CN106815667A - 基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统，系统包括智能仪器设实时备监控终端、大型仪器设备的信息库系统以及人机交互管理中心模块。本套系统利用无线数据传输技术，应用灵活便捷，管理效果明显，同时为主管部门提供了高效的管理手段，遵循国家对共享使用大型科研仪器的倡导。提高大型科研仪器的使用率，发挥更大的效能，也能提高大型科研仪器的价值，补充部分使用消耗成本，进入良性运行的轨道。该系统具有开放扩展性，新购大型科研仪器可方便的加入本系统中。

Description

基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统

技术领域

本发明公开了基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统，涉及物联无线通讯及电器控制智能化监测技术领域。

背景技术

在现代科研领域中，为了提高科研的技术水平及采集数据的快速及准确性，各种研究单位花费大量科研经费购置相当数量的科研仪器，在实际的使用过程中，各科研单位都不可能将所需的仪器购置齐全，也不可能将所有仪器满负荷使用，仪器的工作状态监测更是缺乏，在工作中，仪器的利用缺乏合理的规划，仪器的共享使用没有合理的管理。而至今没有一个成熟有效的共享使用平台能为大家服务，大量科研仪器没有发挥最大的效能。这就需要有一套行之有效的平台解决方案，能使大量的科研仪器实现高效共享使用，提升仪器的价值。

在现有仪器管理模式中，各单位拥有的仪器信息不完全透明，对于需要使用这些仪器的单位没有一个方便快捷的途径查询到仪器的确切位置、功能及参数，想使用这些仪器更加困难，对于一些可以使用的仪器，也无法确定何时可使用、如何利用这些仪器等实际问题。对于上级管理部门，也不能事实准确掌握这些大型科研仪器的实际运转情况以及设备利用情况，仪器工作量主要靠仪器所属单位年终上报，准确性和可靠性较差，并且实时性差。

随着无线互联网的发展，传送数据的效率大大提高，基于移动4G网络，可以在任意各处进行数据传输，将无线互联网应用于大型科研仪器的监控与管理中，可以使效益大大提高，而管理成本大大降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有大型科研仪器管理效率低下及设备工作状态监测的现状，提供一种基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

所述基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统，包括智能仪器设备实时监控终端、仪器设备的信息数据库系统以及人机交互管理中心模块，其中，

所述智能仪器设备实时监控终端包括：

数据采集模块，用以获得系统中设置的传感器的模拟信号，并对所述模拟信号进行算法处理，将设备的状态量化；

身份识别控制软件功能模块，用以实现身份识别，进行仪器设备的启动或关断；

数据传输软件功能模块，用以连接传感器和身份识别模块，通过无线移动网络模块建立数据链路，将采集到的仪器状态数据、设备使用数据和使用人员信息数据加密后通过无线移动网络传输到仪器设备的信息数据库系统；

所述仪器设备的信息数据库系统用以保存设备状态数据，包括设备基本特性数据、设备的状态数据、设备的工作日志数据、设备的维护数据；

所述人机交互管理中心模块包括：

数据采集及实时数据监测模块，用以采集和显示检测实时数据，实现监测画面的快速查询和组态；

仪器设备信息管理模块，用以采集设备的基本特性信息、设备的工作状态标准环境信息和设备的维护限值信息，其中，所述设备的基本特性信息包括设别特点、物理参数；

生产报表管理模块，用以实现日报、周报、旬报、月报处理功能；

仪器设备维护模块，用以故障监测和报警信息管理，当检测点的采集值超过了参数的正常范围时做出报警反映，通知监测者及时采取措施排除故障，并形成标准报表和工单；

设备使用信息登记模块，用以实现设备预约使用信息管理和分配；

用户管理模块，用以实现系统操作员角色信息和用户信息的管理。

作为本发明的进一步优选方案，所述系统中设置的传感器包括多轴加速度传感器、温度湿度传感器、电流传感器、电压传感器。

作为本发明的进一步优选方案，所述数据采集模块包括电流测量电路、温度湿度测量电路、振动和平衡测量电路、采集模块电源电路以及数据发送电路。

作为本发明的进一步优选方案，所述身份识别控制软件功能模块中，身份识别的方式包括读取非接触IC卡或输入帐号密码。

作为本发明的进一步优选方案，所述数据传输软件功能模块中，采用秘钥插值加密算法，数据类型采用十六进制，秘钥采用当时日期，转化为十进制后判断奇偶性，然后将日期转化为十六进制，数据按奇偶性截取和日期倒序和相加重新组合，组合后进行MD5和密码加密。

作为本发明的进一步优选方案，所述仪器设备的信息数据库系统中对设备状态数据进行甄选和压缩存储，在数据库中设定仪器设备标准状态评估数据信息，包括标准工作数据和界限数据，从终端上传的数据经过数据比对，判断设备工作状态数据与标准工作数据及界限数据的差距，甄选出数据的最低值，中值和最高值，然后根据预先设定的阈值抽取相应数据进行保存。

作为本发明的进一步优选方案，所述数据采集模块采用51单片机进行数据采集处理，数据包传输格式为：

8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit电流整数数据+8bit电流整数数据+8bit电压整数数据+8bitX轴整数数据+8bitY轴整数数据+8bitZ轴整数数据+8bit校验和数据。

作为本发明的进一步优选方案，所述电流测量电路中，测量的电流包括交流和直流，量程为正负30安培。

作为本发明的进一步优选方案，所述温度湿度测量电路中，采用DHT21温度传感器，传感器输出电压值，单片机通过AD采集电压，温度测量范围：-40—80度，湿度测量范围：0-99.9%。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本套系统利用无线数据传输技术，应用灵活便捷，管理效果明显，同时为主管部门提供了高效的管理手段，遵循国家对共享使用大型科研仪器的倡导。提高大型科研仪器的使用率，发挥更大的效能，也能提高大型科研仪器的价值，补充部分使用消耗成本，进入良性运行的轨道。该系统具有开放扩展性，新购大型科研仪器可方便的加入本系统中。

附图说明

图1是本发明中，智能仪器设备实时监控终端部分数据采集模块的硬件结构连接示意图。

图2是本发明中，智能仪器设备实时监控终端部分身份识别控制软件功能模块的控制流程图。

图3是本发明中，智能仪器设备实时监控终端部分数据传输软件功能模块的工作流程图。

图4是本发明中，中心管理模块的系统功能框架图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明基于自动化智能监测控制终端，结合有线控制及无线控制，将每一个仪器的信息汇总到总管理平台，监测控制终端信息联网，方便直观的监控及管理使用。更进一步可以回溯仪器的使用情况，预测仪器未来使用工作量，设备的工作状态，为采购新仪器调研提供数据支持。此项成果的应用，可以改良大型科研仪器的管理模式，改善仪器的使用条件，提高仪器的使用效率，同时实时反馈仪器设备的工作状态。

本发明提供了一种基于无线互联网的大型科研仪器监控及管理使用系统。这套系统可以将多台仪器进行信息联网，整体监控仪器的状态信息，仪器维护情况，统计使用工作量，管理预约使用情况，费用结算情况。系统包括下列功能模块：

1、智能仪器设实时备监控终端，包括有线网络和移动无线网络并存；

2、仪器设备的信息数据库系统；

3、人机交互管理中心模块，包括PC端软件和智能移动设备软件。

本发明的目的之一是设计一种基于有线或无线数据网络传输，具有身份识别功能的智能仪器监测控制终端。将次智能终端无损安装在大型科研仪器中，智能监控仪器的工作状态，包括电压、电流、温度、平衡、振动、视频、噪声等指标，并且通过身份识别，记录使用者信息，记录仪器使用信息，并且将这些信息实时上传到数据库，智能终端对大型科研仪器本身不产生任何影响，并能提供合理的维护建议。

随着现在移动数据网络的飞速发展，最新的移动4G网络数据传输速度已达到100Mbps，足以传输控制终端的上传数据，使用移动无线网络无需额外不止线缆，所以我们的监测设备充分利用无线网络的优点，使仪器监控终端的布置更加灵活方便，信息的使用更加方便，实时性更佳，并且不受限大型科研仪器原单位网络系统，完全独立外置，对仪器本身没有任何影响，此终端设备可安装在大型科研仪器外部供电线路上，将探测感应装置安装在大型科研仪器内部或外部，对仪器本身没有任何功能的影响或结构的改变，完全做到无损安装。对仪器本身的使用及质保没有任何影响。此控制终端内置无线天线，可将数据实时上传至服务器。此控制终端自带身份识别装置，结合安防系统信息，兼容安防系统的IC卡，在系统中注册并获得授权的用户可以在身份识别后才能使用仪器，这些使用信息也将实时上传汇总。

本发明的目的之二是建立一套大型仪器设备的信息库。包括大型仪器的基本信息，大型仪器分布情况，大型仪器的使用情况，大型仪器工作日志信息，大型仪器的维护情况。

将仪器位置信息、物理特性信息、工作日志信息、工作状态相关信息可以实时通过无线移动网络进行信息汇总，这样数据量相对比较大，所以需建立一个数据库系统，进行数据分类，通过定义编写存储过程，使数据库能够自动合理的进行数据甄选存储，可疑数据进行锁定保存，正常数据通过抽取算法进行压缩存储。

本发明的目的之三是设计人机交互界面软件，包括仪器信息采集、信息存储、信息查询、状态监控浏览、信息统计、设备使用信息汇总的软件。通过B/S形式进行大型仪器信息的管理，纳入多种客户访问终端，包括台式电脑和智能通讯终端（智能手机、平板电脑）。通过不同角色查询仪器信息、监控智能终端运转状态，预约使用仪器。

通过人机交互界面，可以实现仪器技术资料信息采集、查询、修改、整理，软件可以共享设备使用信息、设备基本信息和设备的分类信息，方便用户合理预约使用仪器设备。软件将人员信息根据设备的所属分为不同权限角色，方便用户更好的使用仪器设备。

下面详细介绍各部分的技术特征。

一、智能仪器设备实时监控终端

主体采用ARM架构的公版硬件，板载嵌入式软件系统（WINCE或ANDRIOD）。此控制终端由下面模块组成：

（1）、数据采集模块：它的主要功能是获得传感器的模拟信号，然后进行算法处理，最后将设备的状态量化。这里传感器包括：多轴加速度传感器、温度湿度传感器、电流传感器、电压传感器。这部分硬件使用51单片机完成，数据包传输格式：

8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit电流整数数据+8bit电流整数数据+8bit电压整数数据+8bitX轴整数数据+8bitY轴整数数据+8bitZ轴整数数据+8bit校验和数据

所述数据采集模块的硬件原理图如图1所示，具体包括：

1、电流测量电路：测量仪器设备工作时的电流实时变化数据，通过串联到供电电路中，电路可以测量交流和直流电流，模块可以测量正负30安电流。

2、温度湿度测量电路：温度传感器采用DHT21，温度和湿度变化，传感器输出电压值，单片机通过AD采集电压，温度测量范围：-40—80度，湿度测量范围：0-99.9%。

3、振动和平衡测量电路：测量设备工作时的振动情况，同时可以根据三维数据计算处设备安放的水平情况。

4、采集模块电源电路：模块电源供给和省电模式控制。

5、数据发送电路：通过无线网络将采集到的数据实时按数据格式传送给数据传输软件功能模块，此电路接收中心反馈回的信息数据。

（2）身份识别控制软件功能模块：读取非接触IC卡或输入帐号密码两种方式识别，IC卡读写模块型号为方M104模块。软件功能预留安防门禁对接兼容接口。通过身份识别，发送联网核对信息，信息匹配成功后，制动控制模块发送命令控制电源继电器开关通电，启动仪器设备并计时，当客户使用结束后刷卡计时结束并切断仪器设备电源。所述身份识别控制软件功能模块的软件控制流程示意图如图2所示。

（3）数据传输软件功能模块：连接传感器模块和身份识别模块，通过无线移动网络模块建立数据链路，将采集到的仪器状态数据、设备使用数据和使用人员信息数据加密后通过无线移动网络传输到数据库处理服务器系统，这里重点是加密算法，加密算法采用秘钥插值加密方法，数据类型采用十六进制，秘钥采用当时日期，转化为十进制后判断奇偶性，然后将日期转化为十六进制，数据按奇偶性截取和日期倒序和相加重新组合，组合后进行MD5和密码加密。这样双重动态加密后安全性会有效提升。这个功能模块主要的任务有三项，每一项任务中都有数据备份和日志信息记录功能，第一项，IC卡信息核对信息传输，接到身份识别控制软件功能模块请求，进行数据加密，发送用户卡信息到服务器，等待中心返回结果，接收反馈信息，然后反馈给身份识别控制软件功能模块。第二项任务，使用信息反馈，仪器设备被正常使用，记录使用设备的人员信息、工作内容简要信息，使用时长信息等，将这些信息在此次设备使用完后，把数据打包发送给数据中心。第三项任务，设备工作状态数据定时定量打包和实时传输，定时启动数据发送，传送到数据中心指定存放位置。所述数据传输软件功能模块的工作流程示意图如图3所示。

二、仪器设备的信息数据库系统

保存设备基本特性数据、设备的状态数据、设备的工作日志数据、设备的维护数据，这里最重要的功能是对设备状态数据的甄选和合理的压缩存储，因为一些设备长期处于待命状态，状态数据的数据量比较大，需要数据库存储过程高效可靠处理，对于其他数据数据库提供存储空间就可以了，数据的操作由外部软件系统来处理。设别工作状态数据的存储方法—数据库中设定仪器设备标准状态评估数据信息（标准工作数据和界限数据），从终端上传的数据经过数据比对，判断设备工作状态数据与标准工作数据及界限数据的差距，甄选出数据的最低值，中值和最高值，然后根据设定值（时长）抽取相应数据进行保存。

三、人机交互管理中心模块

完整的仪器信息采集、信息存储、信息查询、状态监控浏览、信息统计、设备使用信息汇总的中心管理软件。通过计算机技术、网络技术、多媒体技术，智能移动终端，实现设备运行状态实时信息和占用信息共享和信息归档，软件对智能终端发来的数据进行解包解密归档存入数据库，在认证允许的站点都能实时监视各个设备现场运行状况（如温度、压力、振动、电流、湿度等参数）及整个设备工作状态（如投入、产出、有无异常现象等）并能回顾前段时间（几小时，甚至几天前）各生产单元和设备运行情况。这样，通过对设备工作的实时、连续监测，可及时发现设备工作中的异常现象。所述人机交互管理中心模块的系统功能框架图如图4所示。其主要的功能描述如下：

1)数据采集及实时数据的监测：各数据采集站自动从各种常规仪表、传感器等现场控制设备实时采集工况参数，并进行规范化处理。此功能以流程图、仪表指示棒图、报警指示、实时曲线、数据列表等多种显示画面监测实时数据。以历史趋势图、记录报表等方式显示历史记录数据和统计数据，监测端用户可通过良好的人机界面实现各种监测画面的快速查询和组态。

2)仪器设备信息管理：采集设备的基本特性信息（设别特点、物理参数）、设备的工作状态标准环境信息和设备的维护限值信息。

3)生产报表管理：具有日报、周报、旬报、月报处理功能。数据来源有自动采集状态信息及其相关的数据和手工输入数据。

4)仪器设备维护：故障监测和报警信息管理，当某些点的采集值超过了参数的正常范围时，监测系统应该及时做出报警反映，通知监测者及时采取措施排除故障，并形成标准报表和工单。

5)设备使用信息登记：设备预约使用信息管理和分配。

6)用户管理：系统操作员角色信息和用户信息的管理。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统，其特征在于：包括智能仪器设备实时监控终端、仪器设备的信息数据库系统以及人机交互管理中心模块，其中，

所述智能仪器设备实时监控终端包括：

数据采集模块，用以获得系统中设置的传感器的模拟信号，并对所述模拟信号进行算法处理，将设备的状态量化；

身份识别控制软件功能模块，用以实现身份识别，进行仪器设备的启动或关断；

数据传输软件功能模块，用以连接传感器和身份识别模块，通过无线移动网络模块建立数据链路，将采集到的仪器状态数据、设备使用数据和使用人员信息数据加密后通过无线移动网络传输到仪器设备的信息数据库系统；

所述仪器设备的信息数据库系统用以保存设备状态数据，包括设备基本特性数据、设备的状态数据、设备的工作日志数据、设备的维护数据；

所述人机交互管理中心模块包括：

数据采集及实时数据监测模块，用以采集和显示检测实时数据，实现监测画面的快速查询和组态；

仪器设备信息管理模块，用以采集设备的基本特性信息、设备的工作状态标准环境信息和设备的维护限值信息，其中，所述设备的基本特性信息包括设别特点、物理参数；

生产报表管理模块，用以实现日报、周报、旬报、月报处理功能；

仪器设备维护模块，用以故障监测和报警信息管理，当检测点的采集值超过了参数的正常范围时做出报警反映，通知监测者及时采取措施排除故障，并形成标准报表和工单；

设备使用信息登记模块，用以实现设备预约使用信息管理和分配；

用户管理模块，用以实现系统操作员角色信息和用户信息的管理。

2.如权利要求1所述的基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统，其特征在于：所述系统中设置的传感器包括多轴加速度传感器、温度湿度传感器、电流传感器、电压传感器。

3.如权利要求1所述的基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统，其特征在于：所述数据采集模块包括电流测量电路、温度湿度测量电路、振动和平衡测量电路、采集模块电源电路以及数据发送电路。

4.如权利要求1所述的基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统，其特征在于：所述身份识别控制软件功能模块中，身份识别的方式包括读取非接触IC卡或输入帐号密码。

5.如权利要求1所述的基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统，其特征在于：所述数据传输软件功能模块中，采用秘钥插值加密算法，数据类型采用十六进制，秘钥采用当时日期，转化为十进制后判断奇偶性，然后将日期转化为十六进制，数据按奇偶性截取和日期倒序和相加重新组合，组合后进行MD5和密码加密。

6.如权利要求1所述的基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统，其特征在于：所述仪器设备的信息数据库系统中对设备状态数据进行甄选和压缩存储，在数据库中设定仪器设备标准状态评估数据信息，包括标准工作数据和界限数据，从终端上传的数据经过数据比对，判断设备工作状态数据与标准工作数据及界限数据的差距，甄选出数据的最低值，中值和最高值，然后根据预先设定的阈值抽取相应数据进行保存。

7.如权利要求3所述的基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统，其特征在于：所述数据采集模块采用51单片机进行数据采集处理，数据包传输格式为：

8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit电流整数数据+8bit电流整数数据+8bit电压整数数据+8bitX轴整数数据+8bitY轴整数数据+8bitZ轴整数数据+8bit校验和数据。

8.如权利要求3所述的基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统，其特征在于：所述电流测量电路中，测量的电流包括交流和直流，量程为正负30安培。

9.如权利要求3所述的基于无线互联网的大型科研仪器实时监控及使用管理系统，其特征在于：所述温度湿度测量电路中，采用DHT21温度传感器，传感器输出电压值，单片机通过AD采集电压，温度测量范围：-40—80度，湿度测量范围：0-99.9%。