CN103148890A

CN103148890A - 基于光纤和无线传输的传感监测系统

Info

Publication number: CN103148890A
Application number: CN2013100208734A
Authority: CN
Inventors: 黄旭光; 徐伟; 钟泽槟
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2013-06-12

Abstract

本发明公开了一种方便灵活的数据采集与监视控制，传感器的选择范围更广，环境因素针对性更强，传感节点覆盖范围更大的基于光纤和无线传输的传感监测系统，它包括中央监控主站、数个一级传输基站和数个采集系统，各采集系统与各一级传输基站之间通过无线通信终端互连，中央监控主站与各一级传输基站之间通过光纤互连。中央监控主站负责数据处理，以及向各一级传输基站和各采集系统传达控制命令，中央监控主站控制各采集系统监测设备状态或者设备周围环境状况，并将监测的数据信号发送至与一级传输基站，中央监控主站还控制各一级传输基站将接受的数据信号发送至中央监控主站，由中央监控主站对所有监测数据进行分析、存储、动态联网显示和报警。

Description

基于光纤和无线传输的传感监测系统

技术领域

本发明涉及一种对设备状态和设备周围环境状况进行监测的传感监测系统，具体来说，涉及一种方便灵活的数据采集与监视控制，传感器的选择范围更广，环境因素针对性更强，传感节点覆盖范围更大的基于光纤和无线传输的传感监测系统。

背景技术

随着全球一体化、工业自动化和信息化进程的不断深入，物联网或智能传感网技术越来越受到人们的关注，未来物联网将对促进互联网的发展，带动人类的进步发挥着重要作用，被称为继计算机和互联网之后，世界信息产业的第三次大潮。物联网是通过射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。无线传感网因其具有自组织、高可靠、灵活性、低功耗等特点，在国防军事、环境监测、医疗健康、交通管理、制造业、抗灾抢险等领域有非常广泛的应用前景，是加速物联网技术的成熟和商用化的关键领域之一。

光纤无线传感网是将光纤传感或光纤通信技术引入到无线传感网中，传感单元采用光纤传感器或电子传感器，数据通信采用无线和光纤传输接力的综合专用网络信息系统。光纤接入技术能解决带宽和传输距离不足的问题而无线接入能满足灵活组网和移动入网的需求，光纤无线融合的传感技术在近几年受到广泛关注和深入研究，例如审定公开日为2007年06月27日、公开号为CN1987952的中国专利“无线光纤传感网络系统”，提出将光纤光栅传感器等光纤传感头作为无线传感节点和可调谐滤波器作为解调单元的无线传感网。审定公开日为2008年07月16日、公开号为CN101222523的中国专利“多参量光纤光栅无线传感器网络”，提出自组织的传感节点通过汇聚节点与近程终端通信，近程终端通过手机网络GPRS或INTERNET与远程终端通信。上述无线传感网中均没有采用技术成熟，成本低廉的电子传感器与光纤传感器搭配使用，两者的适用环境和测量优势有互补空间，根据不同场合不同精度要求选择合适传感器易于实现成效最大化；并且传感网络体系也存在不足，当监控区域广而传感节点多且长时工作时，对终端设备要求高，成本昂贵的GPRS网或INTERNET不适合用来传输庞大的数据量，使无线传感网的应用范围和监控能力受到限制。

发明内容

针对以上的不足，本发明提供了一种方便灵活的数据采集与监视控制，传感器的选择范围更广，环境因素针对性更强，传感节点覆盖范围更大的基于光纤和无线传输的传感监测系统，它包括中央监控主站、至少一个一级传输基站和至少一个采集系统，每一所述采集系统负责监测设备状态或者设备周围环境状况，并将监测的数据信号以无线传输的方式发送至与其对应的一级传输基站；所述一级传输基站将接受的数据信号以光纤传输的方式发送至中央监控主站；中央监控主站对接受的监测数据进行分析、存储、动态联网显示和报警，同时向各一级传输基站和各采集系统传达各种控制命令。

每一所述采集系统包括至少一个二级采集端基站，每个所述二级采集端基站通过485总线连接有至少一个传感器，所述传感器用于感知设备状态或者设备周围环境状况，并将传感数据通过485总线发送至对应的二级采集端基站；二级采集端基站对接受的所有传感数据进行打包，并通过无线传输的方式将打包后的传感数据发送至对应的一级传输基站。

每一所述二级采集端基站通过485总线连接有至少一个电子传感器。

每一所述二级采集端基站通过485总线连接有至少一个光纤传感器。

每一所述二级采集端基站通过485总线连接有至少一个电子传感器和至少一个光纤传感器。

每一所述二级采集端基站通过485总线连接有分布式拉曼传感器、分布式布里渊传感器、光纤光栅传感器、光纤FP腔传感器、光纤镀膜传感器和光纤端面反射传感器中的一种或者几种。

每一所述二级采集端基站通过485总线连接有温度传感器、应变传感器、位置传感器、电流传感器、电压传感器、气象传感器、浓度传感器、音频传感器和红外热成像传感器中的一种或者几种。

本发明的有益效果：本发明充分发挥光电混合特性在系统状态安全探测和监控方面的应用优势，将传统电子传感器和光纤传感器配合使用，使得电子传感器和光纤传感器优势互补；二是利用光纤通信的大范围、长距离传输与无线通信的小范围内辐射覆盖，随时随地交换数据相结合，方便灵活组网，优化资源配置，根据需要设计数据传输及传感器网络，布置于各种复杂应用环境，极大扩展了传感监控系统的适用性和可行性。

附图说明

图1为本发明的基于光纤和无线传输的传感监测系统的系统框架图；

图2为本发明的采集系统的系统框架图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步阐述。

如图1和图2所示，本发明的基于光纤和无线传输的传感监测系统包括中央监控主站1、至少一个一级传输基站2和至少一个采集系统3，各采集系统3分别与对应的一级传输基站2之间通过无线通信终端互连，中央监控主站1与各一级传输基站2之间通过光纤互连。中央监控主站1主要负责数据处理，以及负责向各一级传输基站2和各采集系统3传达各种控制命令，中央监控主站1控制各采集系统3监测设备状态或者设备周围环境状况，并将监测的数据信号以无线传输的方式发送至与其对应的一级传输基站2，同时，中央监控主站1还控制各一级传输基站2将接受的数据信号以光纤传输的方式发送至中央监控主站1，最后由中央监控主站1对接受的所有监测数据进行分析、存储、动态联网显示和报警等处理。

其中，采集系统3包括至少一个二级采集端基站31，二级采集端基站31在应用层采用MODBUS协议，每个二级采集端基站31通过485总线32连接有至少一个传感器33（多个传感器33形成传感器网络），利用传感器33感知设备状态或者设备周围环境状况，并将传感数据通过485总线32发送至对应的二级采集端基站31；二级采集端基站31对接受的所有传感数据进行打包，并通过无线传输的方式将打包后的传感数据发送至对应的一级传输基站2，最终传输至中央监控主站1进行数据处理。通过485总线32连接至二级采集端基站31的传感器33可以是数个电子传感器、可以是数个光纤传感器，也可以是数个电子传感器和数个光纤传感器形成的混合传感器网络，传感器33的种类可以包含温度传感器、应变传感器、位置传感器、电流传感器、电压传感器、气象传感器、浓度传感器、音频传感器和红外热成像传感器。光纤传感器可以是分布式拉曼传感器、分布式布里渊传感器、光纤光栅传感器、光纤FP腔传感器、光纤镀膜传感器或光纤端面反射传感器中的一种或几种。

传感器网络是由数个放置在设备关键部位或等距分布点的传感器串联或并联而成的，复杂电磁环境下采用抗干扰能力强的光纤传感器，已有成熟方案的场合采用体积小、成本低的集成电子传感器，光纤传感器与电子传感器组网工作时不会互相干扰，

二级采集端基站31主要由微处理器通信控制模块和无线通信终端构成，主要负责采集和处理相连的各传感器33（传感器网络）反馈回来的传感信号，然后编码成适合传输的数据形式，最后通过射频的方式转发到一级传输基站2。

一级传输基站2是一个广域传感检测系统的区域信息中枢，通过无线方式连接散布于四周的二级采集端基站31，将各个二级采集端基站31发回的传感数据收集融合，送到光纤无线网关模块，该模块的作用是光电转换，调制光载波，做好远距离光纤通信的准备。

中央监控主站1是在远端的数据分析、存储、动态网页显示、报警处理或传达控制命令的监控中心。

所有传感器33通过MODBUS总线的RS485串口与二级采集端基站31的PLC通信控制模块相连；光纤传感器网络添加的模块包括激光光源、光纤传感器、分光解调模块和光电转换模块，再通过RS485串口与二级采集端基站31的微处理器通信控制模块相连，多个二级采集端基站31的无线通信终端通过自组织形成无线传感网，与所依附的一级传输基站2的无线通信终端相连。

MODBUS通讯

MODBUS是一个标准的、真正开放的、在工业自动化领域应用最广泛的网络通讯协议，可以连接不同类型总线或网络的设备之间提供客户机/服务器通信。MODBUS协议包括ASCII、RTU、TCP等，并没有规定物理层。此协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。数据通讯采用Master/Slave方式，Master端发出数据请求消息，Slaver端接收到正确消息后就可以发送数据到Master端以请求响应请求；Master端也可以直接发消息修改Slave端的数据，实现双向读写。

工作时，首先初始化线路上的各RS485串口，然后在总线上发送广播报文，广播报文内容为召唤各传感器的数据，延时200ms，等待总线上数据返回情况，分配传感器不同的地址，按地址依次遥测各传感器，并在允许的时间内等待传感器的响应，获得数据，把各传感器的数值封装在不同的存储空间中。

无线通讯

系统中的无线数据收发主要在一级传输基站2和区域内的数个二级采集端基站31之间发生，二级采集端基站31作为无线传感器网的节点，通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感知、采集和处理传感器覆盖区域中特定的信息，这种自组织形式构成的网络，通过多跳中继方式先将数据传回传一级传输基站2的无线通信模块，即SINK节点，最后借助SINK链路将整个区域内的数据传送到中央监控主站1进行集中处理。传感器网络路由性能决定传感器节点的能量使用效率和网络的生存期，应用基于分簇的层次型路由LEACH（Low Energy Adaptive ClusteringHierarchy），相邻节点动态地自动形成簇，节点等概率的随机成为簇首，通过使所有节点均衡地消耗能量，延长了网络保持连通性的时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims

1.一种基于光纤和无线传输的传感监测系统，其特征在于，它包括中央监控主站（1）、至少一个一级传输基站（2）和至少一个采集系统（3），每一所述采集系统（3）负责监测设备状态或者设备周围环境状况，并将监测的数据信号以无线传输的方式发送至与其对应的一级传输基站（2）；所述一级传输基站（2）将接受的数据信号以光纤传输的方式发送至中央监控主站（1）；中央监控主站（1）对接受的监测数据进行分析、存储、动态联网显示和报警，同时向各一级传输基站（2）和各采集系统（3）传达各种控制命令。

2.根据权利要求1所述的基于光纤和无线传输的传感监测系统，其特征在于，每一所述采集系统（3）包括至少一个二级采集端基站（31），每个所述二级采集端基站（31）通过485总线（32）连接有至少一个传感器（33），所述传感器（33）用于感知设备状态或者设备周围环境状况，并将传感数据通过485总线（32）发送至对应的二级采集端基站（31）；二级采集端基站（31）对接受的所有传感数据进行打包，并通过无线传输的方式将打包后的传感数据发送至对应的一级传输基站（2）。

3.根据权利要求2所述的基于光纤和无线传输的传感监测系统，其特征在于，每一所述二级采集端基站（31）通过485总线（32）连接有至少一个电子传感器。

4.根据权利要求2所述的基于光纤和无线传输的传感监测系统，其特征在于，每一所述二级采集端基站（31）通过485总线（32）连接有至少一个光纤传感器。

5.根据权利要求2所述的基于光纤和无线传输的传感监测系统，其特征在于，每一所述二级采集端基站（31）通过485总线（32）连接有至少一个电子传感器和至少一个光纤传感器。

6.根据权利要求4或5所述的基于光纤和无线传输的传感监测系统，其特征在于，每一所述二级采集端基站（31）通过485总线（32）连接有分布式拉曼传感器、分布式布里渊传感器、光纤光栅传感器、光纤FP腔传感器、光纤镀膜传感器和光纤端面反射传感器中的一种或者几种。

7.根据权利要求2所述的基于光纤和无线传输的传感监测系统，其特征在于，每一所述二级采集端基站（31）通过485总线（32）连接有温度传感器、应变传感器、位置传感器、电流传感器、电压传感器、气象传感器、浓度传感器、音频传感器和红外热成像传感器中的一种或者几种。