CN108490888A - 一种基于物联网的检测控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于物联网的检测控制系统及方法，该系统包括：物联网络架构，包括通过物联网分层次连接的全网监控服务器，子网监控服务器及受控终端；低功耗管控模块，用以对物联网络架构各层次及网络架构传输进行低功耗管控；数据信道冲突管控模块，用以对降低物联网络架构中数据收发时产生的信道冲突进行管控。以解决上述背景技术中提出的传统行业应用领域中存在的监测控制问题，诸如深埋地下的无线信号连接及长时间受控终端低功耗管控的问题。主要通过物联网提供高穿透的连接，再配合上有效的低功耗管理，可以实现长时间设备无人职守的自动化管理。同时提供相应的监控方法。

Description

一种基于物联网的检测控制系统及方法

技术领域

本发明属于物联网监控领域，尤其涉及无人职守自动化控制，具体涉及一种基于物联网的检测控制系统及方法。

背景技术

近几年来，我国不断投入大量的人力、物力和财力，加强物联网建设并发掘物联网在各行业中的应用，用以达到更高效更科学的监测控制管理目的。

尤其是在某些安全要求高，环境复杂的领域，例如仓储领域中涉及油库存储，油库需要深埋地下，在严格要求环境恒定的同时又要减少人为干扰和破坏。传统的监控方式为人工和有线连接通讯。但是很明显，通过传统方式进行监控，反而增加了外界对安全环境的干扰，加大了安全隐患。

并且，通常使用的无线传输方式大多采用被动上传的方式，其目的是为了减少功耗，但却忽略了主动控制方面的需求。比方说抄表应用中的无线传输方式采用表端定点上报，这种工作方式只在规定的时间才工作，其他时间表端都在休眠状态。在这种工作方式下，如果服务器需要立刻呼叫某一个表端是不能成功的，必须要等到下一个表端工作时间才可以。

在上述介绍的背景之下，相关领域亟需新型物联网技术和行业应用相结合的监测控制管理方法。

发明内容

本发明提供一种基于物联网的监控系统及方法，以解决上述背景技术中提出的传统行业应用领域中存在的监测控制问题，诸如深埋地下的无线信号连接及长时间受控终端低功耗管控的问题。主要通过物联网提供高穿透的连接，再配合上有效的低功耗管理，可以实现长时间设备无人职守的自动化管理。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种基于物联网的检测控制系统，包括：

物联网络架构，包括通过物联网分层次连接的全网监控服务器，子网监控服务器及受控终端；

低功耗管控模块，用以对物联网络架构各层次及网络架构传输进行低功耗管控；

数据信道冲突管控模块，用以对降低物联网络架构中数据收发时产生的信道冲突进行管控。

进一步地，所述受控终端用以针对检测控制对象采集检测参考数据，以及受控于子网监控服务器和全网监控服务器执行对检测控制对象的操作。

进一步地，所述检测控制对象选自：地下油库、机房、后厨、管道深井及不易随时观察和检测到场所；

所述受控终端选自：连接数据采集装置的工控机，连接数据采集装置和联动装置的控制机；

所述检测参考数据包括：温度、湿度、电压、水位、流速,风速、压力、重量、磁场强度、光照强度、角度、力度、声音、气体和震动参数。

进一步地，所述物联网为使用LORA调制解调方式连接全网监控服务器，子网监控服务器，受控终端以进行数据传输的低功耗广域物联网；其所构成的网络拓扑形式为星型网络，在受控终端和子网监控服务器中分别存在LORA传输模块；

所述子网监控服务器管理物联网中的某一个子网络，上行连接至全网监控服务器，下行连接至受控终端；将该子网络中受控终端上传的数据转发至全网监控服务器，将全网监控服务器下发的命令转发至该子网络中的受控终端，并可独立控制该子网络中的受控终端；

所述全网监控服务器连接所有的子网监控服务器，收集所有子网监控服务器上传的数据并下发指令。

一种基于物联网的检测控制方法，针对物联网络架构进行检测控制，所述物联网络架构包括通过物联网分层次连接的全网监控服务器，子网监控服务器及受控终端；方法包括以下步骤：

对物联网络架构各层次及网络架构传输进行低功耗管控；

对降低物联网络架构中数据收发时产生的信道冲突进行管控。

进一步地，还包括：针对检测控制对象采集检测参考数据；通过子网监控服务器和全网监控服务器执行对检测控制对象的操作。

进一步地，所述检测控制对象选自：地下油库、机房、后厨、管道深井及不易随时观察和检测到场所；

所述受控终端选自：连接数据采集装置的工控机，连接数据采集装置和联动装置的控制机；

所述检测参考数据包括：温度、湿度、电压、水位、流速,风速、压力、重量、磁场强度、光照强度、角度、力度、声音、气体和震动参数。

进一步地，所述低功耗管控包括受控终端低功耗管控，子网监控器低功耗管控，中继节点低功耗管控，空中传输波特率低功耗管控。

进一步地，所述受控终端低功耗管控包括：使受控终端中的无线模块处于间歇性休眠状态，循环切换受控终端休眠，监听，接收的三种工作状态；

所述子网监控服务器低功耗管控包括，使子网监控服务器中的无线模块间歇性循环下发控制命令，当子网监控服务器下发的数据所用发送时间窗口匹配上本子网络的受控终端的监听窗口时，则数据被有效收到，若未匹配则间隔一段时间后再次下发；

所述中继节点低功耗管控包括，使中继节点处于和受控终端对应的间歇休眠工作模式，当从子网监控服务器收到有效信号后，转入正常工作状态并按照子网监控服务器的发送模式间歇转发指令，如从受控终端收到有效回复数据后，则转发回子网监控服务器后，再重新进入间歇性休眠工作模式；

所述空中传输波特率低功耗管控包括，对不同的受控终端和子网监控服务器使用的空中波特率进行最优配比，对距离近或者受环境干扰小的受控终端使用更高的空中波特率以节省传输时间，减小传输功耗。

进一步地，所述对降低物联网络架构中数据收发时产生的信道冲突进行管控包括：使上行数据传输和下行数据传输使用不同的信道以减少上行数据和下行数据的冲突。

通过采取以上技术方案，本发明能够通过特殊的物联网的网络架构提供高具有穿透性的连接，适应各种环境下进行物联网监视控制，同时配合上有效的低功耗管理，极大提高系统续航性，可以实现长时间设备无人职守的自动化管理。

附图说明

图1为本发明一实施例中基于物联网的检测控制系统的物联网络架构示意图。

图2至图17为本发明一实施例中为说明基于物联网的检测控制系统的管控周期中各工作状态时间段时间选取依据的不同情况的示意图。

具体实施方式

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清楚、完整的描述。

如图1所示，在一实施例中，提供一种基于物联网的检测控制系统，检测控制的对象为：地下油库、机房、后厨、管道深井及不易随时观察和检测到场所；具体实现方式为：在云端设置全网监控服务器，在本地端设置子网监控器，并用Internet与全网监控服务器连接。每一个子网监控器上安装LORA无线模块，每一个受控终端上安装LORA无线模块和传感器模块，受控终端和子网监控器共同构成星型物联网拓扑结构。如有信号不佳的地方则在中间地点安置带LORA无线模块的中继节点。

其中，全网监控服务器连接所有的子网监控服务器，收集所有子网监控服务器上传的数据并下发指令。

子网监控服务器管理全网中的某一个子网络，上行连接至全网服务器，下行连接至受控终端。将本子网络中受控终端上传的数据转发至全网服务器，将全网服务器下发的命令转发至本子网络中的受控终端，自身也可以独立控制本子网络中的受控终端。

受控终端用于采集温度、湿度、电压、水位、流速,风速、压力、重量、磁场强度、光照强度、角度、力度、声音、气体和震动参数等数据并上传，发生异常数据时报警；同时受控于子网监控服务器和全网监控服务器执行开关阀门，开关大门的操作。

在受控终端的低功耗管控中，和通常所用的网络授时再采用对齐时隙的工作方式不同。通常方式需要经常网络授时以消除时间误差，并且加大了开发人员的设计难度。本发明不需要网络授时，只需要简单的安装到现场即可。在具体实施中，选取时间段T1为休眠时间，时间段T2为监听时间，T2的时间为最少能够监听到信道中有数据的时间。换句话说如果选取更小的T2时间，即便是空中有数据，从硬件处理速度上来说也无法正确识别出数据。休眠T1时间后紧接着监听T2时间，如果发现有效信号则接收并处理并回复确认，如果没有发现有效信号则循环进行休眠T1时间并监听T2时间的工作策略。在此低功耗工作策略之下功耗和时间的比例情况是T2/(T1+T2)。具体的T1和T2的时间选取需要根据选用的MCU和网络物理环境做计算。

在子网监控器的低功耗管控中，选取时间段T3为休眠时间，选取时间段T4为发送数据时间，另开一个信道作为接收受控终端回复用，接收信道一直处于接收状态。在T4时间发送指令给受控终端，在受控终端收到指令作出回复，子网监控器接收到来自受控终端的确认回复。如果在能接收到确认回复则不再发送指令，反之则在下一个T4时间继续发送指令，如此往复，直到收到确认回复为止。

从整个时间周期上来看，在受控终端和子网监控器都上电运行后，某一时刻子网监控器需要主动控制受控终端时，它会在休眠T3时间后，在T4时间内发送指令数据。从时间点上来看子网监控器的触发周期会落在受控终端整个周期的任意一个时间点上。只有当T2处在T4的范围之内才是能够被监听到的。

T1，T2，T3，T4的选取需要根据实际情况做出计算才行。具体实现方式和基本原理描述如下：

假设一个项目中受控终端设备至少需要50毫秒才能监听出一个有效信号。同时设定受控终端的功耗比为40比1，也就是说在一个工作周期中，产生功耗的时间占40分之一。那么受控终端的休眠时间为1.95秒。这样，一个周期时间为休眠时间加监听时间，总计为2秒，监听时间为0.05秒，占比40分之一。

图2代表受控终端的一个周期，浅灰线条部分为休眠时间，深灰部分为监听时间：

对于子网监控器来说，它的发送指令时间必须要覆盖掉受控终端的监听时间才能使得信号被监听到。

图3代表一个子网监控器的周期，浅灰部分为休眠时间，深灰部分为发送时间：

接下来的图示几种可能会出现的碰撞情况：

如图4，子网监控器的发送时间提前于受控终端的监听时间，导致无法被监听到；或滞后，如图5；

如图6，子网监控器的发送时间和受控终端的监听时间有重合，但没完全覆盖住受控终端的监听时间，导致监听时长不够，监听失败；

或如图7。

如图8，子网监控器的发送时间完全覆盖受控终端的监听时间，有效监听。

对于子网监控器来说，它的发送时间由指令数据长度决定，简单来说数据多则发送时间长，数据少则发送时间短。这里我们用发送时间1秒来举例。那么现在缺少的就只有子网监控器的休眠时间了。不论子网监控器的休眠时间为多少，最后都是看子网监控器工作周期发生时和受控终端的工作周期的碰撞情况。所以我们必须完全分析碰撞的所有可能性才能知道子网监控器的休眠时间为多少才能达到最小有效碰撞时间。

下面就全时段的三个典型部分做说明：

子网监控器周期完结时受控终端周期刚刚开始，如图9所示；

某中间时刻，如图10所示；

子网监控器周期开始时受控终端周期刚刚完结，如图11所示；

所以就全时段来说，可以看成子网监控器周期从受控终端周期开始到结束的介入过程，如图12所示：

常规分析可以看出，子网监控器休眠时间越短则碰撞成功几率越高。比方说子网监控器休眠周期为0，则是不停发送，一个周期就能碰撞上；又比方说子网监控器休眠时间为无穷大，则永远休眠，永远都碰撞不上。所以子网监控器的休眠时间为大于0，具体则根据不同休眠时间的功耗比同时考虑碰撞成功时长是否满足项目需求而定。

在具体选取子网监控器的休眠时间时，我们选取子网监控器周期从受控终端周期开始到结束的整个介入过程为分析窗口。期间渐进时段为一个足够小的时间，在本例中使用0.01秒，从分析窗口开始到结束逐步渐进，最后选取最优的子网监控器休眠时间。在本例中，已经可以决定下来的参数为，受控终端监听时间为0.05秒，休眠时间为1.95秒，子网监控器发送时间为1秒。子网监控器休眠时间从0.1秒开始分析，可以得到：

当子网监控器休眠时间为0.1秒时，最长碰撞成功时间为4.34秒，发生于受控终端超前子网监控器0.34秒发生时，如图13所示；

当子网监控器休眠时间为0.5秒时，最长碰撞成功时间为7.04秒，发生于受控终端超前子网监控器1.04秒发生时，如图14所示；

如图15所示，当子网监控器休眠时间为1秒时，最长碰撞成功时间为无穷大，因为双方周期刚好相等，会出现永远错开一个固定时间的情况；

当子网监控器休眠时间为1.5秒时，最长碰撞成功时间为12.04秒，发生于受控终端超前子网监控器2.04秒发生时，如图16所示。

以此方法分析下去，配合项目需求比如为需要在11秒内成功碰撞，子网监控器的休眠时间可以选择为1.6秒，最长碰撞成功时间为10.24秒，发生于受控终端超前子网监控器2.24秒发生时，如图17所示。

可以看出整个低功耗管控策略是一种几率碰撞的机制，在不进行网络授时和时隙对齐的情况下通过双方发送时间窗口碰上接收窗口来进行上下行数据交互，对于选取的时间段T1，T2，T3，T4的不同能达到不同的碰撞几率以及实时性响应。根据目前实际使用的情况来看，根据项目需求做出最优配比。整个系统无需大范围的网络授时以及精确时隙对齐，既装既用，简单有效。

由于空中波特率决定了数据空中传输所花时间，空中传输所花时间越少则工作时间越少，则所费功耗越小。所以在以既定发射强度发射一个数据包时，空中波特率越高则功耗越小。考虑到不同空中波特率带来的穿透性负面影响，有可能在过高的空中波特率情况下无法有效进行数据传输。在空中传输波特率低功耗管控具体实施中，需要存储一个最低的空中波特率用于备份。进行空中传输波特率调配过程中逐步使用更高一级别的空中波特率进行尝试，若能有效传输则继续进行更高一级别的尝试，直至达到最优。此时应当存储最优波特率值和次一级比别波特率值，当遇到信号受干扰使得最优波特率无法进行数据传输时使用次一级别波特率进行传输，若还是不成功则直接使用最低波特率进行传输。过一段时间后再次重新使用最优波特率进行传输。

显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

Claims (10)

1.一种基于物联网的检测控制系统，其特征在于，包括：

物联网络架构，包括通过物联网分层次连接的全网监控服务器，子网监控服务器及受控终端；

低功耗管控模块，用以对物联网络架构各层次及网络架构传输进行低功耗管控；

数据信道冲突管控模块，用以对降低物联网络架构中数据收发时产生的信道冲突进行管控。

2.如权利要求1所述的基于物联网的检测控制系统，其特征在于，所述受控终端用以针对检测控制对象采集检测参考数据，以及受控于子网监控服务器和全网监控服务器执行对检测控制对象的操作。

3.如权利要求1所述的基于物联网的检测控制系统，其特征在于，所述检测控制对象选自：地下油库、机房、后厨、管道深井及不易随时观察和检测到场所；

所述受控终端选自：连接数据采集装置的工控机，连接数据采集装置和联动装置的控制机；

所述检测参考数据包括：温度、湿度、电压、水位、流速,风速、压力、重量、磁场强度、光照强度、角度、力度、声音、气体和震动参数。

4.如权利要求1所述的基于物联网的检测控制系统，其特征在于，所述物联网为使用LORA调制解调方式连接全网监控服务器，子网监控服务器，受控终端以进行数据传输的低功耗广域物联网；其所构成的网络拓扑形式为星型网络，在受控终端和子网监控服务器中分别存在LORA传输模块；

所述子网监控服务器管理物联网中的某一个子网络，上行连接至全网监控服务器，下行连接至受控终端；将该子网络中受控终端上传的数据转发至全网监控服务器，将全网监控服务器下发的命令转发至该子网络中的受控终端，并可独立控制该子网络中的受控终端；

所述全网监控服务器连接所有的子网监控服务器，收集所有子网监控服务器上传的数据并下发指令。

5.一种基于物联网的检测控制方法，针对物联网络架构进行检测控制，所述物联网络架构包括通过物联网分层次连接的全网监控服务器，子网监控服务器及受控终端；方法包括以下步骤：

对物联网络架构各层次及网络架构传输进行低功耗管控；

对降低物联网络架构中数据收发时产生的信道冲突进行管控。

6.如权利要求5所述的基于物联网的检测控制方法，其特征在于，还包括：针对检测控制对象采集检测参考数据；通过子网监控服务器和全网监控服务器执行对检测控制对象的操作。

7.如权利要求5所述的基于物联网的检测控制方法，其特征在于，所述检测控制对象选自：地下油库、机房、后厨、管道深井及不易随时观察和检测到场所；

所述受控终端选自：连接数据采集装置的工控机，连接数据采集装置和联动装置的控制机；所述检测参考数据包括：温度、湿度、电压、水位、,流速,风速、压力、重量、磁场强度、光照强度、角度、力度、声音、气体和震动参数。

8.如权利要求5所述的基于物联网的检测控制方法，其特征在于，所述低功耗管控包括受控终端低功耗管控，子网监控器低功耗管控，中继节点低功耗管控，空中传输波特率低功耗管控。

9.如权利要求5所述的基于物联网的检测控制方法，其特征在于，所述受控终端低功耗管控包括：使受控终端中的无线模块处于间歇性休眠状态，循环切换受控终端休眠，监听，接收的三种工作状态；

所述子网监控服务器低功耗管控包括，使子网监控服务器中的无线模块间歇性循环下发控制命令，当子网监控服务器下发的数据所用发送时间窗口匹配上本子网络的受控终端的监听窗口时，则数据被有效收到，若未匹配则间隔一段时间后再次下发；

所述中继节点低功耗管控包括，使中继节点处于和受控终端对应的间歇休眠工作模式，当从子网监控服务器收到有效信号后，转入正常工作状态并按照子网监控服务器的发送模式间歇转发指令，如从受控终端收到有效回复数据后，则转发回子网监控服务器后，再重新进入间歇性休眠工作模式；

所述空中传输波特率低功耗管控包括，对不同的受控终端和子网监控服务器使用的空中波特率进行最优配比，对距离近或者受环境干扰小的受控终端使用更高的空中波特率以节省传输时间，减小传输功耗。

10.如权利要求5所述的基于物联网的检测控制方法，其特征在于，所述对降低物联网络架构中数据收发时产生的信道冲突进行管控包括：使上行数据传输和下行数据传输使用不同的信道以减少上行数据和下行数据的冲突。