用于寒冷环境监测与预警的手持监测仪及网络监测系统

摘要

本发明公开了一种用于寒冷环境监测与预警的手持监测仪及网络监测系统，涉及监测仪器领域，手持式监测仪由风速传感器、温度传感器、单片机模块、A/D转换模块、显示模块、键盘模块、存储模块、电源模块、背温加热与控制模块、无线传输模块等构成，用于风速、温度检测及冷强度、等价致冷温度、冻伤危险性及不同作业强度下的作业防护提示。移动数据中心由无线传输模块、数据中心等构成，用于接收、显示、存储各个手持式监测仪发送的上述信息和检测控制，形成区域性监测网络。为寒冷环境下作业防护、提高作业效率、预防冻伤的发生提供一个可靠的技术手段。

说明书

技术领域

本发明涉及监测仪器领域，尤其涉及一种用于寒冷环境监测与预警的手持监测仪及网 络监测系统。

背景技术

在寒冷的环境中，进行户外训练、作业等工作，若防护不当，往往会造成冷损伤的发 生，而环境因素的变化，会引起环境冷强度的变化，环境冷强度的强弱，会造成不同程度 的冻伤危险性，从而降低了作业效率，甚至造成作业人员的伤亡。

因此，需要研制根据对寒冷环境气象因素的监测，结合相应的数学模型，对环境冷强 度进行智能的综合分析、判断，对冻伤的危险性进行预警和作业防护提示的监测仪，并且 能在一定区域内开展环境因素的监测，形成区域性无线监测和预警网络，提高寒冷地区户 外作业效能，预防冻伤的发生。

发明内容

本发明提供了一种用于寒冷环境监测与预警的手持监测仪及网络监测系统，本发明实 现了实时监测寒冷地区户外作业的冷强度大小，提高寒区作业的作业效率，预防冻伤的发 生，详见下文描述：

一种用于寒冷环境监测与预警的手持监测仪，所述手持监测仪包括：

风速传感器，所述风速传感器通过风速传感器接口连接在机壳上，所述风速传感器接 口与A/D转换模块相连接，第一温度传感器通过第一温度传感器接口与所述A/D转换模块 相连接，第二温度传感器通过第二温度传感器接口和所述A/D转换模块相连接，基准电压 模块通过结构化布线与A/D转换模块相连接，所述A/D转换模块通过结构化布线与所述单 片机模块相连接；

LCD显示模块通过导线、连接接口和结构化布线与所述单片机模块相连接，键盘模块 通过导线、线路板上的连接接口和结构化布线与所述单片机模块相连接；加热模块通过导 线与继电器模块相连接，加热指示模块与所述继电器模块相连接，所述继电器模块通过结 构化布线与所述单片机模块相连接；

时钟模块通过结构化布线与所述单片机模块相连接，数据存储介质TF卡通过接口电 路与存储模块实现存储过程，所述存储模块通过结构化布线与所述单片机模块相连接；

充电式锂电池组与电压检测模块相连接，所述电压检测模块通过导线、结构化布线分 别与电池指示模块、所述单片机模块相连接，所述充电式锂电池组通过导线分别与5V电 源模块、3.3V电源模块、充电模块相连接，所述充电模块通过导线与220V电源插头相连 接；

天线与机壳上的第一天线接口相连接，所述第一天线接口通过信号线与第一无线放大 模块相连接，所述第一无线放大模块通过信号线与第一无线发射、接收模块相连接，所述 第一无线发射、接收模块通过连接接口和结构化布线与所述单片机模块相连接；加热防护 外套通过连接接口和连接线与外置充电式锂电池组相连接。

一种用于寒冷环境监测与预警的网络监测系统，所述网络监测系统包括：手持监测仪， 其特征在于，还包括：移动数据中心，

所述移动数据中心包括：高增益天线；

所述高增益天线通过第二天线接口与第二无线放大模块相连接，所述第二无线放大模 块通过信号线与第二无线发射、接收模块相连接，所述第二无线发射、接收模块通过接插 口与数据传输接口转换模块相连接，所述数据传输接口转换模块通过信号线与USB接口相 连接，所述USB接口通过信号线与数据中心相连接。

本发明提供的技术方案的有益效果是：手持式监测仪通过对寒冷环境下的温度、风速 的监测，获得相应的环境冷强度，用于冻伤危险性的预警和不同作业强度的作业防护指导， 其检测、分析结果通过无线网络传送到移动数据中心，并实时显示和存储，提高了作业效 率、预防了冻伤的发生。

附图说明

图1为本发明提供的手持式监测仪的结构示意图；

图2为本发明提供的无线监测网络的结构示意图；

图3为本发明提供的移动式数据中心的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：手持式监测仪； 2：移动数据中心；

3：风速传感器； 4：第一温度传感器；

5：第二温度传感器； 6：风速传感器接口；

7：第一温度传感器接口； 8：第二温度传感器接口；

9：A/D转换模块；10：基准电压模块；

11：显示模块；12：电压检测模块；

13：键盘模块；14：充电式锂电池组；

15：充电模块；16：220V插头；

17：电池指示模块；18：5V电源模块；

19：3,3V电源模块；20：继电器模块；

21：加热模块；22：加热指示模块；

23：单片机模块；24：第一无线发射、接收模块；

25：第一无线放大模块；26：第一天线接口；

27：天线；28：存储模块；

29：TF卡；30：时钟模块；

31：加热防护套；32：连接延长线；

33：外置充电锂电池组；34：高增益天线；

35：第二天线接口；36：第二无线放大模块；

37：第二无线发射、接收模块；38：数据传输接口转换模块；

39：USB接口； 40：数据中心。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详 细描述。

为了实现对环境冷强度的监测，进行冻伤危险性的预警和不同作业强度的作业防护提 示，本发明实施例提供了一种用于寒冷环境监测与预警的手持监测仪及网络监测系统，下 面结合图1、图2和图3进行详细的描述：

参见图1，用于寒冷环境监测与预警的手持监测仪1包括：风速传感器3，通过风速 传感器接口6连接在机壳上，风速传感器接口6与A/D转换模块9相连接，第一温度传感 器4通过第一温度传感器接口7与A/D转换模块9相连接，第二温度传感器5通过第二温 度传感器接口8和A/D转换模块9相连接，基准电压模块10通过结构化布线与A/D转换 模块9相连接，A/D转换模块9通过结构化布线与单片机模块23相连接。

LCD显示模块11通过导线、连接接口和结构化布线与单片机模块23相连接，键盘模 块13通过导线、线路板上的连接接口和结构化布线与单片机模块23相连接。加热模块21 通过导线与继电器20相连接，加热指示模块22通过导线与继电器模块20相连接，继电 器模块20通过结构化布线与单片机模块23相连接。

时钟模块30通过结构化布线与单片机模块23相连接，数据存储介质TF卡29通过接 口电路与存储模块28实现存储过程，存储模块28通过结构化布线与单片机模块23相连 接。

充电式锂电池组14与电压检测模块12相连接，电压检测模块12通过导线、结构化 布线分别与电池指示模块17、单片机模块23相连接，充电式锂电池组14通过导线分别与 5V电源模块18、3.3V电源模块19、充电模块15相连接，充电模块15通过导线与220V 电源插头16相连接。

天线27与机壳上的第一天线接口26相连接，第一天线接口26通过信号线与第一无 线放大模块25相连接，第一无线放大模块25通过信号线与第一无线发射、接收模块24 相连接，第一无线发射、接收模块24通过连接接口和结构化布线与单片机模块23相连接。

加热防护外套31通过连接接口和连接线32与外置充电式锂电池组33相连接。

参见图2，该网络监测系统包括两部分构成，一是手持监测仪1，另一是移动式用于 无线环境检测数据接收的移动数据中心2，手持监测仪1的结构参见图1，在此不再赘述， 下面结合图3详细描述移动数据中心2，以及整个网络监测系统的工作过程。

该移动数据中心2包括：高增益天线34，通过第二天线接口35与第二无线放大模块 36相连接，第二无线放大模块36通过信号线与第二无线发射、接收模块37相连接，第二 无线发射、接收模块37通过接插口与数据传输接口转换模块38相连接，数据传输接口转 换模块38通过信号线与USB接口39相连接，USB接口39通过信号线与数据中心40相 连接。

通过软件编程控制，将无线数据接收的实时检测数据显示在数据中心40的屏幕上， 并进行实时存储，同时移动数据中心2可实时控制远程的手持监测仪1的检测操作。

下面结合实际中的应用，详细描述手持式监测仪1和移动数据中心2的工作流程。

将手持式监测仪1拿到户外寒冷作业区域，打开开关，LCD上显示主菜单菜单，在该 环境中平衡1-2分钟，按检测键执行手动检测操作时，一方面通过风速传感器3获取环境 风速的信息，经过A/D转换模块9和基准电压模块10取得比较的基准，将模拟信号转化 为数字信号，由单片机模块23进行读取得到当前环境的风速值。另一方面通过第一温度 传感器4获得当前环境的温度信息，经过A/D转换模块9和基准电压模块10取得比较的 基准，将模拟信号转化为数字信号，由单片机模块23进行读取，转换后得到当前环境温 度的值，并将风速、温度的值显示在LCD上，通过按下一页键，由单片机模块23得到当 前环境的冷强度、等价致冷温度等信息，并显示在LCD上，通过多次按下一页键，从而 在LCD上显示智能提示冻伤危险性大小及不同作业强度下的作业防护等多屏信息，显示 完成后，按检测键执行下一次的检测操作，按返回键回到主菜单。按检测键执行自动检测 操作时，执行的检测、计算、智能判断的过程和手动检测相类似，结果显示时，无需按下 下页键，系统自动间隔一段时间顺序显示检测的时间，当前环境的风速、温度值、冷强度、 等价致冷温度、冻伤危险性大小及不同作业强度下的作业防护提示，显示完成后自动进入 下一次检测操作，如此循环往复，直到按退出键，回到系统主菜单。

其中，等价致冷温度(equivalent chill temperature，ECT)的计算公式为：

$\mathrm{ECT}=33-0.04535(10\sqrt{V}+10.45-V)(33-T).$

式中：ECT表示等价致冷温度，单位℃；V表示风速，单位m/s；T表示气温，单位℃。

以等价致冷温度表示风冷的作用

其中，上述的检测、计算、智能判断和作业提示的信息通过单片机模块23、存储模块 28的控制，将信息存储到存储介质TF卡29中。使用上、下和选择键，通过单片机模块 23控制时钟模块30中的时间信息的读取和存储，进行日期、时间的更改。

其中，使用上、下和选择键，选择查询操作，通过单片机模块23中的存储模块28， 读取存储在TF卡29中的检测信息，通过选择顺序读取所有存储的信息或最后一次检测信 息，使用下一页键，顺序显示检测的时间，环境的风速、温度值、冷强度、等价致冷温度、 冻伤危险性大小及不同作业强度下的作业防护提示，按返回键回到主菜单。

其中，第二温度传感器5获取当前LCD显示模块11的温度信息，经过A/D转换模块 9和基准电压模块10取得比较的基准，将模拟信号转化为数字信号，由单片机模块23进 行读取，转换后和原设定值进行比较，若大于该设定值时，则继续读取，若小于该设定值 时，则通过单片机模块23进行控制继电器模块20动作，一方面使背温加热模块21进行 加热功能操作，另一方面通过加热指示模块22进行加热操作显示，此时单片机模块23继 续通过控制读取第二温度传感器5的温度值，若读取的温度小于设定的值则继续加热的操 作，若读取的温度值大于设定值，则通过单片机控制模块23控制继电器模块20动作，控 制加热模块21停止加热，同时控制加热指示模块22停止显示。通过单片机模块23控制 上述监测仪的自我防护操作。

其中，电压检测模块12用于检测充电式锂电池组14的电压，当充电式锂电池组14 电压低于设定的电压时，单片机模块23通过电压检测模块12获取信息，通过控制使电池 电压低在电池指示模块17中进行显示，说明电池电压低，应及时进行充电，否则检测的 数值就不准确。充电时，关闭电源开关，将220V插头16插入220V电源插座，通过充电 模块15对充电式锂电池组14进行充电。充电式锂电池组14分别连接到5V电源模块18 和3.3V电源模块19，为手持式监测仪1提供稳定的5V和3.3V电压。

其中，上述检测的风速、温度值、冷强度、等价致冷温度、冻伤危险性大小及不同作 业强度下的作业防护提示的信息，一方面存储到存储介质TF卡29中，另一方面通过单片 机控制模块23的控制，通过串行接口将数据传送到第一无线发射、接收模块24，再通过 第一无线放大模块25和天线27发射出去，传送到移动数据中心2。

其中，当环境温度达到一定低时，为保障手持式监测仪1能正常工作，需给手持式监 测仪1加上加热防护套31，并且通过连接延长线32连接到外置充电锂电池组33，起到加 热和保温作用，保障在寒冷环境下手持式监测仪1的正常运转。

手持式监测仪1检测的风速、温度值、冷强度、等价致冷温度、冻伤危险性大小及不 同作业强度下的作业防护提示的信息通过无线网络传送到移动数据中心2的高增益接收天 线34，该信号通过第二无线放大模块36进行信号放大，由第二无线发射、接收模块37进 行数据的接收，保障数据传输的准确性，通过数据传输接口转换模块38进行数据传输， 经USB接口39，传送到数据中心40的显示屏上实时显示联网的各台监测仪检测的数据、 计算结果、冻伤预警和不同作业强度作业防护信息，并可以实时进行存储，对存储的数据 信息进行查询操作。通过控制，可以对联网的手持式监测仪1通过USB接口39、接口转 换模块38、第二无线发射、接收模块37、第二无线放大模块36和高增益天线34将控制 信号发射出去，控制联网的手持式监测仪1进行检测操作，并将检测后的信息传送到移动 数据中心2。

综上所述，本发明实施例通过手持式监测仪对冷环境气象信息的监测，智能预警冻伤 的危险性，并根据不同的作业强度提示作业防护，将上述信息通过无线网络传送到移动数 据中心，形成区域性监测网络系统，从而预防冻伤的发生，提高寒冷地区户外作业效率。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要 能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号 仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。