一种可漂浮的基于物联网的pm2.5监测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型具体公开一种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置，由气球、风筝线、线轮和采集器组成，气球通过尼龙绳连接在采集器顶端挂钩上，线轮通过风筝线连接在采集器底端挂钩上；采集器由外壳及设在外壳内的3.7V锂离子电池、主控电路板、PM2.5传感器及风扇组成，主控电路板包括核心控制电路、GPS/BDS双模电路、联网电路、气压传感器电路、温湿度一体化传感器电路、电源管理电路、电池电量计电路以及锂电池保护电路，PM2.5传感器通过导线连接在主控电路板上并通过双向UART总线与核心控制电路连接。本实用新型可将采集结果包括PM2.5等一系列数据传输至网络，实现PM2.5数据的联网检测。
【专利说明】
—种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电子与通信领域，特别是涉及一种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置。
【背景技术】
[0002]现有PM2.5监测系统主要工作于固定监测站内，无法移动，因此监测结果只能表征某一点的PM2.5数据，具有片面性。现有PM2.5监测系统无法离开地面飞起来，因此只能测试接近地表的PM2.5数据，难以得到接近真实的数据。除此之外，现有PM2.5监测系统需要使用市电供电，能耗很大，不符合现代低功耗与环保的要求。
[0003]现有PM2.5监测系统数据更新流程十分繁琐，因而同步周期长，实时性差，有的系统甚至需要人工抄表操作，与互联网应用难以实现对接。
实用新型内容
[0004]本实用新型目的在于提供一种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置，该监测装置可以将采集结果(包含PM2.5、高度、经纬度、温度、湿度、时间、电池电量和仪器标识等一系列数据)传输至网络，实现PM2.5数据的联网检测。
[0005]本实用新型采用的技术解决方案是:
[0006]一种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置，包括I?10个气球、风筝线、线轮和采集器，所述采集器包括外壳，所述外壳外侧壁上设有顶端挂钩和底端挂钩，所述气球通过尼龙绳连接在所述顶端挂钩上，所述线轮通过所述风筝线连接在所述底端挂钩上，所述风筝线缠绕设置在所述线轮上且可向外延伸；
[0007]所述外壳内部设有3.7V锂离子电池、与所述3.7V锂离子电池连接的主控电路板、PM2.5传感器以及设在所述PM2.5传感器上方的风扇，所述主控电路板上设有由FR4材质印刷电路板及设置在所述印刷电路板上的电子元件组成的核心控制电路、GPS/BDS双模电路、联网电路、气压传感器电路、温湿度一体化传感器电路、电源管理电路、电池电量计电路以及锂电池保护电路，所述PM2.5传感器通过导线连接设置在所述主控电路板的右下方位置并通过双向UART总线与所述核心控制电路连接；
[0008]所述核心控制电路包括单片机、RTC电池及其外围电子元件，所述核心控制电路设置在所述外壳内靠近底端挂钩的位置上，用于指挥气压传感器、温湿度一体化传感器以及所述PM2.5传感器采集数据，处理基本的运算与业务逻辑，处理通信逻辑，处理用户交互逻辑；
[0009]所述GPS/BDS双模电路包括GPS/BDS双模集成模块及GPS/BDS专用陶瓷天线，所述GPS/BDS双模电路设置在所述PM2.5传感器的左上方，并通过双向UART总线与所述核心控制电路连接并交换数据，用于采集经纬度、海拔、速度、卫星标准时间；
[0010]所述联网电路包括集成通信模块、通信用陶瓷天线以及SM卡或ΠΜ卡，所述联网电路设置在所述核心控制电路的上方，并通过双向UART总线与所述核心控制电路连接并交换数据，用于实现所述采集器与互联网连接并实现与服务器双向通信；
[0011]所述气压传感器电路设置在所述核心控制电路和所述PM2.5传感器之间，并通过双向I2C总线与所述核心控制电路连接，用于采集大气压强数据；
[0012]所述温湿度一体化传感器设置在所述气压传感器的下方，并通过双向I2C总线与所述核心控制电路连接，用于同时采集温度与湿度数据；
[0013]所述电源管理电路包括设置在所述外壳内部的开关电源电路和锂电池综合管理电路、以及设置在所述外壳外侧壁上的电源开关，所述开关电源电路设置在所述联网电路的左方，所述锂电池综合管理电路设置在所述开关电源电路的下方，所述电源管理电路通过单向GP1数字信号线与所述核心控制电路连接，用于采集器的物理开机、物理关机、低电量关机、软件关机以及提供稳压电源；
[0014]所述锂电池保护电路设置在所述PM2.5传感器的右上方、所述GPS/BDS双模电路的右方，并通过单向GPTO数字信号线与所述核心控制电路连接，用于实现对3.7V锂离子电池的全面保护；
[0015]所述电池电量计电路设置在所述GPS/BDS双模电路和所述锂电池保护电路之间，并通过双向I2C总线与所述核心控制电路连接，用于采集电池电量数据。
[0016]优选地，所述联网电路为GSM模块电路、WCDMA模块电路、CDMA2000模块电路或TD-SCDMA模块电路中的一种。
[0017]优选地，所述气球为氢气球或氦气球。
[0018]优选地，所述尼龙绳的长度为1cm?50cm。
[0019]优选地，所述印刷电路板上设有四个安装孔，用于固定所述印刷电路板在所述外壳上。
[0020]优选地，所述印刷电路板上还设有两个定位槽。
[0021]优选地，所述印刷电路板上还设有三个隔热槽，所述隔热槽的宽度范围为Imm?3mm ο
[0022]优选地，所述电源管理电路还包括凸出设置在所述外壳外侧壁的电源接口、工作指示灯和Mini USB接口，所述Mini USB接口包括DM引脚和DP引脚，所述DM引脚和所述DP引脚与所述核心控制电路连接并通过USB总线协议通信，所述3.7V锂离子电池设置在所述外壳内部靠近所述电源接口和所述Mini USB接口的位置。
[0023]在上述技术方案中,气球优选为氢气球或氦气球，用于为米集器提供向上的升力，风筝线及其线轮控制采集器的上下运动。采集器内部的电路不仅实现PM2.5、高度、经纬度、温度、湿度、时间、电池电量和仪器标识这一系列数据的采集，而且实现数据的处理、通信与同步。
[0024]其中，采集器通过3.7V锂离子电池提供电源；通过电源管理电路可以在地面为锂离子电池充电；通过锂电池保护电路为锂离子电池提供充电与放电时的过充、过放及过流保护；电池电量计电路与电源管理电路配合实现采集器的物理开机、物理关机、低电量关机、软件关机，同时电池电量计可以实现电池电量数据的采集；通过核心控制电路实现所有模块的控制与数据的处理，并且单片机内部本身存储全球唯一的仪器标识数据，且具有RTC实时时钟，可以实现时间数据的采集；通过联网电路(GSM/WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMA模块电路中的一种)实现接入互联网传输数据；通过GPS/BDS双模电路实现经纬度数据采集；通过PM2.5传感器实现PM2.5数据采集；通过气压传感器电路实现大气压强数据采集；通过单片机结合大气压强数据与经纬度数据进行查表运算，可以得到高度数据；通过温湿度一体化传感器电路，得到温度与湿度数据。
[0025]本实用新型与现有相同产品相比，能够实时采集GPS (全球定位系统)/BDS (北斗系统)地理位置信息，可以不必工作于固定监测站内，便携性好。实用新型可以离开地面飞起来，可以采集到不同高度的PM2.5数据，反映的数据情况更真实，对于居住在高层的人有参考意义。本实用新型功耗更低，可以直接使用电池供电，符合节能环保理念。本实用新型可以直接与云服务器对接，将数据实时传输到服务器，免去人力成本，实时性好。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1为本实用新型结构示意图；
[0027]图2为本实用新型中的采集器结构示意图；
[0028]图3为本实用新型主控电路板俯视图及PM2.5传感器装配图；
[0029]图4为主控电路板主视图及电池、PM2.5传感器和风扇装配图；
[0030]图5为主控电路板左视图及电池装配图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合附图对本实用新型作进一步说明:
[0032]本实施例提供一种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置，其基本构造请参见附图1，由I至10个(优选5个)气球2通过长度为10至50cm的尼龙绳4连接于采集器I的顶端挂钩6上，缠绕于线轮3上的风筝线5的一端连接于采集器I的底端挂钩7上。由此，本监测装置可以通过操作者对风筝线及其线轮的控制实现采集器的上下运动和自由漂浮。所述气球优选为氢气球或氦气球，用于为米集器I提供向上的升力。
[0033]米集器I的构造参见附图2,最外层是外壳10。外壳10上方具有顶端挂钩6,外壳10下方具有底端挂钩7。外壳10上可见电源开关13、工作指示灯14、Mini USB接口 17与电源接口 15。其中外壳10内包含3.7V锂离子电池12、FR4材质印刷电路板16以及附着在上面的电子元件所构成的主控电路板、PM2.5传感器114以及设置在PM2.5传感器上方的风扇1141。其中外壳10起到保护作用，3.7V锂离子电池12为本监测装置提供电源，所述主控电路板与所述3.7V锂离子电池12连接，所述3.7V锂离子电池设置在所述外壳内部靠近所述电源接口和所述Mini USB接口的位置。外壳10上布满半径为2mm的通风孔，与外壳10内部的风扇共同起到散热的作用。
[0034]主控电路板俯视图及装配图参见附图3、附图4、附图5，其中主控电路板的基底是FR4材质印刷电路板16，它为各模块单元之间提供电气连接。FR4材质印刷电路板实为阻燃型覆铜箔环氧玻璃布层压板。FR4材质印刷电路板16上具有4个安装孔161，用于固定在外壳10上。FR4材质印刷电路板16上具有2个定位槽162，用以防止实施时装反。FR4材质印刷电路板16上具有3个隔热槽1161，其宽度范围为Imm到3mm，用于防止主控电路板的热量传递到温湿度一体化传感器电路116干扰测量。
[0035]主控电路板上包含的主要电路单元有核心控制电路111、GPS/BDS双模电路112、联网电路113、气压传感器电路115、温湿度一体化传感器电路116、电源管理电路117、电池电量计电路1171、锂电池保护电路118。而PM2.5传感器114为外置模块，通过导线连接在主控电路板上。
[0036]其中，核心控制电路111为主控电路板的主要控制单元，设置在所述外壳10内靠近底端挂钩7的位置上，用于指挥所有传感器采集数据，处理基本的运算与业务逻辑，处理通信逻辑，处理用户交互逻辑，它控制所有的电路单元。核心控制电路111主要包括单片机1110、RTC电池1111以及其外围电子元件。其中单片机1110内部包含唯一 ID存储器和RTC实时时钟。唯一 ID存储器用于存储采集器I的全球唯一 ID，它是识别仪器身份的重要数据，出厂后不可更改。RTC实时时钟提供与世界标准时间同步的实时时间数据。即使在3.7V锂离子电池12电力耗尽时，所有模块都停止工作，只要RTC电池1111存在，RTC实时时钟就能继续计时。
[0037]GPS/BDS双模电路112主要用以采集经纬度、海拔、速度、卫星标准时间，其中经纬度数据可用于定位本监测装置，卫星标准时间可用来校准RTC实时时钟。GPS/BDS双模电路112包含6?5/^^双模集成模块1120以及GPS/BDS专用陶瓷天线1121，用以接收卫星信号。GPS/BDS双模电路112设置在所述PM2.5传感器114的左上方，并通过双向的UART总线与核心控制电路111连接并交换数据。
[0038]联网电路113可以是GSM模块电路或WCDMA模块电路或CDMA2000模块电路或TD-SCDMA模块电路中的一种，用以实现采集器I与互联网的连接，并实现与服务器双向通信，上载数据信息(包PM2.5、高度、经纬度、温度、湿度、时间、电池电量和仪器标识这一系列数据)，并下载控制信息与查表信息(包含气压-高度对应关系表)。联网电路113包含集成通信模块1130、通信用陶瓷天线1131以及SM卡或ΠΜ卡1132，用于和服务器通信。该电路可以连接服务商(ISP)并实现互联网连接业务。联网电路113设置在所述核心控制电路111的上方，并通过双向UART总线与所述核心控制电路111连接并交换数据。
[0039]PM2.5传感器114是采集器I的核心模块，用于采集空气中的PM2.5值。该模块设置在所述主控电路板的右下方位置，并通过双向的UART总线连接核心控制电路111，核心控制电路可直接通过总线数据获得PM2.5的数据。同时PM2.5传感器114通过单向的模拟信号线将PM2.5值对应的电压信号传送至核心控制电路111，核心控制电路111可通过数字/模拟转换获得PM2.5值。另外PM2.5传感器114通过单向的GP1数字信号线将PM2.5颗粒脉冲传递给核心控制电路111，核心控制电路111可用外部中断或计数器统计PM2.5颗粒数量。
[0040]气压传感器电路115用以采集大气压强数据，由于通过GPS/BDS模电路112得到的海拔数据精度不高，所以使用大气压强数据与云服务器协作查表获得当地大气压强对应的精确高度数据。气压传感器电路115设置在所述核心控制电路111和所述PM2.5传感器114之间，并通过双向的I2C总线连接核心控制电路111，通过I2C协议实现大气压强数据的传输。
[0041 ] 温湿度一体化传感器电路116可以同时采集温度与湿度数据，设置在所述气压传感器115的下方，并通过双向的I2C总线连接核心控制电路111，通过12C协议将温度、湿度数据传输到核心控制电路111。温度数据与湿度数据用来通过查表法校准其他传感器模块的数据误差。
[0042]电源管理电路117用以实现采集器I的物理开机、物理关机、低电量关机、软件关机，同时为所有电路模块提供3.3V与5V稳压电源。电源管理电路117内部包含开关电源电路1172、锂电池综合管理电路1173、电源开关13、工作指示灯14、Mini USB接口 17与电源接口 15。其中电源开关13、工作指示灯14、Mini USB接口 17与电源接口 15安装于FR4材质印刷电路板16上并凸出设置在所述外壳10的外侧壁，而开关电源电路1172和锂电池综合管理电路设置于所述外壳10内部。开关电源电路1172使用Buck拓扑结构降压，用以提供各个电路模块所使用的3.3V稳压电源，锂电池综合管理电路1173使用Buck-Boost拓扑结构升降压，用以实现锂离子电池12充电并提供各个电路模块所使用的5V开关电源。其中电源开关13、工作指示灯14由电源管理电路117与核心控制电路111共同管理，使用电源开关13可以控制电源管理电路117实现开关机。工作指示灯14具有红、绿、蓝三色，用以指示电路系统的工作状态。Mini USB接口 17与电源接口 15可以实现外部供电，用户可以连接外接电源通过电源管理电路117为3.7V锂离子电池12充电。同时Mini USB接口17为通信接口，其DM与DP引脚与核心控制电路111直接相连，通过USB总线协议通信。所述开关电源电路1172设置在所述联网电路113的左方，所述锂电池综合管理电路1173设置在所述开关电源电路1172的下方，所述电源管理电路117通过单向的GP1数字信号线连接核心控制电路111，向核心控制电路111发送中断信号。
[0043]电池电量计电路1171实现电池电量数据的采集。电池电量计电路1171设置在所述GPS/BDS双模电路和所述锂电池保护电路之间，并通过双向的I2C总线连接核心控制电路111，通过I2C协议实现电源状态、电池电量相关数据的传输。
[0044]锂电池保护电路118实现对3.7V锂离子电池12的全面防护，例如过充电保护、过放电保护以及过流保护，保证整个装置的安全性和可靠性。锂电池保护电路118设置在所述PM2.5传感器的右上方、所述GPS/BDS双模电路的右方，并通过单向的GP1数字信号线与核心控制电路111连接，用以反馈电池保护状态。
[0045]本实用新型具体实施时，应当保证本实用新型监测装置中的3.7V锂离子电池已经充满，使用的地点信号良好，以便本监测装置可以正常连接互联网。启动本监测装置之前，应当在室外开阔场所，先将采集器I与线轮3上的风筝线5连接，然后将气球2与采集器I连接，使采集器I可以克服重力向上漂浮。然后启动采集器I电源后，缓慢放风筝线5，使采集器I漂浮并升空。此时采集器I进入工作状态，通过核心控制电路111控制所有电路模块，开始采集数据并联网。
[0046]本实用新型不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本实用新型的启示下作出的结构变化，凡是与本实用新型具有相同或相近的技术方案，均落入本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置，包括1?10个气球、风筝线、线轮和采集器，其特征在于，所述采集器包括外壳，所述外壳外侧壁上设有顶端挂钩和底端挂钩，所述气球通过尼龙绳连接在所述顶端挂钩上，所述线轮通过所述风筝线连接在所述底端挂钩上，所述风筝线缠绕设置在所述线轮上且可向外延伸； 所述外壳内部设有3.7V锂离子电池、与所述3.7V锂离子电池连接的主控电路板、PM2.5传感器以及设在所述PM2.5传感器上方的风扇，所述主控电路板上设有由FR4材质印刷电路板及设置在所述印刷电路板上的电子元件组成的核心控制电路、GPS/BDS双模电路、联网电路、气压传感器电路、温湿度一体化传感器电路、电源管理电路、电池电量计电路以及锂电池保护电路，所述PM2.5传感器通过导线连接设置在所述主控电路板的右下方位置并通过双向UART总线与所述核心控制电路连接； 所述核心控制电路包括单片机、RTC电池及其外围电子元件，所述核心控制电路设置在所述外壳内靠近底端挂钩的位置上； 所述GPS/BDS双模电路包括GPS/BDS双模集成模块及GPS/BDS专用陶瓷天线，所述GPS/BDS双模电路设置在所述PM2.5传感器的左上方，并通过双向UART总线与所述核心控制电路连接并交换数据； 所述联网电路包括集成通信模块、通信用陶瓷天线以及SIM卡或UIM卡，所述联网电路设置在所述核心控制电路的上方，并通过双向UART总线与所述核心控制电路连接并交换数据； 所述气压传感器电路设置在所述核心控制电路和所述PM2.5传感器之间，并通过双向I2C总线与所述核心控制电路连接； 所述温湿度一体化传感器设置在所述气压传感器的下方，并通过双向I2C总线与所述核心控制电路连接； 所述电源管理电路包括设置在所述外壳内部的开关电源电路和锂电池综合管理电路、以及设置在所述外壳外侧壁上的电源开关，所述开关电源电路设置在所述联网电路的左方，所述锂电池综合管理电路设置在所述开关电源电路的下方，所述电源管理电路通过单向GP1数字信号线与所述核心控制电路连接； 所述锂电池保护电路设置在所述PM2.5传感器的右上方、所述GPS/BDS双模电路的右方，并通过单向GP1数字信号线与所述核心控制电路连接； 所述电池电量计电路设置在所述GPS/BDS双模电路和所述锂电池保护电路之间，并通过双向I2C总线与所述核心控制电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置，其特征在于，所述联网电路为GSM模块电路、WCDMA模块电路、CDMA2000模块电路或TD-SCDMA模块电路中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置，其特征在于，所述气球为氢气球或氦气球。
4.根据权利要求1所述的一种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置，其特征在于，所述尼龙绳的长度为10cm?50cm。
5.根据权利要求1所述的一种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置，其特征在于，所述印刷电路板上设有四个安装孔，用于固定所述印刷电路板在所述外壳上。
6.根据权利要求1所述的一种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置，其特征在于，所述印刷电路板上还设有两个定位槽。
7.根据权利要求1所述的一种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置，其特征在于，所述印刷电路板上还设有三个隔热槽，所述隔热槽的宽度范围为Imm?3mm。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种可漂浮的基于物联网的PM2.5监测装置，其特征在于，所述电源管理电路还包括凸出设置在所述外壳外侧壁的电源接口、工作指示灯和Mini USB接口，所述Mini USB接口包括DM弓I脚和DP引脚，所述DM弓I脚和所述DP引脚与所述核心控制电路连接并通过USB总线协议通信，所述3.7V锂离子电池设置在所述外壳内部靠近所述电源接口和所述Mini USB接口的位置。
【文档编号】G01W1/08GK204154914SQ201420479431
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年8月18日 优先权日:2014年8月18日
【发明者】纪亚萍, 许存禄, 金龙, 黄锐 申请人:兰州大学