一种基于NB-IOT的多能源互补广域环境监控系统的制作方法

本发明涉及大型区域的环境监测领域，特别适合作为大型小区或大型工业园区的环境监测系统。

背景技术：

随着我国工业化程度的不断提高，环境恶化的问题日渐突出。人们对于生存环境的重视程度和要求不断提高。当今世界，生态环境问题已成为全球普遍关注的问题。发达国家上百年工业化过程中分阶段出现的环境问题已在20多年里集中出现。环境问题不但会影响居民的生活水平，而且还容易造成工业园区的安全事故，对工人的人身安全以及国家的财产安全造成巨大的威胁。

目前的环境监控系统比较复杂、成本高、功耗大、能源供给不便利，不能够在大范围、大数量的布置在大型小区以及大型工业园区内。并且监测系统只有当环境参数超过阈值时进行报警，无法判断出污染源的方位。现有的环境监控系统因功耗大，常常因为获取能源方式单一或者是不方便而需要进行复杂地布线增加了系统的复杂性。在使用过程中常常因为需要升级或者加装传感器而要更换一整终端系统。因此我们提出了一种基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统，用来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统，用来解决目前其他环境监控系统网络覆盖范围小、远端设备不能海量连接、远端设备功耗大、能源获取不便利、更新或加装传感器需要更换整套设备等问题。

本发明提供了一种基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统，包括有运营商的云平台，其特征在于，还设置有：大屏幕数据测控中心、环境参数采集终端包括有环境参数采集模块、电源模块、nb-iot通讯模块、微处理器模块；环境参数采集模块连接微处理器模块用于实时采集环境信息并将其转换成电学信息，并发送给微处理器模块处理，nb-iot通讯模块连接微处理器模块，用于将环境参数采集模块采集的环境信息打包上传至运营商的云平台并将信息显示在大屏幕数据测控中心。

可选地，所述的微处理器模块控制环境参数采集模块和nb-iot通讯模块，用于根据的预设好的工作周期和工作方式进行运算处理。

可选地，所述的电源模块包括有无线传能接收器、风力发电机接口、太阳能电池板、12v大容量18650锂电池组、拨码连接模块、电源管理模块，用于为nb-iot通讯模块、环境参数采集模块和微处理器模块提供能源。

可选地，所述的环境参数采集模块包括温湿度传感器用于监测温湿度、风向传感器用于监测风速风向、pm2.5传感器用于监测pm2.5、二氧化氮传感器用于监测二氧化氮、二氧化硫传感器用于监测二氧化硫、臭氧传感器用于监测臭氧、空气质量传感器用于监测空气质量。

可选地，所述的拨码连接模块包括有太阳能电池板拨码开关，用于接通和切断太阳能电池板，风力发电机接口拨码开关，用于接通和切断风力发电机接口，无线传能接收器拨码开关，用于接通和切断无线传能接收器，并且太阳能电池板拨码开关、风力发电机接口拨码开关、无线传能接收器拨码开关的开关状态可以进行组合，为电源模块提供多种形式的供能方式。

可选地，所述的无线传能接收器包括有接收线圈，用于接收电能；电磁屏蔽，用于约束电磁场；无线传能接收器的接收线圈由涂有绝缘层的金属导线绕制而成，为四匝绕制结构，最小线圈直径为10厘米，每匝线圈紧密排列，线径为2平方厘米，能够实现4米距离的无线电能传输，传输距离与线圈直径比达到40∶1，用于在无风、无光的环境下为12v大容量18650锂电池组供电。

可选地，所述的无线传能接收器(8)的内匝引出线为蛇形绕制法，引出线从内测计数的第一、第三匝导线的上方通过，第二匝导线的下方通过，用于提高无线传能传出效率，减少高频干扰。

本发明通过提供了一种基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统，主要包括有运营商的云平台、大屏幕数据测控中心、环境参数采集终端包括有环境参数采集模块、电源模块、nb-iot通讯模块、微处理器模块；环境参数采集模块连接微处理器模块用于实时采集环境信息并将其转换成电学信息，并发送给微处理器模块处理，nb-iot通讯模块连接微处理器模块，用于将环境参数采集模块采集的环境信息打包上传至运营商的云平台并将信息显示在大屏幕数据测控中心；解决了现有的环境监控系统复杂、成本高、功耗大、能源供给不便利，不能够在大范围、大数量部署、更新换代费用高的问题。

附图说明

图1是基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统的示意图；

图2是基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统的工作流程图；

图3是基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统的电源模块示意图；

图4是基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统的电源模块电路结构示意图；

图5是基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统的无线传能接收器结构示意图；

图中：1是环境参数采集终端

2是环境参数采集模块

3是电源模块

4是nb-iot通讯模块

5是微处理器模块

6是运营商的云平台

7是大屏幕数据测控中心

8是无线传能接收器模块

9是风力发电机接口模块

10是太阳能电池板模块

11是电源管理模块

12是12v大容量18650锂电池组。

13是拨码连接模块

21是空气质量传感器

22是臭氧传感器

23是二氧化硫传感器

24是二氧化氮传感器

25是pm2.5传感器

26是风向传感器

27是温湿度传感器

81是电磁屏蔽层

82是接收线圈

131是太阳能电池板拨码开关

132是风力发电机接口拨码开关

133是无线传能接收器拨码开关

具体实施方式

现在通过结合具体实施方式以及附图的方法对本发明做出进一步解释和说明。

图1是基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统的功能框图。从图1中可以看出，本发明适用于大型小区或大型工厂的nb-iot环境监控系统包括：运营商的云平台6，其特征在于，还设置有：大屏幕数据测控中心7、环境参数采集终端1包括有环境参数采集模块2、电源模块3、nb-iot通讯模块4、微处理器模块5；环境参数采集模块2连接微处理器模块5用于实时采集环境信息并将其转换成电学信息，并发送给微处理器模块5处理，nb-iot通讯模块4连接微处理器模块5，用于将环境参数采集模块2采集的环境信息打包上传至运营商的云平台6并将信息显示在大屏幕数据测控中心7。同时终端设备的能源来源可以选择太阳能电池板、风力发电装置、无线传能装置形成多能源互补的能源供应方式，多能源互补的能源供应方式极大的提高了设备的供电可靠性和工作周期。

图2是基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统的工作流程图。本发明适用于大型小区或大型工厂的nb-iot环境监控系统包括：微处理器模块5控制环境参数采集模块2和nb-iot通讯模块4，用于根据的预设好的工作周期和工作方式进行运算处理。上述实施例中的各个模块可以通过图2所示的方式进行配合，有序工作，环境参数采集终端启动时，环境参数采集模块2、微处理器模块5、nb-iot通讯模块4分别进行初始化设置，设定工作模式和工作周期。初始化后传感器根据设定频率不断获取环境信息，待微处理器模块设定的休眠时间结束，单片机被唤醒后，开始接收环境信息，并对环境信息进行解析处理，完成后将其暂时储存在与单片机相连的iic储存器中。而后等待nb-iot通讯模块4进入工作模式后，nb-iot通讯模块4从iic储存器中读取信息并将环境信息发送到运营商的云平台6。微处理器模块5包括的主控制器为stm32f103rct6主控芯片、iic储存模块为24lc04存储器，当所述主控芯片初始化完成后，定时器开启，设定预定的工作周期时间。当stm32f103rct6主控芯片结束数据处理和数据收发时，主控芯片进入低能耗模式(睡眠状态)以降低能耗。iic储存模块用于暂时存储环境采集信息以及主控制器处理后的信息，以便stm32f103rct6主控芯片与nb-iot通讯模块工作时调用。nb-iot通讯模块4为bc95-b5模块，当所述nb-iot模块完成初始化设置后，会进入connect(连接)模式下等待接收与发送数据，经过一段时间未检测到数据则会进入idle(空闲)模式，再经过一段时间不进行数据处理和数据收发时，nb-iot模块进入psm休眠模式。而在psm模式下，相当于关机状态，终端与网络几乎失联，但终端仍然注册在网络中。只有当设定的周期性定时器超时或者接收到异常信号时，才会退出psm模式进入connect模式。

图3是基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统的电源模块示意图。本发明适用于大型小区或大型工厂的nb-iot环境监控系统包括：电源模块3包括有无线传能接收器8、风力发电机接口9、太阳能电池板10、12v大容量18650锂电池组12、拨码连接模块13、电源管理模块11，用于为nb-iot通讯模块4、环境参数采集模块2和微处理器模块5提供能源。拨码连接模块13包括有太阳能电池板拨码开关131，用于接通和切断太阳能电池板10，风力发电机接口拨码开关132，用于接通和切断风力发电机接口9，无线传能接收器拨码开关133，用于接通和切断无线传能接收器，并且太阳能电池板拨码开关131、风力发电机接口拨码开关132、无线传能接收器拨码开关133的开关状态可以进行组合，为电源模块3提供多种形式的供能方式。无线传能接收器8为四匝绕制结构，最小线圈直径为10厘米，每匝线圈紧密排列，线径为2平方厘米，能够实现4米距离的无线电能传输，传输距离与线圈直径比达到40∶1。该系统可以简化了充电过程，拓展了一种基于nb-iot的广域环境监控系统的环境适应性；风力发电机接口9、太阳能电池板10的输出电压均为12v直流电，可以为12v大容量18650锂电池组12进行充电；根据环境参数采集终端部署位置的自然资源可以选择太阳能、风能、无线传能其中一种或者多种作为能量来源，从而形成多能源互补的能源供应方式，作为电能储存介质的12v大容量18650电池组具有容量高、循环周期次数高等特点，从而进一步提了高采集终端的供电可靠性。

图4是基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统的微处理器模块电路结构示意图。上述实施例中的电源模块3，可以通过图4所示的电路结构进行设计。电源模块3电路主要以ap2953a、asm1117-3.3为主控芯片。由18650电池组输出的12vdc电源，经220uf滤波电容与ap2953a芯片的第二引脚相连，再经过ap2953a芯片后从第三引脚经10uh/4a电感、1n4148二极管输出5vdc电源。5vdc电源与asm1117-3.3芯片的第三引脚相连。从asm1117-3.3芯片的第2引脚经220uf电解电容和100nf电容后输出3.3vdc电源。

图5是基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统的无线传能接收器结构示意图。上述实施例中的无线传能接收器模块8，可以通过图5所示的电路结构进行设计。无线传能接收器8包括的接收线圈82内匝引出线为蛇形绕制法，引出线从内测计数的第一、第三匝导线的上方通过，第二匝导线的下方通过，用于提高无线传能传出效率，减少高频干扰。

本发明适用于大型小区或大型工厂的nb-iot的多能源互补广域环境监控系统包括：环境参数采集模块2包括温湿度传感器27用于监测温湿度、风向传感器26用于监测风速风向、pm2.5传感器25用于监测pm2.5、二氧化氮传感器24用于监测二氧化氮、二氧化硫传感器23用于监测二氧化硫、臭氧传感器22用于监测臭氧、空气质量传感器21用于监测空气质量。环境参数采集模块2用于各类环境信息参数的采集，并将其转换为电学信号，环境传感器均设有独立的通用的插拔式接口，方便传感器的更新换代，而不需更换整套终端装置。

综合以上所述，本发明是一种基于nb-iot的多能源互补广域环境监控系统，设计简单，控制可靠，成本低，安全性高，性能稳定，可以对环境进行有效的监控和预警。通过环境参数采集模块连接微处理器模块用于实时采集环境信息并将其转换成电学信息，并发送给微处理器模块处理，nb-iot通讯模块连接微处理器模块，用于将环境参数采集模块采集的环境信息打包上传至运营商的云平台并将信息显示在大屏幕数据测控中心。同时终端设备的能源来源可以通过太阳能电池板、风力发电装置、无线传能装置形成多能源互补的能源供应方式，极大的提高了设备的供电可靠性和工作周期。解决了现有的环境监控系统复杂、成本高、功耗大、能源供给不便利，不能够在大范围、大数量部署、更新换代费用高的问题。