自主移动高精度无线热环境测量系统及方法
【专利摘要】本发明公开一种自主移动高精度无线热环境测量装置和利用该装置进行多点温度测量方法。所述的装置包括测点移动系统、多点温度测量和传输系统以及控制系统。多点温度测量系统测量通过布置在一根垂直杆上不同高度的温度传感器获得同一水平位置不同高度上的温度；测点移动系统用于移动多点温度测量系统进行室内不同位置的测量；控制系统用于协调各系统工作并记录下采集到的数据。
【专利说明】自主移动高精度无线热环境测量系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及测点移动系统、多点温度测量和传输系统以及控制和记录系统，尤其涉及测点自主移动，移动多点温度测量系统进行室内不同位置的测量以及控制和记录系统用于协调各系统工作并记录下采集到的数据。
【背景技术】
[0002]现阶段大空间建筑室内热环境测试一般采用热电偶、热电阻、电容式湿度传感器和热线风速仪等。在建筑室内环境的测量中由于测点较多，又相对分散，室内常伴有大功率用电器，这些不利因素对测量信号的传输带来严重的影响。数字信号传感器的高速发展为热环境的精确测量和信号远距离传输提供了新的途径，并取得一些成果，但研究的主要精力集中在传感器通信，以及无线传输方案、通信构架等电子技术层面。然而，其自身的工作电路对于传感器的测量也有影响。再加上通常会对测量元件增加一些保护套之类的保护措施，都直接影响到测量精度。针对风速的测量，运用热线风速仪存在两个问题:一、热线风速仪只能测量风速的大小，而实际上风速是三维的矢量，不能提供全部的风速信息；二、测量全室速度场时需要布置大量测点，导致了测线布置杂乱。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是:提出一种自主移动高精度无线热环境测量装置和利用该装置进行多点温度测量方法。所述的装置包括测点移动系统、多点温度测量和传输系统以及控制和记录系统。多点温度测量系统测量通过布置在一根垂直杆上不同高度的温度传感器获得同一水平位置不同高度上的温度；测点移动系统用于移动多点温度测量系统进行室内不同位置的测量；控制和记录系统用于协调各系统工作并记录下采集到的数据。
[0004]基于以上原因，本发明提出一种自主移动高精度无线热环境测量系统。设计了一种新的温湿度测试系统构架和硬件解决方案，并针对外围电路本身发热对测量系统工作的干扰以及外加保护措施对于传感器测量的影响进行了实验研究，分别提出了传感器与处理电路分开布置、软件拟合标定修正的改进方案；同时，为了解决大空间建筑热环境测试过程中，因需要布置很多测点来获得整个温度、速度场的分布，从而造成测试现场线路较多，影响到建筑的正常使用这一问题，引入绳牵引并联机器人结合上述的无线高精度温湿度、风速测量技术，实现对无线多测试点测杆进行精确移动、定位和测量。由于建筑热环境的变化时间通常以小时计量，可以使用多点逐次测量法来完成室内多点的测量。
[0005]为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现:
[0006]—种测点移动系统，包括多个伺服电机控制器、多个伺服电机、多个绞盘、多个支撑杆以及多根绳索，其特征在于:
[0007]所述多个支撑杆用于分别支撑所述多根绳索
[0008]所述多根绳索与多测点测杆连接于一个点
[0009]绞盘连接所述绳索；
[0010]伺服电机提供绞盘的动力；
[0011]伺服电机驱动器根据指令驱动伺服电机带动绞盘运行从而改变对应的绳索长短，最终驱动多测点测杆移动到待测位置。
[0012]如上所述的测点移动系统，其特征在于:无线采集传输模块位于多测点测杆上。
[0013]如上所述的测点移动系统，其特征在于:
[0014]该系统还包括卷筒，
[0015]所述绞盘直接连接绳索，将绳索缠绕在卷筒上。
[0016]一种无线环境测量系统，包括测点移动系统，无线传输传感器系统和控制装置，其特征在于:
[0017]所述无线传输传感器系统包括多测点测杆；
[0018]所述测点移动系统是所述权利要求1-3之一所述的测点移动系统。
[0019]如上所述的无线环境测量系统，其特征在于:
[0020]所述无线传输传感器系统还包括无线采集传输模块，多测点测杆测量的温度、风速、湿度之一或其组合通过该无线采集传输模块发送至控制装置。
[0021]如上所述的无线环境测量系统，其特征在于:
[0022]控制装置对测点移动系统进行监视并对运动数据进行计算，根据运动需要发送相应的指令。
[0023]如上所述的无线环境测量系统，其特征在于:该系统还包括总线耦合器，其为各个通信模块提供隔离通信的环境，并能够对信号起到滤波和放大的作用。
[0024]如上所述的无线环境测量系统，其特征在于:伺服电机驱动器根据指令驱动伺服电机到达相应的位置并监视电机的运行情况。
[0025]如上所述的无线环境测量系统，其特征在于:
[0026]该系统还包括记录系统，用于记录多测点测杆测量后通过该无线采集传输模块发送至控制装置的温度、风速和湿度数据。
[0027]—种无线环境测量方法，其使用如上之一所述的测点移动系统或如上之一所述的无线环境测量系统进行环境测量，其特征在于包括如下步骤:
[0028]根据需要到达的目标位置计算出对应所需的绳长，然后减去测点移动系统当前的各个绳长得到需要电机运动的圈数；
[0029]发出控制指令进入各个伺服电机驱动器；
[0030]伺服电机驱动器根据指令驱动电机和绞盘运行从而改变对应的绳索长短，最终驱动多测点测杆移动到需要测量的位置进行测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为本发明系统技术构架示意图；
[0032]图2为本发明为传感器节点硬件原理图；
[0033]图3为本发明为综合传输节点的原理图；
[0034]图4为本发明为终端节点硬件原理图；
[0035]图5为本发明为自主移动高精度无线热环境测量系统构架图；
[0036]图6为本发明为绳牵引并联机器人的系统搭建示意图。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
[0038]如图1所示，一种大空间建筑热环境高精度无线温湿度、黑球温度的测量系统的技术构架示意图。根据大空间测点布置特点，通过多个传感器节点与一条RS487总线相连组成一组有线式传输。由多组此类有线式传输通过各自的综合传输节点相连，终端节点依次向各个综合传输节点发送数据采集指令，各综合传输节点经无线通信接收到该指令后，将其保存的本身所处有线总线上的所有传感器节点温湿度实时数据打包发送到终端节点。终端节点再将这些数据汇总处理并上传到计算机。
[0039]如图2所示，传感器节点硬件原理:C8051F330单片机与SHT75传感器进行通信，单片机读取测量信息并对参数进行校正，由拨码开关设置地址码并将数据加上地址码通过MAX485传输到所处的数据总线上，并由MAX485总线芯片储存。
[0040]如图3所示，综合传输节点在整个系统中起到路由、转发和中间存储的作用，综合传输节点查询并记录总线上其他传感器的信息，并将这些信息打包通过Si4432适时发送到终端节点。
[0041]如图4所示，终端节点的硬件的原理:终端节点依次向各个综合传输节点发送数据采集指令，收集各个综合传输节点上的信息，最终经与上位的计算机高速通信接口通信并上传数据。
[0042]如图5所示，自主移动高精度无线热环境测量系统包括传感器移动系统，无线传输传感器系统和控制装置。其中传感器移动系统为绳牵引并联机器人的系统。控制计算机通过总线耦合器与多个伺服电机控制器相连并通信；多个伺服电机控制器分别控制多个伺服电机。控制计算机通过无线收发模块与无线传输传感器系统通信。运用绳牵引并联机器人使测点进行自主移动。传感器移动系统牵引无线传输传感器系统移动。
[0043]控制计算机对整个系统进行监视并对运动数据进行计算，根据运动需要发送相应的指令。总线耦合器为各个通信模块提供隔离通信的环境，并能够对信号起到滤波和放大的作用。伺服电机驱动器能够根据指令驱动伺服电机到达相应的位置并监视电机的运行情况。伺服电机提供绞盘的动力并能在停转时提供锁止。绞盘直接连接绳索，将绳索缠绕在卷筒上，同时也提供一个减速比减少电机的转矩要求。最终多测点无线温度测杆上测点、无线超声波风速传感器和无线温湿度测点通过无线收发模块传输至控制计算机。
[0044]所述测点移动系统通过控制计算机根据需要到达的目标位置计算出对应所需的绳长，然后减去系统当前的各个绳长得到需要电机运动的圈数。通过总线耦合器，控制指令进入各个伺服电机驱动器，伺服电机驱动器根据指令驱动电机和绞盘运行从而改变对应的绳索长短，最终牵引和驱动多测点测杆移动到需要测量的位置。
[0045]所述测点移动系统凭借优异的算法和精密电机驱动设备来移动和定位测点，移动区域可覆盖建筑空间内系统导线环与地面垂直投影点以内的任何位置，能够保证三维空间上的移动精度并且可以获得较高的测量精度。
[0046]采用局部有线式总线传输与总体无线总线通信相结合的两级构架，解决了大空间热环境测试时测点较多、相对分散，传感器信号要通过很长的导线才能接入到采集系统；电磁环境对测量信号的传输带来影响等问题。
[0047] 如图6所示，绳牵引并联机器人的系统中四根线与多测点测杆以及无线采集传输模块连接于一个点，每个线均处于张紧状态，通过调节四根绳子的长度就能够确定连接点的位置，也就确定了多测点测杆以及无线采集传输模块的位置。在本系统中，工作空间是四个支撑杆所对应的导线环垂直向下投影所形成的六面体空间，在这个空间中理论上任意一个点均可以到达，从而实现空间内任一点的测量。
【权利要求】
1.一种测点移动系统,包括多个伺服电机控制器、多个伺服电机、多个绞盘、多个支撑杆以及多根绳索，其特征在于: 所述多个支撑杆用于分别支撑所述多根绳索 所述多根绳索与多测点测杆连接于一个点 绞盘连接所述绳索； 伺服电机提供绞盘的动力； 伺服电机驱动器根据指令驱动伺服电机带动绞盘运行从而改变对应的绳索长短，最终驱动多测点测杆移动到待测位置。
2.如权利要求1所述的测点移动系统，其特征在于:无线采集传输模块位于多测点测杆上。
3.如权利要求1或2所述的测点移动系统，其特征在于: 该系统还包括卷筒， 所述绞盘直接连接绳索，将绳索缠绕在卷筒上。
4.一种无线环境测量系统，包括测点移动系统，无线传输传感器系统和控制装置，其特征在于: 所述无线传输传感器系统包括多测点测杆； 所述测点移动系统是所述权利要求1-3之一所述的测点移动系统。
5.如权利要求4所述的无线环境测量系统，其特征在于: 所述无线传输传感器系统还包括无线采集传输模块，多测点测杆测量的温度、风速、湿度之一或其组合通过该无线采集传输模块发送至控制装置。
6.如权利要求5所述的无线环境测量系统，其特征在于: 控制装置对测点移动系统进行监视并对运动数据进行计算，根据运动需要发送相应的指令。
7.如权利要求6所述的无线环境测量系统，其特征在于:该系统还包括总线耦合器，其为各个通信模块提供隔离通信的环境，并能够对信号起到滤波和放大的作用。
8.如权利要求7所述的无线环境测量系统，其特征在于:伺服电机驱动器根据指令驱动伺服电机到达相应的位置并监视电机的运行情况。
9.如权利要求5所述的无线环境测量系统，其特征在于: 该系统还包括记录系统，用于记录多测点测杆测量后通过该无线采集传输模块发送至控制装置的温度、风速和湿度数据。
10.一种无线环境测量方法，其使用如权利要求1 一 3之一所述的测点移动系统或权利要求4 一 9之一所述的无线环境测量系统进行环境测量，其特征在于包括如下步骤: 根据需要到达的目标位置计算出对应所需的绳长，然后减去测点移动系统当前的各个绳长得到需要电机运动的圈数； 发出控制指令进入各个伺服电机驱动器； 伺服电机驱动器根据指令驱动电机和绞盘运行从而改变对应的绳索长短，最终驱动多测点测杆移动到需要测量的位置进行测量。
【文档编号】G01D21/00GK104457826SQ201410777404
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】王昕 , 王欢, 秦俊, 槐晓强, 马静思, 史云 申请人:上海理工大学