CN102135772A - 远端物体姿态信息分级监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种远端物体姿态信息分级监控系统。它与已有的远端基站天线等物体姿态监控系统不同的是在诸多姿态物体天线（6）上的姿态传感器探头（1）与远处监控中心服务器（3）之间的加设了“远端分级监控设备（2）”，将原本N个探头（1）与监控服务器（3）之间要一一对应“发射-接收”的N次传输的数量压缩到1∕N，然后远端分级监控设备（2）经过一级监控、校正、筛选，再利用公共无线通信模块（2-4）发送到二级监控中心服务器（3）。不仅节省了探头（1）与服务器（3）之间的N次通信成本，而且提高了姿态监控的稳定性。并且分级监控设备（2）可根据运营系统的需要另行“量身定制”。

Description

远端物体姿态信息分级监控系统

技术领域

本发明涉及自动监控物联网系统，包括遥测遥感、有线与无线网络结构设计、数据交换及处理等自动化技术领域。

背景技术

随着信息化社会的发展，各种网络化、集成化、智能化等信息管理系统（MIS）应运而生，其数量日益庞大，其自动化程度也越来越高。诸如卷烟自动化生产线，一二个工人可以监管几十台以上卷烟机；十几分钟就有一辆小轿车出自自动化生产线；水、电、煤公司一改每月派人上门挨家挨户抄表状况，用远程数字信息“抄表”，无论家中有人无人，就能准确无误“抄表”，继而向住户银行、信箱发送账单。总之各行各业几乎都有自我特色的管理信息系统（MIS）监控模式。

但是，现在采用的监控方法，特别是实施远距离移动设施目标监控尚存在以下问题：

1.远距离设施目标监控受环境影响，监控难度大。如电力铁塔，公路监控摄像头，海上航标、海礁灯塔，通信基站等，或是设施目标地处交通不便，例如架设在荒山野岭、人员不易到达的地方，即便采用人工方法测试监控，就必须携带大量测量设备翻山越岭，不仅给完成监控工作造成很大的困难，而且造成人力物力的不必要的浪费。

目前有些领域采用摄像头视频监控的方式，通过摄像头监控画面，经过图像识别方法来判断物体姿态的变化是目前一些地区采用的物体姿态无人监控的手段，但是，该种方法受到环境的影响严重，当遇到冰雪天气或者摄像头被遮盖则无法准确监控既定目标。

2. 远端设施目标监控多为重大国家基础设施。如电力铁塔、通信基站、类似青藏铁路的地基是冰川冻土，它们大多坐落在人烟稀少的地方，对这类资源的温控监测靠的是，那些常年值守在青藏高原上的科技工作者们，一旦遇到地震、冰川融化等自然灾害，如不能及早发现危险征兆及时采取补救措施；如遇到人为破坏，造成设施倒塌、爆炸等事故往往无法及时发现、报警、制止，都将会给国家与百姓的生命财产带来十分巨大的危害好经济损失。

3.远端设施目标监控运行成本高。现在拥有自动监控、网络化流水线的单位大多还没有非常及时有效的办法来对上述情况进行监控和报警，比较原始的方法是采用派遣巡查人员逐一巡查。例如，某中小城市城市的百姓拥有数十万部手机，为了保证每部手机在任何地方都能信息畅通，就必须拥有5千多个移动通信基站，每个基站铁塔上至少悬挂4.5万根天线，而天线的方向由三根彼此成120 o的天线以360 o全方位覆盖着，因此，相关通信公司要确保网络优化，全靠基站铁塔上4.5万根天线的方向和角度稳定和控制精度。以往主要方法，首先使用坡度仪或线垂来测量建筑的倾角；用罗盘来测量物体的水平变化角度。这种方法监控不仅周期长、准确率低，而且成本高。尽管发明专利申请号为200810243947的现有技术提供了基站天线角度自动检测方法，但是对成千上万根天线都要一一通过有线通讯进行传输、监测，一旦遇上风暴冰雪灾害，有线传输受阻……，其不仅运行成本高，而且对监控信箱反馈速度、天线角度位移、或网络覆盖精度等无疑存在不足之处。

发明内容

针对以上分析的缺陷，本发明提出了一种基于物联网概念的“远端物体姿态信息分级监控系统”。它由姿态传感器探头⑴、远端分级监控设备⑵、监控中心服务器⑶、监控信息共享数据处理器⑷和值守通讯设备（5）。

一组姿态传感器探头（1）安装在被测物体上，远端分级监控设备（2）安装在探头附近，并对姿态传感器探头（1）通过有线或无线进行控制和数据处理，同时远端分级监控设备（2）负责和监控中心服务器（3）联系，有选择地上报数据或执行服务器（3）下达的指令，服务器（3）可将信息共享到其他电脑（4）或者发送到指定的值守手机（5）。远端分级监控设备（2）和监控中心服务器（3）是整个系统的核心。远端分级监控设备（2）带有显示屏幕（2-5），在被测物体进行安装固定的时候能实时显示当前的方向、角度值，以便被测物体能准确地安装在指定的方向和角度上。远端分级监控设备（2）进行监控时，将姿态传感器数据进行校准和修正处理，并通过通信协议对每个被测物体进行轮询监测，在被测物体的方向、角度值超过设定值的时候，则才将该数据发送到监控中心服务器（3），同时在远端分级监控设备（2）中安装了有线传输方式的I²C多路开关（2-1）和ZIGBEE/WIFI无线通信模块（2-2）双重收发通路，通过收发模块和各个姿态传感器探头（1）联系（获取数据或下达指令）；监控中心服务器（3）安装在监控中心机房中，同时在服务器（3）系统中安装了无线通讯模块（3-1-2），通过该模块和各个监控点通信联系（获取数据或下达指令）。监控软件安装在监控中心服务器（3）中，主要是处理庞大的监控数据和显示内容，同时也可以根据设定向服务器（3）软件系统与专用电子地图（3-2-1）、服务器显示屏（3-2-2）、监控信息共享电脑（4）或向人工指定的值守手机（5）发送警报信息。

附图说明

附图1.远端物体姿态信息分级监控系统示意框图

附图2姿态传感器探头示意框图

附图3.远端分级监控设备工作原理示意框图

附图4.监控中心服务器示意框图。

以上图1~图4为本发明说明书文档中使用的附图。其中各主要模块均已统一编号，编号解释如下：

（1）姿态传感器探头

（1-1）三轴磁阻传感器

（1-2）三轴加速度传感器

（1-3）I²C信号通路

（1-4）ZIGBEE/Wi-Fi无线通信模块

（2）远端分级监控设备（可搭载多个探头）

（2-1）I²C多路开关

（2-2  ZIGBEE/WIFI无线通信模块

（2-3）ARM内核处理器芯片

（2-4）无线通讯模块GSM/CDMA/WCDMA

（2-5）姿态参数显示屏幕

（2-6）电源管理模块

（3）监控中心服务器

（3-1）无线数据处理模块

（3-1-1）电源管理模块

（3-1-2）通讯模块GSM/CDMA/WCDMA

（3-1-3）数据处理模块

（3-2）商用电脑

（3-2-1）软件系统与专用电子地图与专用电子地图

（3-2-2）服务器显示屏

（4）监控信息共享电脑

（5）值守手机

（6）通讯模块天线。

以下借助附图，对本发明内容作简要说明。

附图1.远端物体姿态监控系统示意框图内涵说明：

本发明所述的远端物体姿态分级监控系统运行功能大致如下：数以万计的姿态传感器探头⑴分别一一对应负责感应检测当前远端物体的姿态目标数据。再由远端分级监控设备⑵负责给姿态传感器探头（1）提供电源并通过I²C信号通路（1-3）(或通过ZIGBEE/Wi-Fi无线通信模块(1-4)的无线方式)和三轴磁阻传感器（1-1）、三轴加速度传感器（1-2）建立数据通信，用来采集三轴磁阻传感器（1-1）、三轴加速度传感器（1-2）的数据，同时检测三轴磁阻传感器（1-1）、三轴加速度传感器（1-2）当前的状态是否正常并可以发出自校准命令让三轴磁阻传感器（1-1）、三轴加速度传感器（1-2）恢复正常状态。一个远端分级监控设备⑵可搭载多个姿态传感器探头（1），按照目前的系统要求，暂时开放了16个端口（即可同时搭载16个探头），根据理论数值可搭载255个传感器探头。远端分级监控设备⑵上安装一个显示屏幕（2-5），在被测物体进行安装固定的时候，能实时显示当前被测物体的方位、角度、方向等数据，便于工作人员调整安装支架，将被测物体安装在预先设定的位置。远端分级监控设备⑵和姿态传感器探头⑴组成了一个局域星型网络，若干个这样的局域网络通过无线的方式和监控中心服务器⑶相连进行数据交互，向监控中心服务器（3）发送本局域网里各姿态传感器探头（1）发回的数据，并执行监控中心⑶发出的指令。监控中心服务器⑶以一台高性能商务电脑（3-2）为基础，加装了无线数据处理模块（3-1）（包括电源管理模块（3-1-1）、GSM/CDMA/WCDMA通讯模块（3-1-2）及数据处理模块（3-1-3））形成无线网络的功能，担负整个系统数据处理中心的任务。监控中心服务器⑶可以通过软件系统与专用电子地图和工作人员进行人机交互，比如地图标识、统计表格等形式，也可以通过局域网（或者互联网）与多台电脑（4）共享，还可以通过无线方式向值班人员的手机（5）发送相关信息。

附图2姿态传感器探头示意框图内涵说明：

本发明中的姿态传感器探头⑴内部采用一个三轴磁阻传感器（1-1）芯片和一个三轴加速度传感器（1-2）芯片，分别测量X/Y/Z三个轴向的磁场变化。姿态传感器探头（1）可以直接通过I²C信号通路（1-3）有线方式和远端分级监控设备（2）相连接，也可以通过ZIGBEE/Wi-Fi无线通信模块（1-4）和远端分级监控设备（2）建立无线连接。通过有线的方式在局域网距离短的时候，通信延伸每米的硬件成本比ZIGBEE/Wi-Fi无线通信模块（1-4）的方式低，而且能耗低。当姿态传感器探头（1）比较分散（距离超过25米）时采用无线通信模块ZIGBEE/Wi-Fi（1-4）的方式和远端分级监控设备（2）组成局域网其成本比较低，但此时需要给各探头（1）提供独立供电，有线连接时则无需独立供电。

附图3.远端分级监控设备工作原理示意框图内涵说明：

远端分级监控设备（2）是安装在被测物体上，监控各姿态传感器探头（1）的工作状态，并与监控中心服务器（3）建立联系上报数据和接收指令的“中间”工作单元，一方面能显示当前被测物体的姿态参数，另方面远端分级监控设备（2）是以ARM内核处理器芯片（2-3）为中央处理器，载上通讯模块GSM/CDMA/WCDMA（2-4）、I²C多路开关（2-1）或者无线通信模块ZIGBEE/Wi-Fi（2-2），和加装的姿态参数显示屏（2-5）组成一个远端分级监控系统。根据ARM芯片（2-3）的处理能力，决定了该远端分级监控设备（2）可以同时处理传感器探头（1）的数量。按目前需求，在当前的系统暂时开放了16个端口，即可控制16个传感器探头（1）；如果需要可以增加传感器探头（1）数量。根据局域网的组成方式不同，远端分级监控设备（2）分别加载不同的无线通讯模块ZIGBEE或者Wi-Fi（2-2）；如果环境比较简单则采用I²C多路开关（2-1）的有线方式将多个姿态传感器探头（1）和远端分级监控设备（2）连接在一起，这种结构最为稳定可靠。理论上一个远端分级监控设备（2）可以控制管理255个姿态传感器探头（1）。如果被监控的目标（6）数目超过远端分级监控设备（2）可挂载的数量时，可以通过增加远端分级监控设备（2）的方式来实现全部覆盖。

在远端分级监控设备（2）框图中，ARM内核处理器芯片是这部分的核心，ARM芯片内的CPU控制着各辅助模块的工作，程序预先烧录在ARM芯片内部的寄存器中。电源管理模块（2-6）负责将外部电源转换成远端分级监控设备（2）各模块所需电压并提供稳定电源。      ZIGBEE/Wi-Fi无线通信模块（2-2）可直接选用现成的已有技术产品，用于和各传感器组成局域网络。在通讯模块GSM/CDMA/WCDMA（2-4）中则可以根据需要选择其中一家相应运营商的SIM卡，远端分级监控设备（2）通过这个模块经过现有运营商网络和监控中心的服务器（3）建立无线通信。

本发明与已有监控系统不同的是在诸多的“姿态传感器探头（1）”与“监控中心服务器（3）”之间增设了“远端分级监控设备（2）”不仅覆盖面、扩展性强，它将数以万计的“姿态传感器探头（1）”分组对接与数以千百计的“远端分级监控设备（2）”，大大减轻了“监控中心服务器（3）”统计强度、提高了监控的精度；降低了监控系统的运行和监控成本；本发明的应用领域可以结合客户行业需求按需设计。这里所述的监控系统只要把传感器类型进行更换，例如把传感器换为烟雾传感器和温度传感器，则本系统就可以改为楼宇火情信息分级监控系统。

监控系统中增设远端分级监控设备（2）至少有以下几方面优点：

1、可以节省运营商SIM卡号资源。因为探头数目非常庞大，如果每个探头都直接和服务器通信，则势必占用数量庞大的SIM卡号码资源。在本发明中在监控中心服务器（3）和姿态传感器探头（1）之间加入“远端分级监控设备（2）”这个环节，改变了原来的组网拓扑结构，远端分级监控设备分管若干传感器单元，统一向监控中心服务器传送数据。以中国移动的GSM基站为例，一个基站需要监控的天线数量为9~16个，需要安装9~16个传感器探头，原先的方案需要每个探头占用一个SIM卡，即占用一个号码；现在方案用1个远端分级监控设备（2）管理9~16个传感器探头，一个远端分级监控设备只占用一个SIM卡号码，这样对号码资源的占用就将为原来的1/16~1/9。

2、增加系统的稳定性。本发明方案中在传感器和服务器之间增加了“远端分级监控设备（2）”这个环节，使得原本要处理每个传感器发送的数据的服务器现在只需要处理远端分级监控设备（2）的信息，这样使得服务器的工作压力大大降低，在处理监控数据这一项上将为原来的1/9。通过这种方法，整个系统的工作稳定性也得到了大大提升。

3、可以大大节省系统运行成本。因为采用了远端分级监控设备（2）形式，产生通信费用的只有远端分级监控设备（2）和服务器（3）之间。如果每个远端分级监控设备搭载10个探头，则通信费用就会降为每个探头都直接和服务器连接这种结构的1/10）。

另外，远端分级监控设备（2）还支持无线方式的组网技术，内置的ZIGBEE和WIFI无线通信模块（2-2）的覆盖距离在开阔环境下能达到200米。当被监控目标比较分散，距离相对较大时可采用ZIGBEE或者WIFI技术无线组网；在各探头之间距离比较集中时，采用双绞线以I²C多路开关（2-1）通信模式直接组成局域网，这样组网成本会更低，结构更稳定。按照有线连接组网的方式可以按需定制探头和远端分级监控设备（2），这样成本可以进一步降低。

附图4.监控中心服务器与软件平台功能示意图说明：

监控中心服务器（3）是在一台高性能商用电脑（3-2）的基础上加装无线数据处理模块（3-1）构成的。无线数据处理模块（3-1）可以通过PCI总线做成板卡形式插在服务器主板PCI插槽上；或者单独作为一个单元以机顶盒的形式通过USB接口和服务器连接。无线数据处理模块（3-1）包含了电源管理模块（3-1-1）、通讯模块GSM/CDMA/WCDMA（3-1-2）、数据处理模块（3-1-3）和天线（6）组成。监控中心服务器（3）通过通讯模块GSM/CDMA/WCDMA（3-1-2）和远端分级监控设备（2）建立连接后，从远端分级监控设备（2）发送过来的数据经由通讯模块GSM/CDMA/WCDMA（3-1-2）接收，通过数据处理模块（3-1-3）将数据转换成计算机接口可直接读取的形式，然后监控中心服务器（3）的CPU再对这些数据进行处理。

软件系统与专用电子地图（3-2-1）安装在商用电脑（3-2）中，提供强大的数据管理及处理能力。在软件系统中包含了一个特制的“专用电子地图系统”，每个监控目标都在电子地图上一一对应。操作人员可以通过服务器显示屏（3-2-2）上的电子地图直观地看到整个监控地域的被测目标的状况。系统软件处理来自各监控点远端分级监控设备（2）发回的各探头数据。根据这些数据从数据库中调出相应的信息通过人机操作界面在监控显示屏上显示出来。操作人员可以通过操作可以在软件中增加或删减监控点、新建监控地区、查看各监控点当前的姿态参数、设定自动轮询让各远端分级监控设备自动按照设定周期或时间汇报该点各探头姿态当前状况、通过自动导航生成由监控点去往报警地点的路线、生成监控日志、生成统计报表等功能。这样软件操作人员可以直观到哪些目标是经常出问题的，可及时采取相应措施对监控目标进行维护、修正。

软件系统与专用电子地图（3-2-1）会对接收数据进行监控判断，如果不是远端分级监控设备（2）发过来的数据则作为垃圾信息处理，在日志文件中记录，但是在统计表格中不体现。

通过局域网或者互联网，监控数据可以给多台共享电脑（4）进行信息共享，便于多个操作人员同时查看和处理。操作人员还可以根据需要将自己的手机设定为值守手机（5），当操作人员暂时离开岗位时，服务器会将报警信息以短信的形式发送到值班人员的值守手机（5）上，以免报警的遗漏。

具体实施方式

以通讯基站为例，一个基站上有9-16个通讯天线，每个天线的角度、方位都有严格的设计要求，对该区域的通讯信号范围进行覆盖。如果天线位置发生变化，将会引起某区域的手机用户无法进行正常通话，但这种天线位置变化不能通过肉眼进行识别，用现有的测试手段则需要安排工作人员爬上基站铁塔进行手工测试校对，不仅费时费力，而且工作人员的安全有一定的风险性，对运营商的网络优化工作造成了很多不便。

如果应用本发明系统，按各自的运营商选择通讯模块，将对应的SIM卡安装在远端分级监控设备（2）上，通过监控中心对远端分级监控设备（2）进行编号记录。当姿态传感器探头监测到基站天线的位置变动超过设定值的时候，监控中心服务器对该位置的信息发出警报，工作人员就可以安排相关工作人员对该天线位置进行调整，通过远端分级监控设备（2）上的显示屏幕把天线位置准确地调整到当初的设定值。这样，运营商在接到客户投诉之前就把问题解决了。而且选用运营商自己的通讯模块和SIM卡，可以极大地减少了日常维护的费用。

又如，以电力铁塔为例，如果一座铁塔有2~6个悬挂臂。安装之前先在运营商处办理SIM卡业务，获取号码资源和SIM卡，将SIM卡安装在远端分级监控设备（2）的SIM卡插槽当中，并记录下SIM卡号和对应的远端分级监控设备号。在安装时，将远端分级监控设备（2）先通过紧固件固定安装在铁塔主体上部靠悬挂臂的位置，姿态传感器探头（1）通过安装组件夹具牢固地固定在悬挂臂上，由于各悬挂臂离开铁塔主体的距离较近，这里采用高速数据线的方式将各探头连接到远端分级监控设备上，同时对探头编号进行记录。依次类推对整条输电线路的铁塔进行加装远端分级监控设备（2）和姿态传感器探头（1）。在监控中心安放服务器，并将服务器连接到互联网上，同时将监控中心服务器天线（6）架设在运营商信号覆盖良好的区域。

然后，在监控中心软件系统与专用电子地图（3-3）操作上，打开监控软件，新建监控区域，根据安装探头的铁塔编号增加监控点，并录入对应的SIM卡号码。监控点信息建立完毕后进行初始化，由监控中心向各远端分级监控设备发出指令：初始化各探头，并汇报当前姿态参数。完成该步骤后整个监控网络开始监控工作。

通过以上实施例，可见本发明对于远端物体姿态的监控提出了一种实用又创新的方法，比传统的人工巡查，手动测绘计算的方法大大提高了工作效率；提供了一个完全实用的全区域覆盖监控的平台；本发明所提及的物体姿态监控系统可以根据需要铺设近距离/远距离监控的范围，理论上，它可以监控整个地球范围内的既定目标。

综上所述，本发明所述的姿态传感器探头（1）、远端分级监控设备（2）、交替使用有线通信与无线通信等多处创新的“监控系统”可谓具有：自动化程度高、无须全天候监控、反应速度快、测量精度高、适用面广、运营成本低、系统从建立到运营无任何环境污染，纯属绿色环保新发明。

Claims (8)

1.一种远端物体姿态信息分级监控系统，其包括多个姿态传感器探头（1），远端分级监控设备（2），监控中心服务器（3），监控信息共享数据处理器（4）和值守通讯设备（5），其特征在于：所述姿态传感器探头（1）装有可无线发射的ZIGBEE/Wi-Fi无线通信模块（1-4）；远端分级监控设备（2）具有I²C多路开关（2-1）有线接收模块、ZIGBEE/WIFI无线通信模块（2-2）与姿态参数显示屏（2-5）；监控中心服务器（3）装有无线数据处理模块（3-1），带有专用电子地图的软件系统（3-2-1），及服务器显示屏（3-2-2）。

2.根据权利要求1所述的远端物体姿态信息分级监控系统，其特征在于：所述姿态传感器探头（1）可以按姿态信息目标的不同，按需选择设计有线传输I²C信号通路（1-3），或选择设计无线发射ZIGBEE/Wi-Fi通信模块（1-4）。

3.根据权利要求1所述的远端物体姿态信息分级监控系统，其特征在于：所述远端分级监控设备（2）通过有线通路模块I²C多路开关（2-1）或ZIGBEE/WIFI无线通信模块（2-2）接收来自姿态传感器探头（1）的监控信息，并通过无线通讯模块GSM/CDMA/WCDMA（2-4）发送到监控中心服务器（3）。

4.根据权利要求3所述的远端物体姿态信息分级监控系统，其特征在于：该远端分级监控设备（2）可以接收来自1~255根天线（6）上的姿态传感器探头（1）监控参数信息。

5.根据权利要求3所述的远端物体姿态信息分级监控系统，其特征在于：所述远端分级监控设备（2）以ARM内核处理器芯片（2-3）为中央处理器，载上通讯模块（2-4）、I²C多路开关（2-1）、无线通信模块（2-2），与加装的姿态参数显示屏（2-5）组成一个远端分级监控系统，通过姿态参数显示屏（2-5）调整监控目标的参数，同时通过无线通信模块GSM/CDMA/WCDMA（2-4）将信息上传到监控中心服务器（3）。

6.根据权利要求1所述的远端物体姿态信息分级监控系统，其特征在于：所述监控中心服务器（3）是在一台高性能商用电脑（3-2）的基础上加装无线数据处理模块（3-1）构成的。

7.根据权利要求5所述的远端物体姿态信息分级监控系统，其特征在于：所述无线数据处理模块（3-1）可以通过PCI总线做成板卡形式插在监控中心服务器（3）主板PCI插槽上；或者单独作为一个单元以机顶盒的形式通过USB接口和监控中心服务器（3）连接。

8.根据权利要求5所述的远端物体姿态信息分级监控系统，其特征在于：所述软件系统与专用电子地图（3-2-1）安装在商用电脑（3-2）中，操作人员可以通过监控中心服务器（3）显示屏（3-2-2）上的电子地图直观地看到整个监控地域的被测目标的状况。

Images