CN107770293A - 工业现场环境监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了工业现场环境监测系统，包括基于无线传感器网络的环境监测装置、基站设备和上位机；所述基于无线传感器网络的环境监测装置包括多个环境监测传感器节点，环境监测传感器节点对工业现场环境进行监测感知，并将获得的工业现场环境感知数据发送至基站设备；所述基站设备汇聚各环境监测传感器节点发送的工业现场环境感知数据，进行处理后转发至上位机；上位机用于对基站设备发送的工业现场环境感知数据进行处理和显示。本发明利用无线传感器网络技术实现了对工业现场环境的无线监测。
Description
技术领域
本发明涉及工业环境监测领域，具体涉及工业现场环境监测系统。
背景技术
工业现场环境较为复杂，如噪声大、灰尘多、高温或者高湿，对于此类工业现场环境进行监测，并非如常规室外环境监测容易实现，其主要原因有以下几点：
1)现有工业现场环境有采用温度计、湿度计悬挂方式进行监测。其弊端在于：一是不能对温湿度进行实时的显示；二是在恶劣的工业现场环境中，温度计、湿度计极易损坏，导致测试数据失效；三是涉及到多点测量时，采用温度计、湿度计监测方式增加了成本。
2)现有工业现场环境中也有采用测温探头方式，但是一般是辅助固定安装在设备上，通过接线方式与控制柜连接。此类温湿度监测一般监测设备本身、或者监测设备周边环境。其监测范围小，且不能随便移动监测点。
3)采用布设多个监测点，进行有线监测温湿度方式，能保证监测的实时性和稳定性。然而基于复杂的工业现场环境，线路越多、越容易出现线路故障；且对于狭窄的空间环境中，布线方式基本不可取。布线方式本身也增加了环境监测的成本。
发明内容
针对上述问题，本发明提供工业现场环境监测系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
提供了工业现场环境监测系统，包括基于无线传感器网络的环境监测装置、基站设备和上位机；所述基于无线传感器网络的环境监测装置包括多个环境监测传感器节点，环境监测传感器节点对工业现场环境进行监测感知，并将获得的工业现场环境感知数据发送至基站设备；所述基站设备汇聚各环境监测传感器节点发送的工业现场环境感知数据，进行处理后转发至上位机；上位机用于对基站设备发送的工业现场环境感知数据进行处理和显示。
进一步地，工业现场环境监测系统还包括与上位机连接的报警装置。
其中，所述工业现场环境感知数据包括温度、湿度数据。环境监测传感器节点包括用于对工业现场环境进行探测的传感器，其中传感器包括温度传感器、湿度传感器。
优选地，所述上位机包括数据处理模块和显示模块，该数据处理模块与显示模块相连接。该上位机以用户界面的形式，将工业现场的温湿度数据清晰直观的展现出来，方便用户采取合理的措施。
本发明的有益效果为：利用无线传感器网络技术实现了工业现场环境的无线监测，无需布线，具备监测点布置灵活、多方位实时显示、监测准确性好、不影响工业现场的优点。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1本发明一个实施例的结构示意框图；
图2是本发明一个实施例的上位机的结构示意框图。
附图标记：
基于无线传感器网络的环境监测装置1、基站设备2、上位机3、数据处理模块10、显示模块20。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本实施例提供的工业现场环境监测系统，包括基于无线传感器网络的环境监测装置1、基站设备2和上位机3；所述基于无线传感器网络的环境监测装置1包括多个环境监测传感器节点，环境监测传感器节点对工业现场环境进行监测感知，并将获得的工业现场环境感知数据发送至基站设备2；所述基站设备2汇聚各环境监测传感器节点发送的工业现场环境感知数据，进行处理后转发至上位机3；上位机3用于对基站设备2发送的工业现场环境感知数据进行处理和显示。
其中，所述工业现场环境感知数据包括温度、湿度数据。环境监测传感器节点包括用于对工业现场环境进行探测的传感器，其中传感器包括温度传感器、湿度传感器。
在一个实施例中，工业现场环境监测系统还包括与上位机3连接的报警装置4。
可选地，所述上位机3包括数据处理模块10和显示模块20，该数据处理模块10与显示模块20相连接。其中数据处理模块用于对基站设备2发送的工业现场环境感知数据进行处理，可选地，处理的过程可包括对工业现场环境感知数据进行校验处理，若工业现场环境感知数据不正确，则将该组工业现场环境感知数据丢弃，继续校验下一组工业现场环境感知数据。可选地，处理的过程还可包括将工业现场环境感知数据与预设的数据阈值进行比较，当某个工业现场环境感知数据不在预设的数据阈值范围内，或者持续一定时间的工业现场环境感知数据都不在预设的数据阈值范围内时，向报警装置4发送信号，触发该报警装置4执行报警，从而提醒监测人员注意。
上位机3的显示模块20以用户界面的形式，将工业现场环境感知数据清晰直观的展现出来，方便用户采取合理的措施。
可选地，报警装置4可包括声光报警器。
本发明上述实施例利用无线传感器网络技术实现了工业现场环境的无线监测，无需布线，具备监测点布置灵活、多方位实时显示、监测准确性好、不影响工业现场的优点。
在一个实施例中，所述的基站设备2设置于设定的工业现场环境监测区域外，环境监测传感器节点部署于设定的工业现场环境监测区域内，其中该设定的工业现场环境监测区域为a×a的二维正方形区域。
在一个实施例中，各环境监测传感器节点基于网格进行部署，具体包括：
(1)估计需要在该设定的工业现场环境监测区域内部署的环境监测传感器节点数量K；
(2)将该设定的工业现场环境监测区域划分M个大小相等的正方形虚拟网格：
式中，P为环境监测传感器节点失效的概率；
(3)根据正方形虚拟网格的中心点到基站设备2的距离确定每个正方形虚拟网格应部署的最优环境监测传感器节点数量：
式中，Ki表示第i个正方形虚拟网格应部署的最优环境监测传感器节点数量，di-sink表示第i个正方形虚拟网格中心点到基站设备2的距离，表示各正方形虚拟网格的中心点到基站设备2的距离之和，其中dj-sink表示第j个正方形虚拟网格中心点到基站设备2的距离，j＝1,2…,M，int[·]为取整函数；
(4)按照计算的最优环境监测传感器节点数量在各正方形虚拟网格中均匀部署环境监测传感器节点。
现有技术中利用环境监测传感器节点构建无线传感器网络时，环境监测传感器节点的部署很少采用科学的部署策略或算法，带有一定的随意性，然而环境监测传感器节点向基站设备2传输数据时，通常要通过中间节点路由，离基站设备2越近的环境监测传感器节点，需转发的数据也越多，因而会消耗更多的能量，因此基站设备2附近的环境监测传感器节点能量将很快耗尽而“死亡”，基站设备2也就无法收集数据，严重影响了网络的生命周期；本实施例相对于现有技术，提供了较为科学的环境监测传感器节点部署策略，该策略简单，易于实施，其中根据正方形虚拟网格的中心点到基站设备2的距离确定每个正方形虚拟网格应部署的最优环境监测传感器节点数量，能够使得距离基站设备2越近的正方形虚拟网格中部署更多的环境监测传感器节点，有利于平衡每个环境监测传感器节点的能量消耗，避免离基站设备2越近的环境监测传感器节点越早“死亡”的现象，大大优化网络中环境监测传感器节点的能量消耗，使得网络中各正方形虚拟网格的环境监测传感器节点尽可能同时消耗完自身的能量，从而有效地延长整个网络的生命期，并提高可靠性，达到减少维护的目的。
在一个实施例中，按照下列公式估计需要在该设定的工业现场环境监测区域内部署的环境监测传感器节点数量K：
式中，表示预设的环境监测传感器节点覆盖率，Rmax为环境监测传感器节点可调的最大感知半径，λ为预设的调节系数，a的取值范围为[0.6,0.8]，int[·]为取整函数。
其中，为保证一定的网络覆盖度，环境监测传感器节点覆盖率的取值应控制在80％以上。作为优选，环境监测传感器节点覆盖率的取值为95％。
本实施例基于环境监测传感器节点覆盖率和环境监测传感器节点的可调的感知半径两个因素设定了需要在该设定的工业现场环境监测区域内部署的环境监测传感器节点数量的计算公式，依据该计算公式估计的数量在设定的工业现场环境监测区域内实施环境监测传感器节点的部署，能够保证一定的网络覆盖度，有利于实现对工业现场环境监测区域的全面监测。
在一个实施例中，网络初始化时，环境监测传感器节点通过分簇路由协议动态地产生簇头节点和普通成员节点，最终形成自组织网络，其中簇头节点负责收集簇内普通成员节点获得的工业现场环境感知数据，且收集的工业现场环境感知数据的最终目的地为基站设备2。
本实施例通过分簇的形式进行工业现场环境感知数据的收集和传输，有利于降低工业现场环境感知数据传输的能耗。
其中，所述的环境监测传感器节点通过分簇路由协议动态地产生簇头节点和普通成员节点，具体包括：
(1)每个正方形虚拟网格即为一个簇，环境监测传感器节点根据自己的地理位置信息，判断自己所属的簇，同一正方形虚拟网格中的环境监测传感器节点可以相互获取信息，形成邻居节点列表；
(2)基站设备2向每个环境监测传感器节点广播分簇消息，其中分簇消息包括等待时间阈值，每个正方形虚拟网格中的环境监测传感器节点在收到基站设备2发送的分簇消息后，按照下列公式计算自身的状态值，并向通信范围内的其他环境监测传感器节点即邻居节点广播自己的状态值：
式中，Qh表示环境监测传感器节点h的状态值，Eh为环境监测传感器节点h的当前剩余能量，Eh0环境监测传感器节点h的初始能量，为环境监测传感器节点h到其所属正方形虚拟网格的中心点oh的距离，C表示正方形虚拟网格的边长，dh-j表示环境监测传感器节点h到其第j个邻居节点的距离，nh表示环境监测传感器节点h的邻居节点个数；
(3)环境监测传感器节点在等待时间阈值内接收其他环境监测传感器节点发送的状态值，若接收到一个状态值大于自身的状态值时，该环境监测传感器节点即放弃簇头节点的竞选，充当普通成员节点；若在等待时间阈值内接收到的状态值皆小于自身的状态值时，该环境监测传感器节点成为簇头节点，并向邻居节点广播通知。
本实施例提出了环境监测传感器节点在工作时的分簇路由策略，该策略将正方形虚拟网格作为一个簇单位，并通过状态值的比较进行簇头节点的竞选，有利于实现均匀分簇，且使得与各邻居节点相近的、更靠近所属正方形虚拟网格中心的、剩余能量多的环境监测传感器节点具有更大的几率成为簇头节点，该分簇路由协议能够减少网络总能量消耗，平衡环境监测传感器节点能量消耗，从而在整体上能够节约对工业现场环境进行监测的通信成本，延长工业现场环境监测系统的工作周期。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (5)
1.工业现场环境监测系统，其特征是，包括基于无线传感器网络的环境监测装置、基站设备和上位机；所述基于无线传感器网络的环境监测装置包括多个环境监测传感器节点，环境监测传感器节点对工业现场环境进行监测感知，并将获得的工业现场环境感知数据发送至基站设备；所述基站设备汇聚各环境监测传感器节点发送的工业现场环境感知数据，进行处理后转发至上位机；上位机用于对基站设备发送的工业现场环境感知数据进行处理和显示。
2.根据权利要求1所述的工业现场环境监测系统，其特征是，还包括与上位机连接的报警装置。
3.根据权利要求1或2所述的工业现场环境监测系统，其特征是，所述上位机包括数据处理模块和显示模块，该数据处理模块与显示模块相连接。
4.根据权利要求1所述的工业现场环境监测系统，其特征是，所述的基站设备设置于设定的工业现场环境监测区域外，环境监测传感器节点部署于设定的工业现场环境监测区域内，其中该设定的工业现场环境监测区域为a×a的二维正方形区域。
5.根据权利要求4所述的工业现场环境监测系统，其特征是，各环境监测传感器节点基于网格进行部署，具体包括：
(1)估计需要在该设定的工业现场环境监测区域内部署的环境监测传感器节点数量K；
(2)将该设定的工业现场环境监测区域划分M个大小相等的正方形虚拟网格：
<mrow>
<mi>M</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>a</mi>
<mo>&times;</mo>
<mi>a</mi>
</mrow>
<mrow>
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<mo>&times;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<mi>P</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中，P为环境监测传感器节点失效的概率；
(3)根据正方形虚拟网格的中心点到基站设备的距离确定每个正方形虚拟网格应部署的最优环境监测传感器节点数量：
<mrow>
<msub>
<mi>K</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>int</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>d</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>-</mo>
<mi>sin</mi>
<mi>k</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<msubsup>
<mi>&Sigma;</mi>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
<mi>M</mi>
</msubsup>
<msub>
<mi>d</mi>
<mrow>
<mi>j</mi>
<mo>-</mo>
<mi>sin</mi>
<mi>k</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&times;</mo>
<mi>K</mi>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
式中，Ki表示第i个正方形虚拟网格应部署的最优环境监测传感器节点数量，di-sink表示第i个正方形虚拟网格中心点到基站设备的距离，表示各正方形虚拟网格的中心点到基站设备的距离之和，其中dj-sink表示第j个正方形虚拟网格中心点到基站设备的距离，j＝1,2…,M，int[·]为取整函数；
(4)按照计算的最优环境监测传感器节点数量在各正方形虚拟网格中均匀部署环境监测传感器节点。
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