一种环境感应器的制作方法

1.本实用新型属于电子装置技术领域，具体涉及一种环境感应器。


背景技术：

2.要加强生态文明建设，保护好自然环境，需要更科学地了解自然。详尽及时的环境状况能够为自然资源保护、野生动物保护等领域的科学研究和工作安排提供有效的数据支撑和决策参考，有助于研究好自然科学，保护好自然环境，利用好自然资源。
3.目前野外环境监控往往依赖于较大型的监测设备，其优点在于能准确的获知环境状态。而其缺点首先在于设备成本相对较高，提高布设密度会造成成本大幅增加；其次设备较为笨重，不易搬运，尤其在山区环境下建设困难，因此难以在短时间内密集的布设；另一方面数据回传依赖相关网络基础设施，或者人工抄写，在山区成本高昂，极为不便；最后功能相对单一。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是为了解决感知多种不同状态的环境信息的问题，提出了一种环境感应器。
5.本实用新型的技术方案是：一种环境感应器包括控制模块、传感器模块、数据采集模块、上位机接口模块和电源模块；
6.控制模块、传感器模块和上位机接口模块均与电源模块电性连接；数据采集模块分别与控制模块和传感器模块通信连接；控制模块和上位机接口模块通信连接。
7.本实用新型的有益效果是：本实用新型通过使用低功耗的小型电子传感器，集成温度、湿度、气压和气体分析等多种感器，并使用标准化接口以集成到森林防火监控设备、红外相机和无线基站等布设在野外的装置上，同时也可以单独布设，在满足基本精度要求的前提下，将环境监控装置小型化和轻量化，为科学研究和环境保护提供种类多样，丰富详尽的数据支持。
8.进一步地，控制模块采用型号为stm32l071cbtx的主控芯片。
9.上述进一步方案的有益效果是：在本实用新型中，控制模块的主控芯片具备低功耗模式，通过i2c接口、spi接口和uart接口读取传感器数据，主频不低于32mhz，存储空间大于128kb；使用armcortex
‑
m0内核，工作频率32mhz，具有2个i2c、2个spi、4个uart和一个低功耗uart，此外，为配合该单片机正常工作，与之配合的外围电路包括而不限于12mhz晶振、rtc电源、boot开关和滤波电容等元器件。
10.进一步地，传感器模块包括温湿度气压传感器、电化学气体浓度传感器、光强度传感器、陀螺仪和定位子模块；
11.温湿度气压传感器、电化学气体浓度传感器、光强度传感器、陀螺仪和定位子模块均与电源模块电性连接，且均与数据采集模块通信连接。
12.上述进一步方案的有益效果是：在本实用新型中，传感器模块采用线束和数据采
集模块连接，用于采集数据，各传感器相互之间独立，可以布置在不同的位置，均使用可插拔式接口，可模块化配置，根据实际使用情况使用多路开关变更接口输出电压，增减传感器数量和种类。
13.进一步地，数据采集模块包括相互通信连接的电压转换子模块和数据接口子模块；
14.电压转换子模块包括模拟信号电压转换电路和数字信号电平转换电路；数据接口子模块包括模拟信号接口、数字信号接口和开关信号接口；数字信号接口包括4个uart子接口、2个i2c子接口和2个spi子接口；
15.模拟信号接口和模拟信号电压转换电路通信连接；uart子接口、i2c子接口、spi子接口和开关信号接口均与数字信号电平转换电路通信连接。
16.上述进一步方案的有益效果是：在本实用新型中，数据采集模块用于将传感器采集到的数字信号、模拟信号以及开关信号转化为符合控制芯片通信标准的信号，通过uart子接口、i2c子接口和spi子接口对应连接到uart数据总线、spi数据总线和i2c数据总线，传感器模块返回的数字信号经过电压转换电路将传感器数据电平调整到与控制模块电平一致后传输到控制模块，对于返回的模拟信号，通过模拟量接口采集，通过电压转化电路将电压转化到控制模块能够采集的范围，对于开关类信号，将信号转换到控制模块的电平，连接到控制模块gpio。多余的接口便于在使用过程中随时选装其他功能的传感器。电压转换子模块包括模拟信号电压转换电路和数字信号电平转换电路；其中模拟信号电压转换电路由放大电路和分压电路构成，将电压转换到控制模块adc可以读取的范围，其中数字电平转化电路由多个电平转化芯片构成，将不同的传感器通信电平同一转化为ttl电。数据接口子模块包括模拟信号接口、数字信号接口和开关信号接口；数字信号接口包括uart子接口、i2c子接口和spi子接口，这些接口除与传感器连接外，还有留有冗余，包括2个空闲uart接口，1个空闲i2c接口，1个空闲spi接口。
17.进一步地，上位机接口模块包括射频子模块、rs232接口和i2c接口；
18.射频子模块、rs232接口和i2c接口均与电源模块电性连接，且均与控制模块通信连接。
19.上述进一步方案的有益效果是：在本实用新型中，rs232接口和i2c接口用于连接到上位机接受指令，将采集得到的数据上传到上位机。
20.进一步地，射频子模块采用型号为e32
‑
170t30d的无线射频芯片。
21.进一步地，电源模块包括3.7v锂电池和变压芯片；变压芯片采用型号为tps63020的升降压转换器。
22.上述进一步方案的有益效果是：在本实用新型中，电源模块用于为控制模块、数据采集模块和传感器模块提供所需的不同电压，需要用到的电压包括而不限于1.8v，3.3v和5v，最大输出功率不低于1瓦，在选用射频输出的情况下，最大输出不低于功率5瓦；tps63020升降压转换器配合不同的外部电路，输出1.8v电压到传感器数据接口，为bme280传感器和mpu6050陀螺仪供电，输出3.3v电压传感器接口为um220
‑
iii nv定位模块和相应电化学气体传感器供电，并为stm32l71cbtx微控制器供电，输出5v电压到上位机接口为e32
‑
170t30d射频模块供电。
附图说明
23.图1为环境感应器的结构图；
24.图2为数据采集模块的结构图；
25.图中，1、控制模块；2、传感器模块；3、数据采集模块；4、上位机接口模块；5、电源模块；6、温湿度气压传感器；7、电化学气体浓度传感器；8、光强度传感器；9、陀螺仪；10、定位子模块；11、电压转换子模块；12、数据接口子模块；13、模拟信号电压转换电路；14、数字信号电平转换电路；15、模拟信号接口；16、数字信号接口；17、开关信号接口；18、uart子接口；19、i2c子接口；20、spi子接口；21、射频子模块；22、rs232接口；23、i2c接口。
具体实施方式
26.下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步的说明。
27.如图1所示，本实用新型提供了一种环境感应器，包括控制模块1、传感器模块2、数据采集模块3、上位机接口模块4和电源模块5；
28.控制模块1、传感器模块2和上位机接口模块4均与电源模块5电性连接；数据采集模块3分别与控制模块1和传感器模块2通信连接；控制模块1和上位机接口模块4通信连接。
29.在本实用新型实施例中，如图1所示，控制模块1采用型号为stm32l071cbtx的主控芯片。控制模块的主控芯片具备低功耗模式，通过i2c接口、spi接口和uart接口读取传感器数据，主频不低于32mhz，存储空间大于128kb；使用armcortex
‑
m0内核，工作频率32mhz，具有3个i2c、2个spi、4个uart和一个低功耗uart，此外，为配合该单片机正常工作，与之配合的外围电路包括而不限于12mhz晶振、rtc电源、boot开关和滤波电容等元器件。此外，stm32l071cbtx芯片的主要优势在于低功耗，多接口；同时，也可以采用stm32l071系列芯片作为控制模块的主控芯片。
30.在本实用新型实施例中，如图1所示，传感器模块2包括温湿度气压传感器6、电化学气体浓度传感器7、光强度传感器8、陀螺仪9和定位子模块10；
31.温湿度气压传感器6、电化学气体浓度传感器7、光强度传感器8、陀螺仪9和定位子模块10均与电源模块5电性连接，且均与数据采集模块3通信连接。传感器模块采用线束和数据采集模块连接，用于采集数据，各传感器相互之间独立，可以布置在不同的位置，均使用可插拔式接口，可模块化配置，根据实际使用情况使用多路开关变更接口输出电压，增减传感器数量和种类。传感器模块可以用多个传感器代替，可以选择氧气、碳氧化物和氮氧化物等，且在实际情况中，根据实际需要进行选择，采用其中一种或多种传感器。
32.在本实用新型实施例中，如图1所示，温湿度气压传感器6采用型号为bme280的环境传感器；电化学气体浓度传感器7采用型号为honeywell s
‑
series的氧气浓度传感器；光强度传感器8采用型号为bh1750的光照传感器；陀螺仪9采用型号为mpu6050的电子陀螺仪；定位子模块10采用um220
‑
iii nv的定位芯片。bme280环境传感器的湿度分辨率0.8％，误差
±
2％，温度分辨率0.1℃，误差
±
0.5℃，大气压强分辨率0.18pa，误差
±
1hpa，通过i2c接口与控制模块相连，此外为避免损坏或安装位置产生偏差，可安装多枚bme280传感器；bh1750光照传感器测量范围1
‑
65535lx；honeywell s
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series氧气浓度传感器传感精度0.6ppm，误差
±
400ppm；um220
‑
iii nv定位芯片通过uart接口与控制模块相连，定位精度2.5m，通信频段为gps
‑
l1频段和bds
‑
b1频段，并使用对应频率天线。各传感器中所需直接接触外界环境
的，如环境传感器和电化学气体浓度传感器，固定在环境感知器所附着的机柜和外壳中，引出导线并通过1.25mm插头或5.08mm端子连接到主板的传感器接口上，而定位子模块和陀螺仪可直接贴焊在主板上。
33.在本实用新型实施例中，如图2所示，数据采集模块3包括相互通信连接的电压转换子模块11和数据接口子模块12；
34.电压转换子模块11包括模拟信号电压转换电路13和数字信号电平转换电路14；数据接口子模块12包括模拟信号接口15、数字信号接口16和开关信号接口17；数字信号接口16包括4个uart子接口18、2个i2c子接口19和2个spi子接口20；
35.模拟信号接口15和模拟信号电压转换电路13通信连接；uart子接口18、i2c子接口19、spi子接口20和开关信号接口17均与数字信号电平转换电路14通信连接。数据采集模块用于将传感器采集到的数字信号、模拟信号以及开关信号转化为符合控制芯片通信标准的信号，通过uart子接口、i2c子接口和spi子接口对应连接到uart数据总线、spi数据总线和i2c数据总线，传感器模块返回的数字信号经过电压转换电路将传感器数据电平调整到与控制模块电平一致后传输到控制模块，对于返回的模拟信号，通过模拟量接口采集，通过电压转化电路将电压转化到控制模块能够采集的范围，对于开关类信号，将信号转换到控制模块的电平，连接到控制模块gpio。对于模拟量信号，传感器通过5.08mm端子座连接传感器，5.08mm端子座与模拟信号电压转换电路连接，将传感器输入电压转换到控制模块可以采集的电压范围，使用控制模块adc进行采集；对于数字信号，传感器通过多个并联在对应总线上的多个i2c接口和多个spi接口以及若干个uart接口直接与控制模块连接，采集到的信号通过数字信号电平转换电路转换为与控制模块接口相同的电平，随后通过对应总线将信息传输到控制模块。此外，为便于对传感器供电，接口均输入对应的传感器匹配的电压，具体的，i2c接口作为温湿度气压传感器接口以及光强度传感器接口时，连接供电模块1.8v输出端，spi接口作为陀螺仪接口时，连接供电模块1.8v输出端，电化学气体浓度传感器和定位子模块接口连接供电模块3.3v输出端，此外供电电路可通过多路开关，可以为冗余接口提供不同电压以连接工作电压不同的其他传感器，此外预留2个gpio接口用来感知逻辑信号，连接控制芯片gpio输入引脚。
36.在本实用新型实施例中，如图1所示，上位机接口模块4包括射频子模块21、rs232接口22和i2c接口23；
37.射频子模块21、rs232接口22和i2c接口23均与电源模块5电性连接，且均与控制模块1通信连接。rs232接口和i2c接口用于连接到上位机接受指令，将采集得到的数据上传到上位机。硬件上，i2c接口采用1.25mm贴片插座以及相应的滤波电容、上拉电阻和esd保护二极管等，焊接在环境感知器主板上；rs232接口使用标准接口固定在主板上；在没有上位机或需他原因需要将信息上传到远端时，上位机接口增加uart接口，外接网络模组包括窄带射频模块和对应频率的天线，通信频率可选择170mhz、230mhz或433mhz，而在复杂地形环境下，使用170mhz通信频率，选择e32
‑
170t30d模块，使用uart接口与控制模块连接，采用6dbi增益胶棒天线。
38.在本实用新型实施例中，如图1所示，射频子模块21采用型号为e32
‑
170t30d的无线射频芯片。
39.在本实用新型实施例中，如图1所示，电源模块5包括3.7v锂电池和变压芯片；变压
芯片采用型号为tps63020的升降压转换器。电源模块用于为控制模块、数据采集模块和传感器模块提供所需的不同电压，需要用到的电压包括而不限于1.8v，3.3v和5v，最大输出功率不低于1瓦，在选用射频输出的情况下，最大输出不低于功率5瓦；tps63020升降压转换器配合不同的外部电路，输出1.8v电压到传感器数据接口，为bme280传感器和mpu6050陀螺仪供电，输出3.3v电压传感器接口为um220
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iii nv定位模块和相应电化学气体传感器供电，并为stm32l71cbtx微控制器供电，输出5v电压到上位机接口为e32
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170t30d射频模块供电。
40.本实用新型的工作原理及过程为：在本实用新型的环境感应器工作时，传感器模块2中利用其温湿度气压传感器6、电化学气体浓度传感器7、光强度传感器8、陀螺仪9和定位子模块10进行实时采集，数据采集模块3将传感器模块2采集到的数字信号、模拟信号以及开关信号转化为符合控制模块1通信标准的信号，通过uart子接口18、i2c子接口19和spi子接口20对应连接到uart数据总线、spi数据总线和i2c数据总线，传感器模块2返回的数字信号经过电压转换子模块11将传感器数据电平调整到与控制模块电平一致后传输到控制模块，对于返回的模拟信号，通过模拟量接口采集，通过电压转换子模块11将电压转化到控制模块能够采集的范围，对于开关类信号，将信号转换到控制模块1的电平，连接到控制模块1的gpio；电源模块5用于为控制模块1、数据采集模块3和传感器模块2提供所需的不同电压。
41.本实用新型的有益效果为：本实用新型通过使用低功耗的小型电子传感器，集成温度、湿度、气压和气体分析等多种感器，并使用标准化接口以集成到森林防火监控设备、红外相机和无线基站等布设在野外的装置上，同时也可以单独布设，在满足基本精度要求的前提下，将环境监控装置小型化和轻量化，为科学研究和环境保护提供种类多样，丰富详尽的数据支持。
42.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。