CN107643712A - 一种多传感器智能监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多传感器智能监测装置，属于智能监测及健康监测技术领域。包括：监控系统设置有多个监测模块，监测模块一端分别与测试系统的传感器分别连接；另一端分别与管理中心系统连接；监测模块用于数据的采集、预处理、发送以及控制信号的接收；管理中心系统接收监测模块发送的数据，并将监测数据特征值为运算输入，根据传感器的预设阈值对传感器运行现状进行评估；根据历史监测特征值进行智能推理与决策，获得被监测传感器的预测工作状态，将监测结果和预测状态通过人机交互部件显示在该装置上，提醒使用人员执行相应的操作。本发明适用于特殊环境监测或者长时间监测环境，具有更广泛的适用性，具有更高的监测硬件使用效率和监测能力。

Description

一种多传感器智能监测装置

技术领域

本发明属于智能监测及健康监测技术领域，具体涉及一种多传感器智能监测装置。

背景技术

传感器是物理世界与信息时间的桥梁，是目前测试技术的硬件基础。按照使用的目传感器可以分为计测、监视、检查、诊断、控制和分析等类型。传感器广泛应用于国防军工、工业制造、农业生产、环境监控、交通运输和家用电器等各个行业。作为测试的第一个环节，传感器能够准确可靠地获取物理世界中的各项信息对于传感器来说非常重要。因此，传感器在使用过程中需要对其进行监测、分析以确保其获取的数据时正确可靠的。传感器监测就是对使用中或者处于待维修状态的传感器提供一种手段或过程对传感器的采集数据获取、分析，进而对传感器的准确性或者可靠性进行判断的一系列方法。

目前，传感器监测的主要方法有两种，测试系统自带软件分析或者拆卸后使用其他设备进行检测。测试系统自带软件是通过研制专门的软件对传感器的状态进行分析确定传感器的状态。这种方式测试系统和监测功能使用同一硬件。该方法的缺陷是无法排除硬件的问题，如传输、采集、处理中的问题难以直接排除。

拆卸后移送监测维修也是一种常用的监测方式，检测设备工况已知可以作为参考依据。该方法的工作量大、耗费人力、财力对传感器进行监测，成本太高，不利于推广使用。该方法是在传感器被怀疑出现测量不准确的情况下使用，需要对相关传感器进行排除，工作量重复。

因此，在目前实际监测中还缺乏一款能够既完成传感器监测与预测功能，还能够灵活的使用软件与硬件的平台，提供一种便携、便于安装、影响小的监测装置。

发明内容

本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提出了一种多传感器智能监测装置，能够适用于灵活的空间范围，同时监测多个传感器类型的监测装置，该装置还具有智能预测功能，能够使得传感器在发生故障之前被发现并做相应的维修或者替换；便于监测装置重复利用。

本发明的技术方案：一种多传感器智能监测装置，包括：

监控系统，所述监控系统设置有多个监测模块，所述监测模块一端分别与测试系统的传感器分别连接；

所述检测模块另一端分别与所述管理中心系统连接；

所述监测模块用于数据的采集、预处理、发送以及控制信号的接收；

所述管理中心系统接收所述监测模块发送的数据，并将监测数据特征值为运算输入，根据传感器的预设阈值对传感器运行现状进行评估；

根据历史监测特征值进行智能推理与决策，获得被监测传感器的预测工作状态，将监测结果和预测状态通过人机交互部件显示在该装置上，提醒使用人员执行相应的操作。

优选地，所述监测模块内设置有接口适配模块及模数转换模块；

所述接口适配模块一端与所述传感器连接，另一端与所述模数转换模块连接，将所述传感器的信号与所述模数转换模块相匹配；

所述监测系统与管理中心系统通过所述无线通讯模块进行据指令和控制指令的收发。

优选地，所述传感器信号通过接口适配模块的接口电路的整流、滤波、转换，将所述传感器的输出信号转换为模数转换模块能够识别的类型及范围；

并对模数转换模块输入信号进行信号限幅及门限值调制。

优选地，所述管理中心系统及监测模块分别设置有无线通讯模块；

所述管理中心系统的无线通讯模块和监测模块的无线通讯相匹配，完成两部分的数据和信息交互；

所述管理中心系统的无线通讯模块发送控制信号和监测任务到各个监测模块的无线通讯模块，各监测模块发送数据到管理中心系统。

优选地，所述管理中心系统及监测模块分别设置有微处理模块；

所述监测模块中设置微处理模块对其监测模块进行运行控制、数据采集、特征值提取、数据指令收发、控制指令收发及监测点运行管理；

所述管理中心系统的微处理模块对整个监测系统协调运行、获得监测模块数据、发布及更新监测任务、状态监测与评估、实现智能预测与推理、状态判断和预警。

优选地，将所述无线通讯模块中获得的监测数据特征值进行运算输入，根据传感器的预设阈值对传感器进行传感器运行现状的评估，得到的运行传感器的状态；

并分析传感器被监测期特征值历史数据，通过智能控制算法，对传感器的下一个观测时段进行状态预测，并作状态评估。

优选地，所述管理中心系统设置有串口通讯模块；

所述管理中心系统通过所述串口通讯模块与外部数据库连接，将管理中心系统的数据发送至外部数据库。

优选地，所述管理中心系统设置有数据储存模块；

所述数据储存模块分别与所述管理中心系统的微处理模块及所述串口通讯模块连接；

所述管理中心系统的微处理模块获取的特征值、状态判断结果及预测结果存储在所述数据存储模块内。

优选地，所述管理中心系统设置有人机交互模块，所述人机交互模块与所述管理中心系统的微处理模块连接；

所述管理中心系统的微处理模块通过人机交互模块将监测结果、设备控制及告警进行多模态输入或者输出。

优选地，所述管理中心系统及监测模块分别设置有电源及辅助电路，用于整个监测装置的供电。

本发明技术方案的有益技术效果：

1)、感器的监测任务；监测模块按照使用需求可以设计多个，达到同时能够监测多个模块的能力；与传统的方式相比，具有更高的监测硬件使用效率和监测能力；

2)、监测模块与管理中心采用无线的连接方式，无传输线连接。因此，监测模块与管理中心的距离可以较大，能够达到无线传输距离即可；与传统的方式相比，具有传输线少、布置简单、硬件限制小等优点；

3)、管理中心内置人工智能算法，通过传感器的历史数据实现传感器的故障预测，与传统方法相比具有更强的故障分析能力，对存在的可能发生的故障提出预警信息，防止由于传感器的损坏而引起的测控系统的更严重的错误，对于控制系统中的监测环境的传感器具有特别重要的作用；

4)、该监测装置设计为电池及太阳能充电两种方式，能够适用于供电难以布置的环境，适用于特殊环境监测或者长时间监测环境，具有更广泛的适用性。

附图说明

图1为本发明多传感器智能监测装置的一优选实施例的结构组成示意图；

图2为图1所示实施例的监测模块的结构组成示意图；

图3为图1所示实施例的管理中心系统结构示意图；

图4为图1所示本发明的特征量处理流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，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。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，本发明一种多传感器智能监测装置，由两部分组成，分别为监控系统及管理中心系统；

监控系统由多个检测模块构成，多个检测模块共用一个管理中心系统；

各个检测模块分别与测试系统的传感器连接，直接检测对应传感器的工作状态。监测模块与传感器是一一对应，即一个监测模块只监测采集一个传感器的状态，这样设计监测模块便于布置、安装和拆卸。监测模块主要功能是数据的采集、预处理和发送以及控制信号的接收，硬件上对微处理器的运算性能可以降低，以减小成本。为了适应各种场合下的监测需求特别是复杂、条件差等场所，监测模块应具有低功耗、低成本、小体积、硬件独立、环境适应性高等特点。

管理中心系统接收监测模块发送的数据，并将监测数据特征值为运算输入，根据传感器的预设阈值对传感器运行现状进行评估；

根据历史监测特征值进行智能推理与决策，获得被监测传感器的预测工作状态，将监测结果和预测状态通过人机交互部件显示在该装置上，提醒使用人员执行相应的操作。因此管理中心系统具有便携性高、易于维护、处理器运行速度快、管理监测方式灵活、利用率高等特点。

本实施例中，监测模块的核心功能是数据的采集处理及发送以及控制信号的接收。主要包括接口适配模块、模数转换模块、微处理模块、无线通信模块、电源及辅助电路模块，其中：

接口适配模块：该模块具有连接传感器与模数转换模块，将传感器信号的信号与电平信号匹配的功能，对模块输入的保护等功能。传感器输出信号通过接口电路的整流、滤波、转换等调制方法，将传感器的输出电信号如电压、电流、电阻等转换为模数转换模块所能够识别的类型、范围；对输入信号限幅，门限值调制等，防止电流、电压的突变烧坏监测模块，起到保护作用。监测模块根据传感器信号输出类型设计和定制，对传感器输出信号具有专一性和独有性；同一个监测模块可以根据使用需求设计若干类型的接口适配。

模数转换模块：该模块的功能是将电量值转换为数字量，形成能够识别和处理的数字量值。模数转换模块决定了该传感器监测的数值准确度及监测品质。在选用模数转换模块时综合考虑转换速率和转换分辨率两方面的因素，根据实际的使用环境选择侧重的设计方案。该监测模块设计方案中对实时性要求不高，因此以满足传感器及测试过程的准确度要求，能够达到的准确度不可低于测试系统要求的准确度。

微处理模块：该模块是运行控制和数据运算的核心。该模块完成运行控制、数据采集、特征值提取、数据指令收发、控制指令收发、监测点运行管理等功能。该模块实现整个监测模块的运行控制，主要是各个功能模块之间的运行一致，确保采集模块的运行及数据无线通讯模块的稳定运行。监测模块的数据采集按照管理中心的采集任务，由微处理器控制完成；采集的数据解算得到的特征值发送到管理中心。特征量通常包括传感器的静态指标，如灵敏度、分辨率漂移、温漂、测量误差、线性度、符合度、迟滞、重复性等。这些特征量值的提取与传感器的具体应用方向、环境、测试系统指标等相关。

无线通讯模块：该模块实现监测模块和管理中心通讯的唯一方式，其安全性和稳定性非常重要，实现数据指令和控制指令的收发功能，主要完成了数据信号调制、编码/解码和同步控制，要求物理层具有简单、低成本但健壮的信号调制和无线收/发技术。

电源及辅助电路：该模块为整个监测模块供电及配置辅助功能，选用供电时应考虑整个模块的功耗和续航时间。为了使监测模块移动灵活更适用于极端环境，该监测模块可以采用独立的供电方式，例如电池供电、无线供电、能量回收、太阳能电池等方式。监测模块的非有线供电方式封装为独立的小模块，便于安装配置。

本实施例中，管理中心系统同样设置有无线通讯模块，管理中心系统的无线通讯模块和监测模块的无线通讯相匹配，完成两部分的数据和信息交互；管理中心系统发送控制信号和监测任务到各个监测模块，各监测模块发送数据到管理中心系统，确保整个监测装置的有序稳定运行。

本实施例中，管理中心系统同样设置有微处理模块，该模块是整个管理中心系统的核心，具有控制整个监测模块协调运行、获得监测模块数据、发布及更新监测任务、状态监测与评估、实现智能预测与推理、状态判断和预警、人机交互等功能。

该模块将其无线通讯模块中获得的监测数据特征值为运算输入，根据传感器的预设阈值对传感器进行传感器运行现状的评估，得到的运行传感器的状态。

分析传感器被监测期特征值历史数据，通过智能控制算法，如神经网络、遗传算法、专家系统、蚁群算法等等，对传感器的下一个观测时段进行状态预测，并作状态评估。

本实施例中，管理中心系统设置有串口通讯模块，该功能模块确保了该管理中心在有需要时可与上位机通讯，将管理中心中的数据发送至其他PC便于对数据离线分析、存储、比对。该功能在确保了管理中心小体积便携的情况下增强了功能，为该装置的后续功能扩展提供了可持续功能设计。

本实施例中，管理中心系统设置有数据存储模块，数据储存模块与管理中心系统的微处理模块连接，将得到的特征值，状态判断结果和预测结果保存在存储模块中，作为智能预测的数据库，作为监测的结果便于监测的历史信息可以随时被查看、调用。

本实施例中，管理中心系统设置有人机交互模块，该模块实现了监测结果显示、设备控制、告警提示等多模态输入/输出等功能。相关的设备有显示屏、按钮、声光提示。显示屏直观全面的显示出整个被观测的节点状况，是一种高效的人机交互方式；声光提示通过听觉是视觉的刺激，提醒监测者注意状态配合视觉更加有效。

本实施例中，所述管理中心系统及监测模块分别设置有电源及辅助电路模块，该模块为整个监测模块供电及配置辅助功能，选用供电时应考虑整个模块的功耗和续航时间。为了使监测模块移动灵活更适用于极端环境，该监测模块可以采用独立的供电方式，例如电池供电、无线供电、能量回收、太阳能电池等方式。监测模块的非有线供电方式封装为独立的小模块，便于安装配置。

监测系统设计方案如下：

为了达到监测模块设计目标，微处理模块选用TI公司的MSP430系列单片机。该系列单片具有超低功耗设计，能够确保在电池工作状态下持续较长生存周期。以该系列中的代表MSP430F149X14X系列为例，其主要特性有：

1)低电源电压范围；

2)超低功耗，及多种节电模式；

3)16为RISC指令结构，执行速度快；

4)基本时钟模块：高速晶体、低速晶体、数字控制振荡器；

5)自带ADC模块及采样保持器；

6)具有捕获/比较寄存器的16位定时器；

7)串行通信接口具有同步或异步双模式；

8)多个并行端口及8位中断能力。

该系列单片机中自带的ADC的采样分辨率较低。为了扩展数据采集精度，设计双ADC模块。推荐选用Anolog公司AD7780。该模块具有24位分辨率，16.7SPS，低电源电压，低功耗状态。

无线通讯模块采用Chipon公司基于SmartRF03技术的CC2420模块，是为低功率、低电压无线应用而设计的单片RF收发芯片。它能为信息处理提供广泛的硬件支持，如数据缓冲器、发送、数据加密、数据证明、空闲信道评估、链路质量指示和信息包实时资料。CC2420采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式，是在免授权的ISM频带上进行无线通信的低成本、高集中的解决方案。选用Zigbee通讯技术完成数据传输。

电源采用5-12V供电设计，能够满足大部分的芯片使用。采用电池供电和太阳能电池板结合的设计方案，达到了监测模块的持久续航能力，方便长时间的监测要求下使用。

管理中心系统设计方案如下：

无线通讯模块与监测模块匹配，采用了采用Chipon公司基于SmartRF03技术的CC2420模块。

该微处理模块要求具有较强的运算能力和高运算速度，因此硬件选取ARM处理器。该类处理器的特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持THUMB(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令速度更快；大多数操作在寄存器中完成；寻址方式灵活效率高。处理器工作模式包括：用户模式、系统模式、管理模式、数据访问终止模式、中断模式等多个工作模式，方便处理器根据状态工作在合适的工作模式下。

该微处理器选用ARMCortex-A53处理器，具有史上最好的ARN应用处理器，使用体验极佳，在具有和当前超级手机的应用体验的情况下，功耗仅需其四分之一。同时，具有多种操作系统的支持，缩短了其开发成本和时间。

虽然微处理核心一般自带了数据存储功能，但是其容量一般不能满足长时间大量数据存储的能力，因此增加NAND Flash存储模块，该模块具有快的读写速度，可擦除能力以及大的数据存储量。Nand Flash选用K9F1208U0C型数据存储器，并支持选择高于该容量及以上的同类型数据存储器。

串口通讯模块选取RS-232总线方式，该方式普遍存在于各类上位机的总线连接方式中，提供了简易匹配的方式更方便与其他设备连接。硬件选用MAXIM公司专为RS-232标准串口设计的MAX232芯片，其具有5V供电电源，能够很方便的集成在单片机系统中，实现了上位机与单片机的信号匹配。

人机交互模块设置液晶显示可触摸屏、提示音、灯光提示等功能。

触摸屏选择能够在低温环境下使用的，具有触摸控制的屏幕，可以选择日本JDI公司的产品，屏幕在7英寸到12英寸为宜，内存在1G以上的多个产品型号，按实际设计需求选用。

提示音为设备长期待机、启动、传感器故障告警而设计，功能要求具有多类型告警提示音供用户选择，并与警示灯光相匹配，达到多重提示告警同时启动，快速完成告警、预警的作用。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多传感器智能监测装置，其特征在于，包括：

监控系统，所述监控系统设置有多个监测模块，所述监测模块一端分别与测试系统的传感器分别连接；

所述检测模块另一端分别与所述管理中心系统连接；

所述监测模块用于数据的采集、预处理、发送以及控制信号的接收；

所述管理中心系统接收所述监测模块发送的数据，并将监测数据特征值为运算输入，根据传感器的预设阈值对传感器运行现状进行评估；

根据历史监测特征值进行智能推理与决策，获得被监测传感器的预测工作状态，将监测结果和预测状态通过人机交互部件显示在该装置上，提醒使用人员执行相应的操作。

2.如权利要求1所述的多传感器智能监测装置，其特征在于：所述监测模块内设置有接口适配模块及模数转换模块；

所述接口适配模块一端与所述传感器连接，另一端与所述模数转换模块连接，将所述传感器的信号与所述模数转换模块相匹配；

所述监测系统与管理中心系统通过所述无线通讯模块进行据指令和控制指令的收发。

3.如权利要求2所述的多传感器智能监测装置，其特征在于：所述传感器信号通过接口适配模块的接口电路的整流、滤波、转换，将所述传感器的输出信号转换为模数转换模块能够识别的类型及范围；

并对模数转换模块输入信号进行信号限幅及门限值调制。

4.如权利要求1所述的多传感器智能监测装置，其特征在于：所述管理中心系统及监测模块分别设置有无线通讯模块；

所述管理中心系统的无线通讯模块和监测模块的无线通讯相匹配，完成两部分的数据和信息交互；

所述管理中心系统的无线通讯模块发送控制信号和监测任务到各个监测模块的无线通讯模块，各监测模块发送数据到管理中心系统。

5.如权利要求1所述的多传感器智能监测装置，其特征在于：所述管理中心系统及监测模块分别设置有微处理模块；

所述监测模块中设置微处理模块对其监测模块进行运行控制、数据采集、特征值提取、数据指令收发、控制指令收发及监测点运行管理；

所述管理中心系统的微处理模块对整个监测系统协调运行、获得监测模块数据、发布及更新监测任务、状态监测与评估、实现智能预测与推理、状态判断和预警。

6.如权利要求5所述的多传感器智能监测装置，其特征在于：将所述无线通讯模块中获得的监测数据特征值进行运算输入，根据传感器的预设阈值对传感器进行传感器运行现状的评估，得到的运行传感器的状态；

并分析传感器被监测期特征值历史数据，通过智能控制算法，对传感器的下一个观测时段进行状态预测，并作状态评估。

7.如权利要求1所述的多传感器智能监测装置，其特征在于：所述管理中心系统设置有串口通讯模块；

所述管理中心系统通过所述串口通讯模块与外部数据库连接，将管理中心系统的数据发送至外部数据库。

8.如权利要求7所述的多传感器智能监测装置，其特征在于：所述管理中心系统设置有数据储存模块；

所述数据储存模块分别与所述管理中心系统的微处理模块及所述串口通讯模块连接；

所述管理中心系统的微处理模块获取的特征值、状态判断结果及预测结果存储在所述数据存储模块内。

9.如权利要求8所述的多传感器智能监测装置，其特征在于：所述管理中心系统设置有人机交互模块，所述人机交互模块与所述管理中心系统的微处理模块连接；

所述管理中心系统的微处理模块通过人机交互模块将监测结果、设备控制及告警进行多模态输入或者输出。

10.如权利要求1所述的多传感器智能监测装置，其特征在于：所述管理中心系统及监测模块分别设置有电源及辅助电路，用于整个监测装置的供电。