一种野外环境数据串组无线采集设备及野外环境数据采集系统的制作方法

1.本发明属于农业监测领域，特别涉及一种野外环境数据串组无线采集设备及野外环境数据采集系统。


背景技术：

2.在农业生产过程中，种植环境的土壤温度、土壤湿度、土壤水势、空气温度湿度等环境数据具有重要的价值。然而现有的种植环境监测手段落后，通常采用固定设站的方式对环境数据进行单点监测，这种监测方式仅能覆盖较小的面积，成本较高，需要一定的部署成本。这种单机测量得到的数据难以应用，各单机测量得到的数据通常存在测量时间不一致、数据丢失等问题，在应用过程中需要付出大量成本清洗数据，剔除异常值，
3.此外，现有的单机测量方案需要采用有线或无线的方式将数据上传至云端服务器。有线通信的成本过高，而现有的无线通信方式需要为每一台测量设备配备通信终端，采用3g或4g通信制式的终端需要固定的月租费用，且功耗较高。对于采用3g或3g的终端还需要配备牢固的外壳，以防止sim卡被盗用。这些原因使得传统的单机测量方案难以大规模推广，无法形成数据量的优势。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种野外环境数据串组无线采集设备及野外环境数据采集系统，该系统通过将多个设备星型组网，并由星型网络中心的网关终端将各设备采集的数据汇总上传，解决了现有技术中单机测量方案存在的问题。
5.本发明的技术方案是，一种野外环境数据串组无线采集设备，其包括：
6.终端设备，其防水壳体内部设置有控制器以及与所述控制器连接的通信模块；所述通信模块包括无线发射单元；
7.环境数据检测探头，与所述终端设备通过线缆连接；
8.所述终端设备的壳体上设置有充电接口，所述终端设备通过所述充电接口与太阳能电池板和/或外界电源连接充电。
9.本发明的进一步改进在于，所述通信模块采用的通信协议包括zigbee、lora、蓝牙、wifi中的一种或多种的组合。
10.本发明的进一步改进在于，所述终端设备中设置有电池以及电源管理模块；所述电源管理模块分别与所述电池、所述充电接口连接，并向终端设备中的各有源器件以及所述环境数据检测探头供电。
11.本发明的进一步改进在于，所述环境数据检测探头上集成的传感器包括土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤水势传感器中的一种或多种的组合。
12.本发明的进一步改进在于，所述终端设备安装有移动网络模块时作为网关终端，通过其自身的通信模块与其他终端设备通信连接，并通过所述移动网络模块与服务器通信
连接；
13.在所述网关终端中所述移动网络模块与所述控制器连接，所述移动网络模块所采用的通信制式包括2g、3g、4g、5g中的一种或多种的组合。
14.本发明的进一步改进在于，所述终端设备的防水壳体内部设置有数据存储器，用于暂存环境数据检测探头所检测的环境数据。
15.本发明的实施例还提供一种野外环境数据采集系统，其包括：
16.多个上述的野外环境数据串组无线采集设备，其中至少一个所述野外环境数据串组无线采集设备的终端设备安装有移动网络模块并作为网关终端；所述网关终端与其他所述野外环境数据串组无线采集设备的终端设备通过自身的通信模块进行组网以获取各所述野外环境数据串组无线采集设备的检测数据以及状态信息；
17.云端服务器，与所述网关终端通信连接，用于接收并存储其获取的检测数据以及状态信息；
18.用户终端，用于从所述云端服务器获取检测数据并进行展示。
19.本发明的进一步改进在于，所述网关终端与其他所述野外环境数据串组无线采集设备的终端设备采用星形组网的方式通信连接。
20.本发明的进一步改进在于，所述网关终端每隔预定时间依次从其他所述野外环境数据串组无线采集设备的终端设备获取环境数据，环境数据获取失败时对相应的终端设备进行掉线重连。
21.本发明的进一步改进在于，所述云端服务器对所述网关终端上传的环境数据进行分类，按照区域、作物种类、时间顺序生成数据表；并响应于用户终端的请求向用户终端发送相应的走势图或报表；
22.所述云端服务器对环境数据进行筛选，当环境数据出现缺失或超过异常值时，向相应用户终端发出警示信息。
23.本发明的有益效果为：
24.1)通过终端设备进行星型组网，可使得各设备检测到的数据汇集到配备有移动网络模块的网关终端，并通过4g网络上传到服务器；这种方式可以避免每个终端设备均配备高成本的移动网络模块，降低了成本以及功耗，提高了设备终端的续航时间；
25.2)本发明的野外环境数据采集系统可以采集多种环境因子数据，可以在田间长时间服务；这使得本系统可在同一个位置连续的监控，持续监控时间可达半年以上，一般可覆盖作物的整个生育期。
26.3)在数据分析后台上，数据分析展示功能更完善更强大，数据缺失或者异常的报警提示功能等，增强了运维的便利性；数据异常可以及时发现并修正，提高了数据质量，使得数据可以反映出更深刻的环境规律。
附图说明
27.图1是野外环境数据串组无线采集设备的立体视图；
28.图2是终端设备的原理框图；
29.图3是野外环境数据采集系统的原理图。
具体实施方式
30.如图1、2所示，本实施例提供一种野外环境数据串组无线采集设备，每个野外环境数据串组无线采集设备可独自采集所处地区的环境数据，并与其他的野外环境数据串组无线采集设备组网，通过其中的网关终端将数据上传。
31.每个野外环境数据串组无线采集设备包括：终端设备10、环境数据监测探头20。环境数据监测探头20集成了多种传感器，可埋设在地下，通过线缆与终端设备10连接。终端设备10具有防水壳体，防水壳体的内部设置有控制器以及与控制器连接的通信模块。通信模块包括无线发射单元，可通过无线发射单元发射无线信号。
32.本实施例中，终端设备10的防水壳体上设置有充电接口11、探头接口12以及有线通信接口13。上述三个接口均为防水接口，配合相应的防水接头进行使用，在不使用时可采用保护塞将空余的接口堵住。其中，探头接口12用于和环境数据监测探头20的线缆连接，充电接口11用于和太阳能电池板或外接电源连接，有线通信接口13用于出厂设置或者通信故障时与管理终端通信。
33.本实施例中，终端设备10之间可通过各自的通信模块进行通信。通信模块采用的通信协议为zigbee、lora、蓝牙、wifi中的任意一种。对于野外环境数据串组无线采集设备间隔较远的情况，可考虑采用zigbee协议，蓝牙、wifi协议适用于距离较短的情况。
34.本实施例中，终端设备10中设置有电池以及电源管理模块。电源管理模块分别与电池、充电接口11，并向终端设备10中的各有源器件以及环境数据监测探头20供电。电源管理模块可采用市售的电源管理芯片实现，电池采用多节18650锂电池。
35.本实施例中，环境数据监测探头20上集成的传感器包括土壤温度传感器、土壤湿度传感器、土壤水势传感器。环境数据监测探头20包括壳体以及开设在壳体表面的检测窗，各传感器设置在检测窗的位置。壳体内部其他空间灌注有环氧树脂，以防止水分渗入线缆和电路板导致腐蚀和短路。
36.环境数据监测探头20中的各传感器均为市售的传感器，可通过can总线或者spi总线与相应终端设备10中的控制器连接。控制器可采用市售的单片机进行实现，例如stm32系列单片机或者msp430系列单片机。
37.为了应付可能的通信中断，避免数据丢失，终端设备10的防水壳体内部设置有数据存储器，用于暂存环境数据监测探头20测的环境数据。数据存储器可采用市售的nand flash芯片或者nor flash芯片进行实现。
38.部分终端设备10安装有移动网络模块可作为网关终端，网关终端通过其自身的通信模块与其他终端设备10通信连接以接收环境数据，并通过移动网络模块与服务器通信连接。在网关终端中移动网络模块与控制器连接，移动网络模块所采用的通信制式包括2g、3g、4g、5g中的一种或多种的组合。
39.对于网关终端，由于移动网络模块通常具有较大的功耗，因此网关终端需要配置容量更大的电池，并采用更大面积的太阳能电池板或外接电源进行供电。
40.本实施例中，终端设备10的防水壳体的主体呈扁平型，两侧向外延伸，形成与其背面平齐的翼板14。翼板14用于和固定结构连接。防水壳体的正面面板通过四个内六角螺栓与防水壳体密封连接，在维护过程中，可打开正面面板更换内部的电池或sim卡。
41.在应用过程中，需要将环境数据监测探头20埋在土中，并将终端设备10留在地面
以上。在一些实施例中，终端设备10可安装在太阳能板的背面，终端设备10与太阳能板一起安装在地面以上可以避免地表植被等障碍物对无线通信的影响，可有效提高通信模块的有效通信距离。
42.如图3所示，本发明的实施例还包括一种野外环境数据采集系统，其包括：多个上述的野外环境数据串组无线采集设备，其中至少一个所述野外环境数据串组无线采集设备的终端设备安装有移动网络模块并作为网关终端。网关终端与其他所述野外环境数据串组无线采集设备的终端设备通过自身的通信模块进行组网以获取各所述野外环境数据串组无线采集设备的检测数据以及状态信息。在一个具体实施例中，网关终端与其他所述野外环境数据串组无线采集设备的终端设备采用星形组网的方式通信连接。
43.云端服务器与所述网关终端通信连接，用于接收并存储其获取的检测数据以及状态信息。云端服务器对所述网关终端上传的环境数据进行分类，按照区域、作物种类、时间顺序生成数据表；并响应于用户终端的请求向用户终端发送相应的走势图或报表；
44.所述云端服务器对环境数据进行筛选，当环境数据出现缺失或超过异常值时，向相应用户终端发出警示信息。
45.用户终端用于从所述云端服务器获取检测数据并进行展示。本实施例中，用户终端可以是手机、平板或者通用计算机。
46.在一些实施例中，网关终端每隔预定时间依次从其他所述野外环境数据串组无线采集设备的终端设备获取环境数据，环境数据获取失败时对相应的终端设备进行掉线重连。
47.在一些实施例中，云端服务器可通过网关终端向各个野外环境数据串组无线采集设备发送软件升级包，以时下ota升级，使得各个野外环境数据串组无线采集设备采集到的数据格式和采集时间均可保持一致，使得数据质量获得提高。
48.网关终端可以采集各个野外环境数据串组无线采集设备的运行状态，电压、电流，并将数据发送到服务器端，方便工作人员对设备运行状态进行监测，方便对串组设备维护、保养、维修等工作。
49.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。