建筑物理环境多参数自动检测系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种建筑物理环境检测装置。建筑物理环境多参数自动检测系统，分为传感器端、主机端、服务器端三部分；主机端负责从传感器端获取采集到环境数据，将得到的数据存储到本地TF卡中，并适时地将数据通过网络上传至服务器中，传感器为智能传感器，包括温湿度传感器、照度传感器、风速传感器；每个传感器中都配有8位单片机作为控制器并植入了标准Modbus工业总线的从机协议栈，主机端运行了一套精简的嵌入式操作系统，并植入了Modbus主机协议栈，与传感器互联；按照协议标准，总线上最多可以容纳255个从机，即一套系统最多能够悬挂255个传感器同时工作。本发明主要应用于用电监控。
【专利说明】建筑物理环境多参数自动检测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种建筑物理环境检测装置，特别是涉及一种智能化控制，高效、精确、可同时检测风环境、热环境、光环境等多个参数的建筑物理环境自动检测系统。
【背景技术】
[0002]随着我国经济建的发展，城市化进程的加速，建筑物理环境越来越受到各方面的重视。温度、湿度、通风、采光、照明等条件不仅决定着建筑的可用性与舒适性，同时也是建筑评价的核心条件。尤其是近年来绿色建筑理念的普及和推广，建筑物理环境舒适度作为绿色建筑评价的重要组成部分，如何对建筑的风、光、热、湿参数进行科学、高效、精确测量已成为亟待解决的问题。
[0003]同时，对于历史保护性建筑，尤其是古建筑彩画，对自然环境变化最为敏感，极易受到侵蚀与破坏。尤其是近年来随着城市建设的大规模进行，古建筑所处的生态环境也随之发生了巨大改变，其对彩画的影响程度也日益加大，使彩画产生开裂、褪色、粉化的现象。如何确定风速、风压、光照、温度、湿度等自然环境因素对彩画色度、明度、彩度等影响，是另一项备受关注的问题。
[0004]目前与本申请最接近的现有技术如下:
[0005]1.“一种室内环境监测系统及其监测方法”(专利号CN201310565687)，该发明公开了一种建筑物室内环境监测系统，包括空气环境检测采集器用于采集汇总建筑物室内空气质量数据，采集室内颗粒物、化学污染物、微生物污染物、放射性污染物、温度数据和湿度数据；绿色建筑环境管理模块与空气环境检测采集器对接实时监测空气质量数据，自动调节改善室内空气质量，生成空气质量报告；空气净化器净化空气指令；新风系统执行通风调节指令；空调系统执行温湿度调节指令；此发明还提供了一种建筑物室内环境监测方法。该专利主要针对室内空气质量指标进行检测，不能检测风、光、热、湿等建筑物理环境指标。
[0006]2.“室温及环境监测器”(专利号CN201320415166)，此实用新型提供了一种室温及环境监测器。该监测器包括单片机以及与所述单片机均相接的温度传感器、湿度传感器、气体传感器、时钟模块、存储器、无线通信模块、显示模块和蜂鸣器。本实用新型可通过相应传感器对室内的温度、湿度、某种有害气体的浓度进行实时检测，之后由单片机将传感器所采集到的检测信号通过无线通信模块定时上传至远程计算机；单片机还可将所接收到的检测信号与其内所设定的各参数的上限值进行比较，当某一检测信号超限时即发出报警信号。人们可在远程终端根据监测结果采取相应的措施，使室内温度保持在正常温度范围内，从而可减少投诉现象的发生，降低供暖管网的运行成本，使人们生活在一个健康的环境中。该专利主要针对室内温度和空气质量进行监测，用于采暖控制和空气环境质量评价，不适用于室外环境，同时不能监测风速、风压、照度、亮度、湿度等物理环境信息。
[0007]3.“环境监测方法及监测系统”(专利号CN201310499716)，本发明涉及环境监测【技术领域】，特别涉及环境监测方法及监测系统。其中，该环境监测方法包括:预先存储监测人员对应的通信信息；接收采集的监测数据，并将接收到的监测数据和预先设置的与该监测数据所对应的设置阈值进行比较，若监测数据超出与其对应的设置阈值，则将监测数据及比较的结果按照通信信息发送给通信信息对应的监测人员。本发明的环境监测方法及监测系统能够在采集的监测数据超出设定的设置阈值后，自动通知监测人员。该发明是一种环境监测数据与预设限值的对比预警方法，用于在监测值超出设定的设置阈值后，自动通知监测人员，而不是一种具体的物流环境检测技术。
[0008]4.“水污染源在线动态跟踪监测方法和系统”(专利号CN101021543B)，本发明是关于测量。一种水污染源在线动态跟踪监测方法，包含在最低流量条件下按规定的时间间隔启动在线监测仪器进行分析测定和留样。在监测中，若测得超标排污指标，则自行进入超标时控监测、且在后次监测的参数大于前次监测时留样。解决在线监测的频率随排放的工业废水的流量变化和污染浓度的变化而自动改变，以达到符合排污实际状态的监测的技术问题。该发明是针对水资源污染问题进行研宄，监测排污实际状态，不能用于建筑物理环境监测。
[0009]5.侯文芳薛平等.《莫高窟第217窟微环境监测分析》.敦煌研宄.2007年05期.文章通过对莫高窟第217窟内的微环境监测，对该窟一年来温湿度监测数据和空气交换率监测数据的分析研宄，大致阐明了第217窟文物保存的环境现状及变化规律。该文章侧重于微环境对文物影响方面的研宄，而且是采用传统的人员手持仪器逐点、逐项进行检测，然后人工记录数据，存在效率低、参数少、存在人为误差等问题。
[0010]6.“基于遥控车载平台的居住区夜间光环境检测系统”(专利号CN201010195723)，一种基于遥控车载平台的居住区夜间光环境检测系统，有设置在检测车上的升降机构，旋转云台安装在旋转云台上的图像采集单元内，设置在检测车前端的车载前端运行状况采集单元，设置在检测车上的车载控制单元和车载天线，以及远程控制计算机单元和控制天线，车载控制单元通过车载天线和控制天线接收远程控制计算机单元所发出的控制信号分别控制:检测车实现各项运动；升降机构自动升降高度；旋转云台实现自由旋转；图像采集单元将图像数据传输到远程计算机；车载前端运行状况采集单元实时连续采集近地面照度传输到计算机。本发明能够精确快速测量照度、亮度、色度、眩光等多个检测指标，实现远距离遥控测量，避免因夜间光线较暗，道路车辆对人员造成的安全威胁。该专利只能监测照度等光环境的指标，不能对风速、温湿度进行监测。
[0011]7.“一种基于遥控车载平台的居住区夜间光环境检测方法”(专利号CN201010537764)，本发明的基于遥控车载平台的居住区夜间光环境检测方法，首先，在功能上完全满足基于遥控车载平台的居住区夜间光环境检测系统的使用要求，本发明的控制方法与硬件系统中检测平台、操控单元、传输单元和检测设备要一一对应，满足各项硬件使用功能；其次，有很好的交互性，和各个硬件单元的下位机软件相匹配，以便固件程序能够实时接收并执行上位机通过无线模块发来的指令，最终达到用计算机实时无线控制各个硬件系统进行工作；最后，通过工作界面，工作人员能够快速、方便、准确地进行操作。此方法只是对居住区夜间光环境进行检测，不能监测风速、温湿度等指标。
[0012]目前在环境监测领域尚存在如下问题:
[0013]1.现有技术都只针对某一方面参数进行监测，如有害气体对空气质量影响、温度对供暖系统影响、排放污染物对水资源影响等，尚无能够全面监测各项建筑物理环境参数的全自动监测系统，以至于不能对建筑环境舒适度作出科学评价，也不能够用于研宄物理环境对古建筑影响等问题。
[0014]2.现有技术的数据传输方式存在问题。目前监测数据的无线传输方式主要有两种:一种为采用外接天线发射方式，该方式受到天线发射功率限制，传输距离有限，不能实现远距离或超远距离数据传输；另一种为WIFI传输方式，这种方式虽可进行远距离传输，但受周围条件限制较大，在没有无线网络覆盖的区域不能使用。
[0015]3.现有技术的供电方式存在问题。一种是采用单一电池给系统供电，这种方法受到电池容量限制，若监测数据量和数据传输量较大时，系统有效运行时间会很短；第二种是采用市电直接供电，该方法受到使用场所限制，在无法提供市电的场所不能使用。
[0016]4.现有技术的数据安全性不能够保证。目前监测数据的记录有两种方式:一种为存储于系统硬盘中，该方法当出现供电中断、通讯故障或系统问题时，将出现数据丢失等问题；另一种为通过无线方式传输到计算机，这种方法由于其利用公共网络，容易被他人盗取所传输的信息。因此现有技术严重影响数据安全。
[0017]5.现有技术对于所采集的数据的存储方式为原始数据的直接记录，未加整理的海量数据将会给后期的计算分析带来困难，不仅极大的增加工作量，而且有出现误差的风险。
[0018]6.现有技术的采集探头数量和监测内容固定，若监测点和监测内容增加时，不方便进行技术扩展。
[0019]7.中国古建筑有严格的保护标准和规范，特别是一些世界文化遗产，要求不能对建筑本体以及附属物产出任何形式的破坏，但现有监测技术主要是针对现代建筑，系统安装方式为在建筑本体上固定安装，因此不能用于古建筑监测。
【发明内容】
[0020]本发明旨在解决克服现有技术的不足，提供建筑物室内用电监控，节约电能。为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，建筑物理环境多参数自动检测系统，分为传感器端、主机端、服务器端三部分；主机端负责从传感器端获取采集到环境数据，将得到的数据存储到本地TF卡中，并适时地将数据通过网络上传至服务器中，传感器为智能传感器，包括温湿度传感器、照度传感器、风速传感器；每个传感器中都配有8位单片机作为控制器并植入了标准Modbus工业总线的从机协议栈，主机端运行了一套精简的嵌入式操作系统，并植入了 Modbus主机协议栈，与传感器互联；按照协议标准，总线上最多可以容纳255个从机，即一套系统最多能够悬挂255个传感器同时工作。
[0021]主机端为数据终端盒结构，具体为:
[0022]机械与外壳部分:成品壳体本身的防护标准为IP66 ；
[0023]数据终端盒共有5个接插件，包括N-天线插座一个，12V主电源输入一个，主传感器总线和副传感器总线各一个，命令调试与程序下载接口一个，每个接插件都是免工具拆卸的；
[0024]N天线插座接有wifi无线通讯模块，用以接驳中心频率2.4G的鞭状全向天线和平板定向天线；
[0025]壳体内部容纳实现功能的电路部分，电路板为三层结构，靠铜柱坚固链接，固定电路板时，为铸铝外壳底部设计了固定电路模块的加强筋，完成了电路板和壳体的相对固定并使得数据终端盒具备了一定的抗冲击性能；
[0026]电路板部分:
[0027]电路设计分两大部分，体现在电路板的电源层，与功能实现层；
[0028]电源层:在隔离电源的12V输入测增加了放电管做防雷保护，并且设置常规的滤波等手段防止浪涌与强电磁干扰经由电源12V输入口串入隔离电源内部；
[0029]功能实现层包括两层:
[0030]第一层的设计主要包含核心供电模块，主控MCU与实时钟，两个带供电的传感器接口，调试接口，海量存储用TF存储卡，通讯供电模块，通讯模块转接板接口，所有的器件均采用工业级工作温度范围的产品；在第一层设立传感器输出接口的电流输出监测，通过工作电流的变化判断传感器链是否出现故障；
[0031]第二层设计为通讯模块转接板，目前设计了 wifi通讯模块的接口转接板，主控MCU可以对wifi通讯模块采用异步串口控制，发送数据；wifi通讯模块带有IPX天线插座，在数据终端盒的壳体上的防水N天线插头转接为IPX插头，直接连接wifi通讯模块。
[0032]温湿度传感器具体为:选用数字温湿度传感器SHT15测量环境温度和相对湿度，选用8位单片机作为传感器端控制器，定时从SHT15芯片端读取数据，从传感器中读出的数据并不是最终的结果，需要控制器对数据进行预处理，将数据整理成为最终的温度数据和湿度数据，等待主机端通过数据总线请求数据，将数据上传。
[0033]选用透气的塑料护套，并将制作好的传感器电路装入塑料护套中。
[0034]照度传感器具体为:
[0035]照度传感器选用光强度数字转换芯片；光强度数字转换芯片的数据采集以及处理任务依然选用通用8位单片机来完成；将制作好的电路板固定在专用的嵌有透光小球的塑料盒中。
[0036]风速传感器选用三杯式脉冲型风速传感器探头；利用单片机对传感器输出的脉冲进行捕捉，通过测量脉冲的周期得到风杯转动的频率，再由转动频率计算得出当前时刻的风速；单片机依然将采集到的风速信息暂存在内部RAM中，定时更新数据，同时等待主机请求数据，将数据上传；整个传感器功耗小于0.3W，接插件为防水航空插头。
[0037]在环境监测现场不能提供稳定供电时采用太阳能系统作为电源，太阳能供电系统主要由太阳能电池板、智能充电控制器、铅酸蓄电池三部分组成；太阳能电池板的主要任务是在光照充足时收集太阳能，通过充电控制器为蓄电池充电；智能充电控制器通过不断调整充电电压，找到当前光照下输入功率最大的工作点，最大限度地提高太阳能充电的效率。
[0038]本发明的技术特点及效果:
[0039]1.本系统可以针对多种物理指标的参数进行监测，如光照度、温湿度、风速风压，能够实现各项建筑物理环境的全自动检测，可以对建筑环境舒适度作出科学评价，也可以用于研宄物理环境对古建筑影响等问题。
[0040]2.本系统通过手机GSM网络传输数据，手机GSM网络传输距离长，覆盖面积广，客服了外接天线传输距离短，WIFI传输覆盖面积小的缺点。
[0041]3.本系统采用太阳能、电池和市电三种供电方式，根据不同的情况可以自主选择供电方式，增加了监测系统的适应性，提高了监测的效率，避免了只用电池供电时间受限以及单纯采用市电使用场所受到限制的缺点。
[0042]4.太阳能、电池和市电三种供电方式可以任意转换，在突然断电时，有较强的保障措施，可以发出警报，提醒工作人员出现断电情况，及时处理，保证了数据存储的安全性。另夕卜，本系统使用了 3G网络加密通道，避免了在传输过程中数据被盗取的情况
[0043]5.专门为监测系统开发了完整的数据库，可以将监测数据分别记录到数据库内，按照数据的记录时间，每个数据的特点、类型等分类记录、处理数据，提高了数据的收集效率，便于后期处理、分析数据。
[0044]6.本系统可以根据监测需要，增加探头的数量，最多就可以增加到300-400个，可以实现监测数据的扩展。
[0045]7.本系统采用的是非破坏式安装方式，为了保护古建筑，用铁箍卡在柱子或梁上，并在铁箍与梁或柱之间加设垫片，不会破坏建筑本体，完全可以用于古建筑特别是保护性古建筑的监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]图1系统结构图。
[0047]图2主机与网络(wifi/手机GSM)模块连接方式。
[0048]图3温湿度传感器。
[0049]图4照度传感器。
[0050]图5主机软件结构图。
[0051]图6服务器简单框架图。
【具体实施方式】
[0052]本环境数据采集系统主要分为传感器端、主机端、服务器端三部分，系统框图如下。主机端是整个系统的核心部分，负责从传感器端获取采集到环境数据，将得到的数据存储到本地TF卡中，并适时地将数据通过网络上传至服务器中。每个传感器中都配有8位单片机作为控制器并植入了标准Modbus工业总线的从机协议栈，主机端运行了一套精简的嵌入式操作系统，并植入了 Modbus主机协议栈，与传感器互联。按照协议标准，总线上最多可以容纳255个从机，即一套系统最多能够悬挂255个传感器同时工作，如图1所示。ModBus即Modbus通讯协议。Modbus是由Modicon (现为施耐德电气公司的一个品牌)在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。
[0053]主机终端盒硬件设计:
[0054]数据终端盒的设计，考虑到工作现场为北方户外环境，本着如下几条原则完成最终设计:
[0055]防水防尘标准:一般在户外工作的电子设备外壳要求防护标准为IP54，本系统要求7x24小时连续工作并处于长期无人维护状态，需要适当提升防护标准以提高环境适应性和系统总和稳定性。
[0056]防火:数据终端盒要接入主电源，必须保证供电安全，不出现短路事故引发的起火。同时要做好防雷防浪涌保护。
[0057]可维护性:体现在数据终端盒上，就是其本体出故障后可以直接被备用机替换而无需改变系统其他器件(传感器，电源等)的布局，并且在现场组装拆卸无需烙铁。
[0058]有限冗余:在实现数据采集和传输功能时，即使能够保证数据及时上传至服务器处理，也要保证数据终端盒自身有足够长时间的采集数据备份。
[0059]有限的自侦错自保护功能:自身发现问题后，可以通过网络通报自身故障，发动人力及时更换。
[0060]综合以上五大原则，数据终端盒设计方案如下:
[0061]机械与外壳部分
[0062]采用成品铸销壳体作为数据终端盒的外壳，几何尺寸180mmxl20mmxl30mm。成品壳体本身的防护标准为IP66，基于此选定壳体的接插件，防护标准均大于IP66(航空插头IP68，防水天线插座IP68)。IP(INGRESS PROTECT1N)是指灯具设备和仪表等设备外壳防护等级，在GB4208标准中，规定了设备的外壳防护等级IP代码的含义。根据每一个接插件的外形尺寸对铝制壳体进行了精密开孔加工，保证了接插件与壳体表面的密封性能。数据终端盒的最终防护标注为IP66 (指产品完全防止外物侵入，且可完全防止灰尘进入，承受猛烈的海浪冲击或强烈喷水时，电器的进水量应不致达到有害的影响)。
[0063]最终版数据终端盒共有5个接插件，包括N-天线插座一个，12V主电源输入一个，主传感器总线和副传感器总线各一个，命令调试与程序下载接口一个。每个接插件都是免工具拆卸的，方便现场替换。
[0064]采用无线通讯技术时，N天线插座作为一种广泛应用的射频插座标准，有很多天线可以与之接驳。在目前的系统中采用的wifi无线通讯模块，可以接驳中心频率2.4G的鞭状全向天线和平板定向天线，最大限度地适应现场无线信号环境。
[0065]GSM 全称为全球移动通信系统(Global System for Mobile Communicat1n)，也就是常说的第二代移动电话系统(2G网络)。
[0066]本系统中有GSM和WIFI两种网络接口，工作时根据现场网络情况安装网络模块，只用其中一种网络实现系统数据传输。
[0067]壳体内部容纳实现功能的电路部分，电路板为三层结构，靠铜柱坚固链接。固定电路板时，为铸铝外壳底部设计了固定电路模块的加强筋，完成了电路板和壳体的相对固定并使得数据终端盒具备了一定的抗冲击性能。
[0068]电路设计部分:
[0069]电路设计分两大部分，体现在电路板的电源层(第一层)，与功能实现层(第二、三层)。
[0070]电源层设计，尽可能考虑到会发生的极端情况。主电源12V输入做了完全隔离的设计，保证在出现电源故障时不会引起功能元器件烧毁。同时为了保护隔离电源自身不因为外界因素而损坏，在隔离电源的12V输入测增加了放电管做防雷保护，并且设置常规的滤波等手段防止浪涌与强电磁干扰经由电源12V输入口串入隔离电源内部。在极端情况下，隔离电源损坏导致电源输入端短路，会导致连通输入级的保险丝熔断切断整个回路，作为出现故障后防止短路的最终保护手段。
[0071]功能实现层设计，在实现数据采集暂存传输的基本功能的基础上，实现数据有限冗余和有限自侦错功能。
[0072]第二层的设计主要包含核心供电模块，主控MCU与实时钟(备用时钟供电系统)，两个带供电的传感器接口(带有电流输出监测和短路保护控制)，调试接口(3线串口，连接PC机，方便线下和现场调试与查看主控工作状态)，海量存储用TF存储卡(实现数据冗余)，通讯供电模块(适应不同的通讯模块的供电需求)，通讯模块转接板接口(更换通讯模块不更换二层主控，实现通讯模块的通用化)。设计中，所有的器件均采用工业级工作温度范围的产品(-40?80°C)，以保证在北方低温状态下的工作的稳定性。在二层硬件设计上考虑了故障自检，设立传感器输出接口的电流输出监测，可以通过工作电流的变化判断传感器链是否出现故障。由于有些传感器裸露在外，一旦短路会发生起火危险，在电流监测点系统可以立即侦测到短路现象，并在热量还未开始积累时强行切断传感器电源供给，保证安全。
[0073]第三层设计为通讯模块转接板，目前设计了 wifi通讯模块的接口转接板，主控MCU可以对wifi通讯模块采用异步串口控制，发送数据，工作稳定。wifi通讯模块带有IPX天线插座，在数据终端盒的壳体上的防水N天线插头转接为IPX插头，直接连接wifi通讯模块，可保证最小的信号衰减。
[0074]智能传感器开发
[0075]1、温湿度传感器
[0076]选用数字温湿度传感器SHT15测量环境温度和相对湿度，SHT15芯片是一款高度集成的温湿度传感器，提供全标定的数字输出，无需标定即可互换使用，具有卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点。
[0077]温湿度传感器SHT15的温度量程范围为_40°C?+120°C，测温精度为±0.3°C (环境温度为25 °C时)，重复率±0.1 °C，响应时间5?30S ;相对湿度量程范围O?100 % RH (相对湿度)，测湿精度为±2.0% RH，重复率0.1 % RH，响应时间4S。
[0078]温湿度传感器SHT15的测温精度为±0.3°C (环境温度为25°C时)，测湿精度为±2.
[0079]选用意法半导体公司生产的通用8位单片机stm8sl03f3p6作为传感器端控制器，定时从SHT15芯片端读取数据，从传感器中读出的数据并不是最终的结果，需要控制器对数据进行预处理，将数据整理成为最终的温度数据和湿度数据，等待主机端通过数据总线请求数据，将数据上传。
[0080]选用透气的塑料护套(如图)，并将制作好的传感器电路装入塑料护套中。塑料外壳可以对传感器进行一定程度的保护，同时又能保证传感器探头SHT15与外界环境有足够的接触。
[0081]2、照度传感器
[0082]照度传感器选用光强度数字转换芯片TSL2561。TSL2561是TAOS公司推出的一款高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光强度数字转换芯片，该芯片可广泛应用于各类显示屏的监控，目的是在多变的光照条件下，使得显示屏提供最好的显示亮度并尽可能降低电源功耗；还能够用于街道光照控制、安全照明等众多场合。该芯片的主要特点如下:可编程配置许可的光强度上下阈值，当实际光照度超过该阈值时给出中断信号；数字输出符合标准的I2C(TSL2561)总线协议；模拟增益和数字输出时间可编程控制；1.25mmXl.75mm超小封装，在低功耗模式下，功耗仅为0.75mff ;自动抑制50Hz/60Hz的光照波动。
[0083]TSL2561的内部结构和工作原理
[0084]TSL2561是第二代周围环境光强度传感器，其内部结构如图所示。通道O和通道I是两个光敏二极管，其中通道O对可见光和红外线都敏感，而通道I仅对红外线敏感。积分式A/D转换器对流过光敏二极管的电流进行积分，并转换为数字量，在转换结束后将转换结果存入芯片内部通道O和通道I各自的寄存器中。当一个积分周期完成之后，积分式A/D转换器将自动开始下一个积分转换过程。微控制器和TSL2561则可通过I2C总线协议访问。对TSL2561的控制是通过对其内部的16个寄存器的读写来实现的。
[0085]光强度数字转换芯片的数据采集以及处理任务依然选用通用8位单片机stm8sl03f3p6来完成，stm8单片机通过标准的I2C总线协议将数据从TSL2561中读出后对数据进行处理，经标定后计算得出传感器接收到的光强度信息。处理后的得到传感器数据范围为O?20000Lux，数据更新频率0.5秒/次。
[0086]将制作好的电路板固定在专用的嵌有透光小球的塑料盒中，透光小盒既能满足传感器在室外工作时防水、防尘等需求，又能保证透光。在整个传感器封装好之后再对传感器重新进行标定，以保证传感器的精度。
[0087]3、风速传感器
[0088]风速传感器选用三杯式脉冲型风速传感器探头JL-FS2，传感器及控制电路实物如图所示。
[0089]该风速传感器有效风速测量范围为O?30m/s，最小分辨率0.lm/s，启动风速为0.4?0.8m/s，传感器能够在-40°C?+80°C范围内稳定工作。
[0090]传感器输出类型为脉冲型，传感器内部有编码器，风杯每旋转过一个固定的角度就输出一个数字脉冲。本系统利用stm8单片机对传感器输出的脉冲进行捕捉，通过测量脉冲的周期得到风杯转动的频率，再由转动频率计算得出当前时刻的风速。单片机依然将采集到的风速信息暂存在内部RAM中，定时更新数据，同时等待主机请求数据，将数据上传。整个传感器功耗小于0.3W，接插件为防水航空插头，能够适应恶劣的外部环境。
[0091]太阳能供电系统
[0092]本系统在环境监测现场不能提供稳定供电时采用太阳能系统作为电源。
[0093]太阳能供电系统主要由太阳能电池板、智能充电控制器、铅酸蓄电池三部分组成。太阳能电池板的主要任务是在光照充足时收集太阳能，通过充电控制器为蓄电池充电。智能充电控制器通过不断调整充电电压，找到当前光照下输入功率最大的工作点，最大限度地提高太阳能充电的效率。在整个系统中，铅酸蓄电池直接为设备24小时提供12伏直流电源，保证系统长期稳定运行。蓄电池选用新型免维护铅酸蓄电池，寿命长，使用中无需添加电解液或蒸馏水。
[0094]在太阳能供电系统中，电池板的面积和蓄电池容量由现场光照情况和系统功耗决定。现场光照越弱或系统功耗越大，太阳能电池板的面积和蓄电池的容量就越大。
【权利要求】
1.一种建筑物理环境多参数自动检测系统，其特征是，分为传感器端、主机端、服务器端三部分；主机端负责从传感器端获取采集到环境数据，将得到的数据存储到本地TF卡中，并适时地将数据通过网络上传至服务器中，传感器为智能传感器，包括温湿度传感器、照度传感器、风速传感器；每个传感器中都配有8位单片机作为控制器并植入了标准Modbus工业总线的从机协议栈，主机端运行了一套精简的嵌入式操作系统，并植入了Modbus主机协议栈，与传感器互联；按照协议标准，总线上最多可以容纳255个从机，即一套系统最多能够悬挂255个传感器同时工作。
2.如权利要求1所述的建筑物理环境多参数自动检测系统，其特征是，数据终端盒结构为: 机械与外壳部分:成品壳体本身的防护标准为IP66 ； 数据终端盒共有5个接插件，包括N-天线插座一个，12V主电源输入一个，主传感器总线和副传感器总线各一个，命令调试与程序下载接口 一个，每个接插件都是免工具拆卸的； N天线插座接有wif i无线通讯模块，用以接驳中心频率2.4G的鞭状全向天线和平板定向天线； 壳体内部容纳实现功能的电路部分，电路板为三层结构，靠铜柱坚固链接，固定电路板时，为铸铝外壳底部设计了固定电路模块的加强筋，完成了电路板和壳体的相对固定并使得数据终端盒具备了一定的抗冲击性能； 电路板部分: 电路设计分两大部分，体现在电路板的电源层，与功能实现层； 电源层:在隔离电源的12V输入测增加了放电管做防雷保护，并且设置常规的滤波等手段防止浪涌与强电磁干扰经由电源12V输入口串入隔离电源内部； 功能实现层包括两层: 第一层的设计主要包含核心供电模块，主控MCU与实时钟，两个带供电的传感器接口，调试接口，海量存储用TF存储卡，通讯供电模块，通讯模块转接板接口，所有的器件均采用工业级工作温度范围的产品；在第一层设立传感器输出接口的电流输出监测，通过工作电流的变化判断传感器链是否出现故障； 第二层设计为通讯模块转接板，目前设计了 wifi通讯模块的接口转接板，主控MCU可以对wifi通讯模块采用异步串口控制，发送数据，；wifi通讯模块带有IPX天线插座，在数据终端盒的壳体上的防水N天线插头转接为IPX插头，直接连接wifi通讯模块。
3.如权利要求1所述的建筑物理环境多参数自动检测系统，其特征是，温湿度传感器具体为:选用数字温湿度传感器SHT15测量环境温度和相对湿度，选用8位单片机作为传感器端控制器，定时从SHT15芯片端读取数据，从传感器中读出的数据并不是最终的结果，需要控制器对数据进行预处理，将数据整理成为最终的温度数据和湿度数据，等待主机端通过数据总线请求数据，将数据上传。
4.如权利要求3所述的建筑物理环境多参数自动检测系统，其特征是，选用透气的塑料护套，并将制作好的传感器电路装入塑料护套中。
5.如权利要求1所述的建筑物理环境多参数自动检测系统，其特征是，照度传感器具体为:照度传感器选用光强度数字转换芯片；光强度数字转换芯片的数据采集以及处理任务依然选用通用8位单片机来完成；将制作好的电路板固定在专用的嵌有透光小球的塑料盒中。
6.如权利要求3所述的建筑物理环境多参数自动检测系统，其特征是，风速传感器选用三杯式脉冲型风速传感器探头；利用单片机对传感器输出的脉冲进行捕捉，通过测量脉冲的周期得到风杯转动的频率，再由转动频率计算得出当前时刻的风速；单片机依然将采集到的风速信息暂存在内部RAM中，定时更新数据，同时等待主机请求数据，将数据上传；整个传感器功耗小于0.3W，接插件为防水航空插头。
【文档编号】G01D21/02GK104482958SQ201410557424
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年10月20日 优先权日:2014年10月20日
【发明者】党睿, 刘刚, 刘邈, 刘哲, 雒琛, 赵国鑫, 蔡壮 申请人:天津大学