CN107396427A - 一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测系统的采集器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测系统的采集器，它包括12个传感器信号采集接口，其中数字和模拟接口各6个（基本结构见摘要附图之图1）；采集器采用基于6LowPAN协议与数据中继器进行无线通讯及数据信号的传输；采集器电路采用低功耗设计，并具有本质安全的保护电路模块是采集器具有本质安全的特性；同时采集器的电路具有电源兼容性能，既能采用自带电源供电，也可以采用现场电源供电。采集器在中继器的指令下进行信号采集处理和发送，以及休眠等任务状态的改变。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测系统的采集器，尤其涉及其中的数据采集器的功能模块设计、与数据中继器的通讯、数据打包方式、以及采集器的工作和休眠管理等方法。
背景技术
设备运行状态监测与故障诊断的基本思想源于生物医学诊断，它是以机械动力学、电子学、信息论为基础，多学科交叉，多学科融合的工程技术。故障诊断的方法、手段和内容不断丰富, 现已发展成为一门新的综合性交叉学科。机械设备实时监测和故障智能诊断系统是将先进的电子传感技术、数据通讯传输技术、大型数据库应用技术、机械系统故障诊断技术及计算机技术等有机地集成运用于一系列相关的重要生产设备上而建立的一种能在全方位为生产和设备维护人员提供实时、准确、高效的设备管理系统。
目前， 有两类远程监测技术：其一，通过生产设备的DCS系统采集设备的运行状态参数进行远程监测；其二，通过利用无线传感网络来远程监测设备的运行状况。这两种方法存在极大的局限性，不能够满足当前生产设备远程监测和故障诊断的需求。DCS系统在工业生产中对设备状态的采集是采用有线通讯，基本上采用485或HART通讯协议。其主要的目的是保证生产的工艺的实施，而不是对设备维护和故障诊断。 因为采用有线方式传输数据，安装的传感器（观测点）及其有限，现场安装复杂，安装的成本也很高。而且，由于采用双线数据传输，数据传输速度有限。 因此采用工业中常用的DCS系统技术来实现对设备运行状态的远程监测并不合适。常见的无线传感网络，包括采用Zigbee和Wireless HART协议的技术，可以避免上述DCS模式监测系统的现场安装和成本问题，但是，常见的无线传感网络存在致命的缺陷：实时性差、数据传输量小、可调控性差，基本不能满足真正意义上的设备运行状态监测，更无法提供设备故障诊断通常所需要的大量数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测系统的采集器和相关数据处理方法。
本发明要解决的是现有远程设备运行状态监测系统中存在的现场安装复杂、成本高和数据传输速度慢，以及无线传感网络的实时性差、数据量小等问题。
在本发明所述的用于设备运行状态远程实时监测的采集器，至少包括：采集器的硬件设计、数据采集器的工作和休眠管理、数据打包、以及与数据中继器之间的无线通讯。
在本发明所述的采集器采用低功耗设计，可以采用电池或外电源进行供电，从而为用户提供根据现场情况而方便安装的选择。
在本发明所述的采集器按照GB3836-2010本质安全ExiaIIb类的规范要求设计，可靠件模块的设计能保证采集器的本质安全特性。采集器提供多达6个数字信号接口和6个模拟信号接口，可以同时从不同类型的传感器采集信号。
在本发明所述的采集器在工作时，与中继器采用基于6LowPAN协议进行无线通讯。采集器和中继器之间采用无线单跳的连接方式，既方便现场采集器的安装，又能保证采集器采集的大数据被快速送到中继器。
在本发明所述的采集器在休眠结束时，唤醒后立即向中继器发送唤醒通知信息，并等待中继器的指令。中继器收到唤醒通知信息并判断采集器的当前任务并发出相关指令。采集器根据中继器指令立即进行数据采集处理和发送然后快速进入休眠，或者直接进入休眠。然后等待下一次的唤醒。休眠是采集器关闭芯片的除看门狗以外所有功能， 看门狗采用外置低功耗表晶振作为时钟。
本发明所述的采集器可以根据中继器的指令对采集的数据进行处理，包括最大最小平均值快速运算、傅立叶变换、和频谱分析等。
本发明所述的采集器采用它的MAC地址转化为IPV6地址用来作为该采集器的唯一标示。
采集器中的数据包的长度不大于以太网中各种路由器允许一次发送最大数据包中的最小长度，因此中继器或者后面路由器都可以避免数据包过大而需要重新打包的需求，提高的数据传输的速度。
本发明所述的采集器采用优先级别定义的方法来确定采集器的数据上传频率。所有采集器的缺省优先级别均为1，即：在中继器的一个扫描周期内，采集器上传一次数据。当采集器的级别为2或3，表明采集器在中继器的一个扫描周期内，应该上传2或3次数据。以此类推。用户可以通过客户端程序更改采集器的优先等级，从而在线动态更改采集器的数据上传频率。
本发明的优点：本发明的采集器可以实现与中继器的无线单跳通讯，提高数据传输的速率，增强实时监测能力和抗干扰能力，而且简化现场的安装。 在通信过程中，采集器直接对中继器工作，节省采集器的能耗。本发明中的采集器具有本质安全防爆特性，可在易燃易爆的气体环境中安全工作。本发明中的采集器可使用自供电源供电(比如电池)，或者本地电源供电， 为用户提供方便；而且采集器的功耗小，采用电池供电时，能保证采集器的长时间正常工作而无需更换电池。本发明中的采集器外壳的防护等级为IP54, 防水防尘，能保证采集器的工作不受外部环境（水和灰尘）的影响。
附图说明
图1是采集器电路功能示意图。
图２是本发明中采集器无线网络通讯及工作流程示意图。
图3是本发明中采集器收到指令后对加速度数据处理流程示意图。
图4是本发明中采集器传感器处理流程示意图。
图5是本发明中采集器的总封装应用示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明作进一步说明。
图1示出的是本发明中采集器的电路功能模块，电源和电源选择模块、 本质安全电路模块、MCU，外围看门狗晶振模块、无线发射模块、电池电压检测模块、调试接口、数字传感器接口和模拟传感器接口等。接口都是与MCU总线相连接，其他的模块都是与MCU的指定功能的接线口。例如：看门狗晶振信号通过外围时钟接口输入、模拟传感器接口与MCU的多个ADC输入口相连接，数字传感器接口通过SPI总线接入MCU。
图2所示为本发明中的采集器无线网络通讯及工作流程示意图，采集器在启动初始化后，立即向中继器发送包含IP地址等信息的通讯请求，等待中继器的应答或指令。当接收到中继器的应答/指令后, 进行相关动作，包括数据的采集, 处理和发送、休眠、或网络通讯连接测试等。
图3所示为数据采集器收到加速度采集和处理指令后的处理流程。首先，判断数据采集和处理的具体指令， 如果是找包络值（即最大最小值和平均值）则采用最快排序法来进行查找和计算；如果是需要积分，则采用梯形中值法进行积分；如果需要快速傅立叶变换，则对采集数据的实部进行运算；如果是对傅立叶变换结果分析，则对变换结果的幅值进行分析，找出峰值和对应的频率。
图4所示为采集器在初始化时对传感器连接状态的初始化。对每个传感器端口进行循序扫描并判断该端口是否有传感器连接，并且对每个传感器的属性中连接标示符置“1”或“0”。 采集器在数据采集时，将根据传感器的连接属性决定是否访问该传感器。采用通常的遍访策略，访问并未连接传感器的接口会浪费MCU的资源，并且延长采集器的工作时间，减低了占空比，增加功耗。对于电池供电的采集器，自动减少采集器的无用的端口访问时间对提高占空比，降低功耗，延长电池使用时间非常有效。
图5所示本发明采用的防尘防水防爆外壳封装。 外壳采用抽拉式结构，使得现场的安装维护简易方便。 采用的“U”型槽密封扣锁式设计，不仅保证外壳达到GB3836-2010中的IP54级别的防水防尘的防护等级，而且能够具备一定程度的隔爆能力。
上述用来说明本发明原理的实施例，在任何方式下不应该被视为对本发明范围的限制。本领域技术人员将理解，可在任何适当布设的远程传感网监测中实现本发明的原理。
Claims (9)
1.一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测系统的采集器，其特征在于至少包括：
提供1-6个数字传感器采集接口和1-6个模拟传感器采集接口,用于连接安装在机械设备和装置上的数字和模拟传感器，并按照一定规律从传感器采集和处理设备装置的状态参数；封装于防尘防爆的外壳内。
2.如权利要求1所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测系统的采集器，其特征在于所述的数据采集器包括中央处理器，外围时钟，无线接收发模块，供电电压检测模块，本质安全防爆电源电路保护模块，供电选择模块和传感器接口模块。
3.如权利要求2所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测系统的采集器，其特征在于所述的数据采集器可以通过供电选择模块提供选择由自带电源供电或者由外接电源供电。
4.如权利要求2所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测系统的采集器，其特征在于所述的数据采集器可以通过供电电压检测模块提供自带供电电源的工作状态。
5.如权利要求2所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测系统的采集器，其特征在于所述的数据采集器具有本质安全防爆性能。
6.如权利要求2所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测系统的采集器，其特征在于所述的数据采集器的外壳具有防尘防水性能。
7.一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测的数据采集， 其传送方法的特征在于至少包括采用6LowPAN的无线通讯方法，应用于数据中继器和数据采集器之间的无线通讯。
8.如权利要求7所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测的数据采集， 其通讯方法的特征在于所述的数据采集器的工作任务包括数据的采集、数据的处理、打包、休眠等正常情况下都由数据中继器进行管理。
9.如权利要求7所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测系统， 其监测方法的特征在于所述的采集器的工作任务在紧急情况下可以允许终端用户通过系统的终端程序或者数据服务器中程序对采集器的工作状态进行在线调整。
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