本發(fā)明涉及環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種大氣顆粒物的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸裝置。

(二)

背景技術(shù)：
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隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，監(jiān)測系統(tǒng)在環(huán)境領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色。以往傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大部分采用的是人工采集或是采用有線監(jiān)測的方法，人工采集數(shù)據(jù)，既消耗大量的人力和物力又不能夠?qū)崟r(shí)的采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，有時(shí)還會(huì)給數(shù)據(jù)采集帶來誤差；有線監(jiān)測雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于監(jiān)測點(diǎn)分布廣而散，有些監(jiān)測點(diǎn)既偏遠(yuǎn)又危險(xiǎn)，給有線監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)帶來非常巨大的困難，同時(shí)有線監(jiān)測需要大量的電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸增加了巨大的成本。

4G(The 4 Generation Mobile Communication Technology)-第四代移動(dòng)通信技術(shù),該技術(shù)包括TD-LTE(Time Division Long Term Evolution-分時(shí)長期演進(jìn))和FDD-LTE(Long Term Evolution-長期演進(jìn)技術(shù))兩種制式。4G是集3G與WLAN(Wireless Local Area Networks-無線局域網(wǎng))于一體，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比，其最大的優(yōu)勢在于傳輸速率高和安全性強(qiáng)。4G能夠以100Mbps以上的速度下載，比目前的家用寬帶ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line-非對(duì)稱數(shù)字用戶線)(4M)快25倍，能夠滿足幾乎所有用戶對(duì)于無線服務(wù)的要求，被中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟譽(yù)為機(jī)器之間當(dāng)之無愧的“高速對(duì)話”。

最近幾年我國的環(huán)境狀態(tài)越來越不樂觀，大氣中顆粒物濃度在逐年上升，特別是PM2.5，直接影響著人們的身心健康，也制約著工業(yè)的快速發(fā)展。當(dāng)前，迫切需要開發(fā)出一種大氣顆粒物的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸裝置，可以實(shí)現(xiàn)精確、快速的檢測到大氣中顆粒物的濃度，并且及時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，做到實(shí)時(shí)掌握顆粒物濃度數(shù)據(jù)，以此制定相應(yīng)的措施。

(三)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于提供一種大氣顆粒物的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸裝置，使用TD-LTE 4G傳輸技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，克服了以往數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)娜秉c(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種大氣顆粒物的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸裝置，其特征在于它包括電源單元、CPU(Central Processing Unit-中央處理器)控制單元、顆粒物濃度檢測單元和4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元；其中，所述電源單元為CPU控制單元、顆粒物濃度檢測單元和4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元供電；所述顆粒物濃度檢測單元和4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元分別與CPU控制單元呈雙向連接；所述顆粒物濃度檢測單元的輸出端連接4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元的輸入端。

所述電源單元由模塊化交流變直流以及太陽能板蓄電池構(gòu)成；所述模塊化交流變直流為輔助供電方式，為太陽能板蓄電池供電；所述太陽能板蓄電池模塊為主供電模塊，連接CPU控制單元、顆粒物濃度檢測單元和4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元。

所述CPU控制單元采用高效能嵌入式中央處理器ARM(Advanced RISC Machines-RISC微處理器)為主控芯片。

所述顆粒物濃度檢測單元是由顆粒物濃度采集模塊、顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊和顆粒物濃度采集通道構(gòu)成；所述顆粒物濃度采集模塊和顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊分別由電源單元供電，且所述顆粒物濃度采集模塊和顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊分別與CPU控制單元的ARM主控芯片呈雙向連接；所述顆粒物濃度采集模塊通過顆粒物濃度采集通道采集顆粒物信息；所述顆粒物濃度采集模塊與顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊呈雙向連接；所述顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊還與4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元呈雙向連接。

所述顆粒物濃度采集模塊采用專用高精度激光顆粒物傳感器模塊，依模數(shù)轉(zhuǎn)換器件A/D完成信號(hào)采集功能；所述顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊依其內(nèi)部總線與顆粒物濃度采集模塊連接。

所述4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元由高速存儲(chǔ)模塊、4G傳輸模塊以及4G天線構(gòu)成；所述高速存儲(chǔ)模塊分別與顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊以及4G傳輸模塊呈雙向連接；所述顆粒物濃度數(shù)據(jù)依4G天線傳輸至4G視頻移動(dòng)終端；所述高速存儲(chǔ)模塊和4G傳輸模塊分別與CPU控制單元呈雙向連接；所述高速存儲(chǔ)器模塊依顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊的內(nèi)部總線相互連接。

所述高速存儲(chǔ)器模塊通過其內(nèi)部總線連接顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊和4G傳輸模塊，完成采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)的功能。

所述4G傳輸模塊是由TD-LTE 4G通訊模塊和天線構(gòu)成；所述TD-LTE 4G通訊模塊采用CLM920芯片。

所述4G傳輸模塊通過其內(nèi)部總線與高速存儲(chǔ)模塊和CPU控制模塊連接，完成采集指令和配置信息無線接收以及顆粒物濃度信號(hào)的無線遠(yuǎn)程傳輸功能。

本發(fā)明的工作原理：

在本發(fā)明中，一種大氣顆粒物的遠(yuǎn)程傳輸裝置所接受的為顆粒物數(shù)據(jù)采集模塊采集到的大氣中的顆粒物濃度所產(chǎn)生的電信號(hào)，由顆粒物濃度采集模塊采集，經(jīng)顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊處理后，由4G傳輸模塊傳輸?shù)揭苿?dòng)終端或監(jiān)測中心。

如圖3所示，本發(fā)明提供的一種大氣顆粒物的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸裝置，其特征包括：電源單元，CPU控制模塊(ARM)，顆粒物檢測單元，4G傳輸單元；顆粒物檢測單元包括：顆粒物濃度采集模塊、顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊和顆粒物濃度采集通道；4G傳輸單元包括：高速存儲(chǔ)模塊和4G傳輸模塊。

所述電源單元，主要為系統(tǒng)提供電源；所述CPU控制單元(ARM)，采用嵌入式RAM芯片用于控制顆粒物濃度采集模塊、顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊、高速存儲(chǔ)模塊和4G傳輸模塊；所述顆粒物濃度采集模塊，用于把采集到的模擬信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器件A/D轉(zhuǎn)換后傳送給顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊，顆粒物濃度采集模塊采用精度激光顆粒物傳感器；所述顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊，用于處理數(shù)據(jù)信號(hào)中冪次方函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)；所述高速存儲(chǔ)模塊，用于存儲(chǔ)處理后的顆粒物濃度以及CPU的配置信息(采樣頻率，采樣時(shí)間和測量參數(shù)值類型)；所述4G傳輸模塊，用于把高速存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)終端上或者環(huán)境監(jiān)測中心，完成數(shù)據(jù)信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸；所述4G天線，用于發(fā)送信號(hào)和接受信號(hào)。

在本發(fā)明中，CPU控制模塊的性能至關(guān)重要，其直接影響著顆粒物濃度實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸儀的性能。一般來說，微處理器性能越高和功耗越低，對(duì)于控制精度越高，越適合于實(shí)際應(yīng)用。

本發(fā)明的CPU控制模塊采用ARM微處理器，采用linux嵌入式系統(tǒng)，通過修改內(nèi)核，開發(fā)適合自己的Linux系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)可以綜合了多種算法，運(yùn)行多個(gè)程序；ARM微處理器還具有性能高、體積小、功耗低、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)；從而選擇ARM微處理器作為本發(fā)明的控制中心。

本發(fā)明中電源單元，采用太陽能板蓄電池供電方式和模塊化交流轉(zhuǎn)直流方式，蓄電池主要采用太陽能電池板蓄電；當(dāng)蓄電池正處于充電模式時(shí)，主要由蓄電池向裝置供電；當(dāng)蓄電池充滿電時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到太陽能電池板直接向裝置供電模式；模塊化交流轉(zhuǎn)直流方式主要考慮到天氣狀況不好情況下，供電模式轉(zhuǎn)換為：由模塊化交流轉(zhuǎn)直流向太陽能板蓄電池充電，蓄電池向裝置供電，以滿足設(shè)計(jì)要求—實(shí)時(shí)性。

本發(fā)明中的無線數(shù)據(jù)傳輸采用4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊，4G無線網(wǎng)絡(luò)具有多模式，傳輸速率高，安全性強(qiáng)和能與其他網(wǎng)絡(luò)無縫連接等優(yōu)點(diǎn)，使其被譽(yù)為機(jī)器之間當(dāng)之無愧的“高速對(duì)話”。

在本發(fā)明中，目前市場上使用較多的編譯語言為C語言，此編譯語言可實(shí)現(xiàn)靈活快速編程，并且方便修改的要求。

本發(fā)明裝置的核心是:①通過主控芯片—ARM控制各個(gè)模塊協(xié)調(diào)運(yùn)行，以及通過對(duì)Linux內(nèi)核的修改，移植和程序的寫入，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)置該發(fā)明裝置參數(shù)，啟動(dòng)和停止等功能。②運(yùn)用4G無線通訊技術(shù)與數(shù)據(jù)采集處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)顆粒物濃度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線采集處理和遠(yuǎn)距離傳輸，4G無線通訊技術(shù)在國內(nèi)已經(jīng)成熟，基站建設(shè)在全國不斷完善，這為監(jiān)測點(diǎn)組網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)，也大大降低了成本；③每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)采用多個(gè)信號(hào)傳感器通道,可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道信號(hào)的同時(shí)采集、處理和遠(yuǎn)程無線傳輸，求平均值以保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明的優(yōu)越性在于：處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在高速存儲(chǔ)模塊里，最后數(shù)據(jù)通過4G基站將濃度數(shù)據(jù)傳輸至4G移動(dòng)終端或4G轉(zhuǎn)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，從而實(shí)施環(huán)境監(jiān)測任務(wù)中的快速響應(yīng)與決策；具有傳輸抗干擾性強(qiáng)、傳送距離遠(yuǎn)、傳輸?shù)乃俾士?、即時(shí)性好等特點(diǎn)；ARM為主控芯片，嵌入Linux系統(tǒng)控制顆粒物濃度采集模塊、顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊、高速存儲(chǔ)模塊和4G傳輸模塊協(xié)調(diào)精確運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸。

(四)附圖說明：

圖1為本發(fā)明所涉一種大氣顆粒物的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸裝置的整體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明所涉一種大氣顆粒物的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸裝置中電源單元的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3為本發(fā)明所涉一種大氣顆粒物的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸裝置的具體結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖4為本發(fā)明所涉一種大氣顆粒物的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸裝置的工作原理流程示意圖。

(五)具體實(shí)施方式：

實(shí)施例：一種大氣顆粒物的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸裝置(見圖1)，其特征在于它包括電源單元、CPU(Central Processing Unit-中央處理器)控制單元、顆粒物濃度檢測單元和4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元；其中，所述電源單元為CPU控制單元、顆粒物濃度檢測單元和4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元供電；所述顆粒物濃度檢測單元和4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元分別與CPU控制單元呈雙向連接；所述顆粒物濃度檢測單元的輸出端連接4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元的輸入端。

所述電源單元(見圖2)由模塊化交流變直流以及太陽能板蓄電池構(gòu)成；所述模塊化交流變直流為輔助供電方式，為太陽能板蓄電池供電；所述太陽能板蓄電池模塊為主供電模塊，連接CPU控制單元、顆粒物濃度檢測單元和4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元。

所述CPU控制單元采用高效能嵌入式中央處理器ARM(Advanced RISC Machines-RISC微處理器)為主控芯片。

所述顆粒物濃度檢測單元(見圖3)是由顆粒物濃度采集模塊、顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊和顆粒物濃度采集通道構(gòu)成；所述顆粒物濃度采集模塊和顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊分別由電源單元供電，且所述顆粒物濃度采集模塊和顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊分別與CPU控制單元的ARM主控芯片呈雙向連接；所述顆粒物濃度采集模塊通過顆粒物濃度采集通道采集顆粒物信息；所述顆粒物濃度采集模塊與顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊呈雙向連接；所述顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊還與4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元呈雙向連接。

所述顆粒物濃度采集模塊采用專用高精度激光顆粒物傳感器模塊，依模數(shù)轉(zhuǎn)換器件A/D完成信號(hào)采集功能；所述顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊依其內(nèi)部總線與顆粒物濃度采集模塊連接。

所述4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸單元(見圖3)由高速存儲(chǔ)模塊、4G傳輸模塊以及4G天線構(gòu)成；所述高速存儲(chǔ)模塊分別與顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊以及4G傳輸模塊呈雙向連接；所述顆粒物濃度數(shù)據(jù)依4G天線傳輸至4G視頻移動(dòng)終端；所述高速存儲(chǔ)模塊和4G傳輸模塊分別與CPU控制單元呈雙向連接；所述高速存儲(chǔ)器模塊依顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊的內(nèi)部總線相互連接。

所述高速存儲(chǔ)器模塊通過其內(nèi)部總線連接顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊和4G傳輸模塊，完成采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)的功能。

所述4G傳輸模塊是由TD-LTE 4G通訊模塊和天線構(gòu)成；所述TD-LTE 4G通訊模塊采用CLM920芯片。

所述4G傳輸模塊通過其內(nèi)部總線與高速存儲(chǔ)模塊和CPU控制模塊連接，完成采集指令和配置信息無線接收以及顆粒物濃度信號(hào)的無線遠(yuǎn)程傳輸功能。

圖3是本發(fā)明提供的一種大氣顆粒物的實(shí)時(shí)采集和遠(yuǎn)程傳輸裝置的詳細(xì)結(jié)構(gòu)示意圖。

CPU控制模塊對(duì)顆粒濃度采集通道、顆粒物濃度采集模塊、顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊、顆粒物濃度采集通道、高速存儲(chǔ)模塊和4G傳輸模塊發(fā)出相應(yīng)指令；所述顆粒物濃度采集通道把一定量的待檢氣體吸入通道中；所述顆粒物濃度采集模塊對(duì)氣體中的顆粒物進(jìn)行檢測，該檢測主要采集氣體中PM10和PM2.5的濃度，并且設(shè)置檢測頻率；所述顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊接受到為顆粒物濃度采集模塊采集到的模擬信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器件A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，首先顆粒物濃度數(shù)據(jù)處理模塊通過冪次方函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，然后采用算數(shù)編碼的數(shù)據(jù)壓縮算法對(duì)顆粒物濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行打包壓縮；所述高速存儲(chǔ)模塊把接收到的顆粒物濃度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的內(nèi)存中，這樣是為了防止4G傳輸模塊出現(xiàn)錯(cuò)誤，不能傳輸數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失；所述4G傳輸模塊通過AT撥號(hào)連接上移動(dòng)設(shè)備或者監(jiān)控中心，把數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸過去，數(shù)據(jù)傳輸完畢，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，待再次接到檢測指令后，系統(tǒng)由待機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。

具體實(shí)現(xiàn)上，在CPU控制模塊中運(yùn)用C語言進(jìn)行軟件編程、運(yùn)算，然后通過串口控制各個(gè)模塊。