一种环境温湿度及VOC多参数在线监测终端的制作方法

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、时钟系统漂移、防护等级低、施工困难、运维成本高等诸多问题。

技术实现要素：

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外围处理电路；中央处理单元读取时钟模块的相关寄存器，获取系统时钟；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外围处理电路；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；

电源管理系统：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系统相连接的所有单元，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系统。

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外围处理电路。

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gpiop8.7与ds3231的scl连接，gpiop8.6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，获取系统时钟；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gpiop5.4与sht15的scl连接，gpiop3.7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gpiop2.1与sx1276的发送控制引脚连接，用于控制sx1276处于发送状态；gpiop2.2与sx1276的接收控制引脚连接，用于控制sx1276处于接收状态；gpiop2.3与sx1276的复位控制引脚连接，用于控制sx1276复位；gpiop2.4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；gpiop3.3与sx1276的sck引脚连接，用于同步时钟；gpiop3.2与sx1276的miso引脚连接，gpiop3.1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外围处理电路。

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gpiop10.2与at24cm01的scl连接，gpiop10.1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。

电源管理系统与中央处理单元、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。

电源管理系统技术交底。通过电源管理系统，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，以降低整个系统的功耗。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系统，采样完毕后，关闭其电源系统；其次，会打开射频通讯单元的的电源系统，数据交互完毕后，关闭该电源系统；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gpiop4.5控制sht15的电源，采样开始的时候，gpiop4.5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，gpiop4.3输出高电平，为maq400a上电；采样结束后，gpiop4.3输出低电平，为maq400a断电。中央处理器的gpiop4.7与sx1276的信号发射放大器端口相连接。数据发射时，gpiop4.7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，gpiop4.7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。