終端的短信形式的環(huán)境參數(shù)查詢指令時，其中，該環(huán)境參數(shù)查詢指令攜帶有被查詢的監(jiān)測從機ID以及采集時間戳； 所述監(jiān)測主機以被查詢的監(jiān)測從機ID以及采集時間戳為查詢關鍵詞，查詢所述數(shù)據(jù)庫，獲得對應的環(huán)境參數(shù)值；然后，所述監(jiān)測主機將所獲得的環(huán)境參數(shù)值通過短信收發(fā)模塊以短信的形式下發(fā)到所述手持終端。
【文檔編號】G05B19/418GK104199427SQ201410474268
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權日:2014年9月17日
【發(fā)明者】彭宏偉 申請人:彭宏偉