随身携带式数据采样物联网环境时空信息智能化监测系统

本实用新型属于物联网环境监测技术领域，具体为一种随身携带式数据采样物联网环境时空信息智能化监测系统，系统共包含2个物联网环境参数采集模块和1个智能化数据监测平台。

背景技术：

研究表明，人为了获得舒适感所采取的行为调节与环境经历密切相关，且有研究发现，人是对近期一段时间而不是某瞬间的环境状况做出调节反应。因此，需要一种能够记录环境经历变化过程的方法，开发一种人员随身携带进行数据采集的物联网智能化数据采集系统。

据不完全统计，一个成年人每天约有80％的时间是在室内度过的，室内环境质量的好坏对人的身心健康十分重要，同时也与人的行为调节密切相关。目前，针对室内环境质量好坏的评价依据的是现行的环境质量标准。例如：我国新修订的室内空气质量标准(gb/t18883-2020)对空气环境相关指标及阈值范围做出规定、室内人体热舒适环境要求与评价方法(gb/t33658-2017)对室内热环境做出相关规定、采光测量方法(gb/t5699-2017)对室内光环境做出相关规定等。但是，几乎所有指导室内环境营造设计的规范标准都把人视为是“环境的被动接受者”，忽视人的主动环境调节行为，同时把达到某个室内环境状态点视为是理想状态。对于这些指标限制规定，比如“冬季室内气温多少合适？”，来源于“将舒适视为‘产品’，需要靠空调系统提供服务”的国际认知。其指标值大部分是来源于经验性的评价，也包括能源、经济性等因素的考虑。但是，相关研究指出，人的室内环境需求具有动态性、周期性变化、受个体环境适应能力和地域文化背景影响等特点，同时，人对环境的适应能力和环境偏好很大程度上影响着这种需求。目前，个性化的需求营造模式和动态的调控策略是室内环境营造技术领域的研究热点，而需求的评价离不开与之匹配的环境暴露经历监测手段的支撑。

与传统的人工监测手段相比，物联网技术具有设备小型化、传感器集成化、无线通讯等便利特点。目前利用物联网设备进行人员环境暴露经历信息记录主要包括以下几种途径：(1)通过固定放置式装置：针对室内外环境监测无人化需求，利用数据采集系统对监测点的环境数据进行监测，由于是长期固定放置的，此类设备往往是需要连接电源而非通过电池。代表性的专利有：物联网环境监测气象站(公开号：cn111935665a)；适合于普通家庭的多参数室内环境监测及预警系统(公开号：cn101915597a)；(2)通过穿戴式装置：利用小型化技术将传感器集成为可穿戴的监测装置，通过佩戴在人身上搜集记录所经历的环境信息，代表性的专利有：为避免紫外线、空气干燥等问题危害皮肤健康，通过胸章形模块监测并提供出行建议(公开号：cn110375850a)；一种针对出行防晒、御寒需求的佩戴于手臂上的环境暴露监测模块(公开号：cn204557870a)；一种预防近视的置于镜架上的用眼环境监测模块(公开号：cn205352466u)；一种针对复杂的高热、高原、高寒的“三高”特殊环境下的腕带式环境负荷与生理应激监测预警装置(公开号：cn211796424u)。

通过分析发现，现有的物联网环境监测设备的设计形式能满足其各自的提出的监测需求，但尚不能很好地匹配本实用新型针对的动态环境暴露经历监测需求，主要存在以下两方面问题：(1)数据采集部分：现有的装置多为“环境参数+时间维度”的形式，缺失人员环境暴露过程的“空间维度”信息，无法完成行为轨迹描述；(2)信息反馈部分：现有的监测装置主要基于当前采集时刻的数据提供环境评价与反馈建议(如：当前室外紫外线过强或用眼环境光线不足等)，其并不是通过结合人的环境暴露史去评价，但暴露史是当前环境舒适评价的重要影响因素，因此需要采集装置要能够收集记录不同时间尺度的环境暴露信息。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有物联网环境监测系统运用于人员环境暴露评价时“采集形式缺失空间维度信息”与“反馈形式仅提供基于采集时刻的反馈评价”的缺陷，提供一种随身携带式数据采样物联网环境时空信息智能化监测系统的设计方法。该监测系统包含以下部分：环境经历采集母模块(以下简称：母模块)、环境经历采集子模块(以下简称：子模块)、物联网环境时空信息智能化监测平台(以下简称：平台)。

参数采集层面，通过两类物联网模块收集所需的环境信息。其中，母模块能够同时监测pm2.5、co2、gps位置信息，子模块能够同时监测温度、湿度、光照度信息，子模块与母模块均为无线设计，不受插线位置和电源线长度等限制，由锂电池分别进行供电，契合随身携带式的数据采集需求。

数据传输层面，子模块与母模块内部均设计了无线通讯模块，可通过插手机卡的形式将数据经由当地电信基站上传至平台。

数据处理层面，由平台负责执行，平台基于租赁的云端服务器运行，仪表盘界面能够查看温湿度、光照度、pm2.5、co2的实时数据及变化曲线，能够查看基于gps位置信息软件描点处理生成的活动轨迹，能够智能分析环境暴露过程对人的影响，进行环境暴露评价及健康风险等级评价，历史环境信息以excel的形式提供数据库下载服务。

该监测系统基于为进行针对人舒适性需求导向的行为调节的调查研究而开发，适用于监测记录动态环境中受试者的环境暴露经历，包含光环境暴露经历、热环境暴露经历、所处空间的空气质量以及这些暴露过程的涉及的时间和空间信息。在传统研究中，实验人员需要在房间内布置固定式仪器对整体空间的室内环境信息进行监测，同时，配合室外气象站对调查地点附近的室外环境进行监测。这样的监测手段是费时费力的，且所测数据只是通过较大范围内的整体环境信息去近似表征受试者周围微环境的暴露情况。该模块采用了基于物联网的便携式数据采集设计，将所需的环境传感器集成为小型模块，使受试者能够随身携带，同时相比于一般的多参数环境测试模块，本实用新型中模块加入了gps模块用于描绘人员移动轨迹，可以满足时间与空间双维度的环境信息监测需求。由于采用了便携设计，其监测的数据能更加合理地表征受试者周围微环境的变化情况，相较于对房间整体环境进行监测的方法，本实用新型更适合于对个性化环境需求进行评价及个性舒适调控开发的场合使用，具有广阔的应用前景。

本实用新型的技术方案：

一种随身携带式数据采样物联网环境时空信息智能化监测系统，该监测系统包含以下部分：环境经历采集母模块、环境经历采集子模块、物联网环境时空信息智能化监测平台。

所述的环境经历采集母模块包括母模块外壳8和置于母模块外壳8内的母模块单片机主控电路板1、扩展电路板5、pm2.5传感器模块2、co2传感器模块3、gps定位模块10、无线数据通讯模块a4以及电池a9；所述的pm2.5传感器模块2包括pm2.5传感器和数模转换电路a，pm2.5传感器的输出端与数模转换电路a的输入端相连；所述的co2传感器模块3包括co2传感器和数模转换电路b，co2传感器的输出端与数模转换电路b的输入端相连；数模转换电路a、数模转换电路b以及gps定位模块10的输出端与母模块单片机主控电路板1的输入端连接，母模块单片机主控电路板1的输出信号接入本地数据储存卡进行信息存储，本地信息存储通过无线数据通讯模块a4将所有数据定期上传至物联网环境经历监测平台；母模块单片机主控电路板1与扩展电路板5连接，扩展电路板5上设有充电接口a6和调试接口7；所述的电池a9对环境经历采集母模块的整个电路进行供电。

其中，通过设计本地信息存储对采集的实时数据进行暂存，再定期打包上传的方案是出于节电目的，如果采集数据总是实时上传，那么无线数据通讯模块a4与无线数据通讯模块b19持续运作将大量耗电。

所述的环境经历采集子模块包括子模块外壳14和置于子模块外壳14内的子模块单片机主控电路板11、温湿度传感器模块13、光照度传感器模块18、无线数据通讯模块b19以及电池b15；所述的温湿度传感器模块13包括温湿度传感器和数模转换电路c，温湿度传感器的输出端与数模转换电路c的输入端相连；所述的光照度传感器模块18包括光照度传感器和数模转换电路d，光照度传感器的输出端与数模转换电路d的输入端相连；数模转换电路c和数模转换电路d的输出端与子模块单片机主控电路板11的输入端连接，子模块单片机主控电路板11的输出信号接入本地数据储存卡进行信息存储，本地信息存储通过无线数据通讯模块b19将所有数据定期上传至物联网环境经历监测平台；所述的子模块单片机主控电路板11，其上设有充电接口b12；所述的电池b15对环境经历采集子模块的整个电路进行供电。

所述的子模块外壳14内表面设有磁铁片17，用于吸附于佩戴位置，外表面顶部设有绳挂扣16，用于挂放环境经历采集子模块。

所述物联网环境时空信息智能化监测平台接收无线数据通讯模块a4和无线数据通讯模块b19上传数据的外部终端，基于云端服务器提供运行条件，用于显示环境参数实时数据、人员轨迹信息、设备运行情况以及环境健康综合影响等级评价信息，并提供历史数据下载服务。

其中，由于gps定位模块10仅能提供人员位置信息，若想要得到人员轨迹信息，需在软件编写时对各时刻的坐标点进行描点连线设计。

本实用新型有益效果：

(1)本实用新型采用随身携带式的监测形式，相比通过固定式仪器布点监测的形式，所采集的人员环境暴露经历数据更加贴合实际情况，其形成的人员环境暴露经历数据库有益于个性化舒适产品的开发；

(2)本实用新型开发了一种具有无线、便携、云端多目标远程监测于一体的环境监测系统。该系统在执行长期监测数据采集任务时，对于实验人员而言，不用耗费人力资源在现场人工记录数据，仅需通过云端监测即可完成大样本采集任务；对于受试者而言，仅需将模块按要求携带，相较于在其家里或工作的地方放置各自仪器，本实用新型对其日常生活几乎不造成影响；

(3)本实用新型开发的随身携带式数据采样物联网环境时空信息智能化监测系统，包含相辅相成的放置采集母模块和佩戴采集子模块，两采集模块可根据具体测试需求独立使用，数据存储于云端数据库，便于后期追溯，监测参数类型全面，使用便利，非常值得推广。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理图；

图2(a)和图2(b)为本实用新型的结构示意图，其中，图2(a)为母模块，图2(b)为子模块。

图中：1母模块单片机主控电路板；2pm2.5传感器模块；3co2传感器模块；4无线数据通讯模块a；5扩展电路板；6充电接口a；7调试接口；8母模块外壳；9电池a；10gps定位模块；11子模块单片机主控电路板；12充电接口b；13温湿度传感器模块；14子模块外壳；15电池b；16绳挂扣；17磁铁片；18光照度传感器模块；19无线数据通讯模块b。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案进一步说明本实用新型的具体实施方式。

本实用新型的随身携带式数据采样物联网环境时空信息智能化监测系统的整体结构如图1所示，包括子模块、母模块和平台3个主要部分，子模块负责采集光照度和温湿度数据，母模块负责采集pm2.5、co2数据以及地理位置信息，所采集的数据优先进行本地存储并以无线形式定期上传至平台。

(1)本实用新型采用的“随身携带式”的数据采集方式

本实用新型提出的“随身携带式”的数据采集方式实施过程如下：依据光暴露评价采集需求，所采集光照度信息应近似模拟人眼方向即正前方垂直向的光照度(注意：这里不是评价房间光环境，所以需要采集的不是水平面光照度)，所采集温湿度信息应为人员周围微环境温湿度变化情况，理论上温湿度传感器越接近人员所在位置其数据越具代表性，光照度传感器越接近人眼处其数据越具代表性，以上模块应该以佩戴式的方式采集为宜，故将温湿度与光照度传感器集成于所述“子模块”，子模块佩戴方式可通过图2所述“强力磁铁片17”吸附于衣物表面(磁铁衣物内外侧各一片)，合适的佩戴位置为衣服外侧，带在胸前；pm2.5信息、co2信息以及人员位置信息，由于其传感器模块本身体积较大且耗电高，故将其单独集成于“母模块”，所述母模块室内测量时放置在人员工位附近桌面上进行测量，人员外出移动时可将母模块置于包内(如书包水杯位)随身携带。

母模块与子模块协同合作，形成“随身携带式”的测量方式，共同采集人员环境暴露经历相关信息。

(2)多模块集成方式

本实用新型的多模块集成方式具体如图2(a)和图2(b)所示，所述母模块(图2(a))包括：母模块单片机主控电路板1、pm2.5传感器模块2、co2传感器模块3、无线数据通讯模块a4、扩展电路板5、充电接口a6、调试接口7、母模块外壳8、电池a9、gps定位模块10。所述子模块(图2(b))包括：子模块单片机主控电路板11、充电接口b12、温湿度传感器模块13、子模块外壳14、电池b15、绳挂扣16、磁铁片17、光照度传感器模块18、无线数据通讯模块19；电池a9和电池b15均为锂电池。

其中，所述温湿度传感器模块13采用sht3x-dis传感器。

其中，所述光照度传感器模块18采用b-lux-v22光照度传感器。

其中，所述pm2.5传感器模块2采用pms5003颗粒物浓度传感器。

其中，所述co2传感器模块3采用senseairs8-0053传感器。

其中，所述gps定位模块10采用atgm332d-5n高性能bds/gnss全星座定位导航模块。

其中，所述无线数据通讯模块a4和无线数据通讯模块b19采用e29v型4g模块。

pm2.5传感器模块2(uart协议)、co2传感器模块3(uart，modbus协议)、gps定位模块10(串口和pps输出)分别信号连接于母模块单片机主控电路板1(stm32f103c8t6)，母模块单片机主控电路板1将信号连接于无线数据通讯模块4，同时母模块单片机主控电路板1有线连接扩展电路板5，扩展电路板5上具有充电接口a6与调试接口7，电池a9通过导线连接至扩展电路板5，并为整个母模块供电。无线数据通讯模块4信号通过mqtt通信对接位于云端服务器上的物联网环境经历监测平台。

其中，为配合模块运作，pm2.5传感器模块2、co2传感器模块3、gps定位模块10需要提供5v的工作电压，母模块单片机主控电路板1提供5v供电，电池a9为3.3v，故设计有升压电路。

其中，母模块外壳8为了减轻整体重量采用非透明塑料材质，由于pm2.5传感器模块2和co2传感器模块3为抽气式设计需保证外壳具有良好的透气性能，故母模块外壳8侧面和底部设计有空气流通孔。

温湿度传感器模块13(iic协议)、光照度传感器模块18(iic协议)分别信号连接于子模块单片机主控电路板11(stm32f103c8t6)，子模块单片机主控电路板11将信号连接于无线数据通讯模块b19，同时子模块单片机主控电路板11上具有充电接口b12，电池b15通过导线连接至子模块单片机主控电路板11，并为整个子模块供电。无线数据通讯模块b19信号通过mqtt通信对接位于云端服务器上的物联网环境经历监测平台。

其中，子模块携带的温湿度传感器模块13、光照度传感器模块18需要提供3.3v的工作电压，自带电池b15提供3.3v电压不需要进行电路升压设计。

优选地，子模块由于同时包括光照度传感器和温湿度传感器，光照度传感器必须需要接收光照而温湿度传感器应该避免被光照射，故子模块外壳14正面采用透明亚克力材料，背面采用非透光塑料，并将光照度传感器置于正面，将温湿度传感器置于背面的组合方式更加契合需求。