CN108663089A - 一种带有环境在线监测功能的景区风塔系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有环境在线监测功能的景区风塔系统，包括中心管理系统、中继器和风塔检测终端。中心管理系统，包括第一通讯模块，用于与第二通讯模块进行有线或无线通讯；地理信息模块，用于存储放置风塔检测终端地域的地理信息；第一处理模块，与地理信息模块相连接，用于处理风塔检测终端的相关信息。中继器，包括第二通讯模块，用于与第一通讯模块进行有线或无线通讯；第三通讯模块，用于通过NB‑IoT与后述第四通讯模块进行无线通讯；第二处理模块，与第二通讯模块和第三通讯模块相连接，用于处理通讯协议之间的转换。风塔检测终端，包括空气检测模块，用于检测空气和输出空气质量数据。

Description

一种带有环境在线监测功能的景区风塔系统

技术领域

本发明涉及一种带有环境在线监测功能的景区风塔系统。

背景技术

风塔也交测风塔，是一种用于测量风能参数的高耸塔架结构，即一种用于对近地面气流运动情况进行观测、记录的塔形构筑物。以前多由风力发电企业、气象、环保部门建造，用于气象观测和大气环境监测，现在也用于风景区和森林保护区的环境检测。往往这些风塔都设在郊区或者上去，为检修和数据提取带来非常多的不便。此外，存在检测景区生态空气环境的需求，以保护自然和防范火灾。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种带有环境在线监测功能的景区风塔系统。

本发明的方案一方面为一种带有环境在线监测功能的景区风塔系统，包括中心管理系统、中继器和风塔检测终端。其中：中心管理系统，包括第一通讯模块，用于与第二通讯模块进行有线或无线通讯；地理信息模块，用于存储放置风塔检测终端地域的地理信息；第一处理模块，与地理信息模块相连接，用于处理风塔检测终端的相关信息。中继器，包括：第二通讯模块，用于与第一通讯模块进行有线或无线通讯；第三通讯模块，用于通过NB-IoT与后述第四通讯模块进行无线通讯；第二处理模块，与第二通讯模块和第三通讯模块相连接，用于处理通讯协议之间的转换。风塔检测终端包括：倾角检测模块，用于检测安装了风塔检测终端的风塔的倾斜角度；轨迹分析模块，用于检测安装了风塔检测终端的风塔的运动轨迹；空气检测模块，用于检测空气和输出空气质量数据；第一定位模块，用于获取风塔检测终端的风塔的地理位置信息；存储模块，用于存储风塔检测终端的状态信息；电子标签，用于存储风塔检测终端的ID；第四通讯模块，用于通过NB-IoT与第三通讯模块进行无线通讯。

进一步，所述的系统，还包括：巡检终端，其包括第二定位模块，用于获取巡检终端的地理位置信息；第五通讯模块，用于与第一通讯模块进行无线通讯；电子标签读取模块，用于读取电子标签的存储信息。

进一步，所述空气检测模块包括温湿度感应器、湿度传感器、PM2.5感应器或TVOC感应器。

进一步，风塔检测终端还包括：

伺服微功耗模块。

本发明第二方面为一种风塔监控方法，用于所述的系统。该方法包括以下步骤：风塔检测终端初始化；风塔检测终端获取检测信息，该检测信息包括风塔的倾角、运动轨迹和地理位置信息；风塔检测终端通过NB-IoT将检测信息发送至中继器；中继器将从各风塔检测终端处获取的检测信息转发送至中心管理系统；中心管理系统根据检测信息和对应风塔检测终端的地理信息，生成第一巡检方案。

进一步，所述的方法还包括步骤：中心管理系统根据检测信息、对应风塔检测终端的地理信息以及巡检终端的地理信息，生成第二巡检方案。

进一步，所述的方法还包括以下步骤：中心管理系统向巡检终端发送第一巡检方案；巡检终端根据其检测风塔检测终端的ID，向中心管理系统发送风塔状态信息；中心管理系统根据检测信息、对应风塔检测终端的地理信息以及巡检终端的风塔状态信息，生成第三巡检方案。

本发明具有以下优点：利用NB-IOT技术的低功耗、已部署等特点，利用先进的传感器物联网传输技术和云控制技术，对传统环境检测设施中的风塔进行统一精细化管理。根据设施中风塔管理的实际情况和需求，为有效管理风塔资源，本风塔管控系统在设计时充分考虑各种现有网络资源，集中组网、集中监控、集中告警和远程管理，逻辑上采用三层结构、两级管理模式。采用统一允许模式，实现远程集中管理。

附图说明

下面参照附图对本发明做进一步详细解释描述，其中：

图1所示为根据本发明的带有环境在线监测功能的景区风塔系统的实施例的示意图；

图2所示为根据本发明的带有环境在线监测功能的景区风塔系统的实施方法的细节示意图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

NB-IOT技术，即基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)，已成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于现有的GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

实现基于NB-IOT技术的风塔监控系统，利用NB-IOT技术的低功耗、已部署等特点，利用先进的传感器物联网传输技术和云控制技术，对传统设施中的风塔进行统一精细化管理。根据设施中风塔管理的实际情况和需求，为有效管理风塔资源，本智慧风塔管控系统在设计时充分考虑各种现有网络资源，集中组网、集中监控、集中告警和远程管理，逻辑上采用三层结构、两级管理模式。采用统一允许模式，实现远程集中管理。

智慧风塔管控系统实现以下功能：

1)统一集中管控在线的全部风塔资源；

2)风塔终端各种异常开启情况的实时报警；

3)精准定位发生异常的地点坐标和时间；

4)风塔状盖状态实现全天候自动巡检；

5)远程允许管理各种风塔资源；

6)基于GIS的二维三维可视化图层展示；

7)可查询系统操作层的相关记录或日志。

二、本系统的组成、工作原理、系统拓扑：

图1为系统逻辑拓扑示意图，根据智慧风塔系统组成，大体分为3层：安装在风塔上的风塔监测终端、构成中位网关层的各中继器和构成中心控制层的控制中心。风塔监测终端，位于系统最下层，是一个智能监控终端设备，用于感知风塔的所有状态以及接收中位网关层的通讯信号。中位网关层，位于系统的中间层，采用先进的NB-IOT技术监视，控制风塔监控终端设备，并把从终端收集回来的心跳信号数据包通过internet发送给中心控制层。中心控制层，位于系统的最上层，是整个系统的监控总中心，分为服务数据器、服务操作平台、服务操作APP等三部分。可以控制中位网关，也可以通过设置参数，自动完成对风塔监控层的监控与远程控制。采取此方式组网，可以完全省略通讯线缆，采用NB-IOT+internet方式连接，融合物联网技术，实现通信及远程控制传输，比有线和zigbee连接方式相比，可靠性更高。风塔监测终端与中位网关间采用NB-IOT技术进行数据传输，中位网关与中心控制层通过以太网连接。

第一部分：风塔监测终端

各风塔监测终端分别安装在对应的风塔下部，用于统一集中检测和管理在线的全部风塔资源。风塔监测终端集成NB-IOT信号收发模块、轨迹分析模块、倾角检测模块、伺服微功耗模块、GPS定位模块、TT-UID等工作模块，MCU中央控制模块；可实时监控风塔的运动状态，当风塔发生翻转或是移动后会第一时间启动报警通知监控中心。上述各模块可采用集成的芯片，或者通用性MCU与传感器的组合而实现。

用于本发明的系统包括多个子模块，各子模块的工作原理如下：

1.轨迹分析模块：内部集成先进的轨迹分析算法，通过都传感器数据的矢量计算。

2.伺服微功耗模块：低功耗预警，在正常工作情况下的定时向后台发送状态信息(剩余电压，设备编、信号强度等)、不更换电池的情况下，可以发送1200次，工作时间不少于3年。

3.倾角检测模块：可采用集成水平检测传感器，当风塔产生非正常倾斜或者角度翻转时，若倾斜角度大于设定值，则处罚报警信号传输至MCU。

4.GPS定位模块：获取风塔的地理信息(例如经纬度)。基于GPS实现风塔图层(被监测部分)管理，为风塔地理分布形态，精准定位事故发生地点并导航前往事故核查情况提供基层数据信息。本系统是高德地图服务系统为依托的基础上设计的，支持二维矢量图、卫星图和2.5D仿真三维图等3种电子地图数据，可在各地图图层间自由转换支持定位导航服务。

5.MCU中央控制模块：中央处理模块是风塔监测终端的大脑，负责协同处理各子模块收集的信号，通过内部算法压缩后，与中位网关形成数据握手交换，已达到管控目的。另外，MCU中央控制模块还可以由采集自轨迹分析模块和倾角检测模块的信息综合判断风塔的开闭状态。在实际应用中，仅由倾角变化判断风塔状态时，大型车辆碾压致风塔震动将容易误报警。为此，本发明可采用倾角的变化情况和轨迹是否可逆，，整体误报率低于1％

6.NB-IOT信号收发模块：支持NB-IoT作为低功耗广域网部署，以此作为信号传输介质和中位网关之间完成信号收发。

7.TT-UID：UID电子标签技术，为风塔建立唯一的身边标识，对每一个风塔统一管理，统一归档。

第二部分：中位网关

风塔终端设备是由NB-IoT模块、internet模块和DSP处理器组成，通过压缩交换算法技术来作为主控，承担中位机的作用，向下与终端交换数据，向上与数据中心握手。

NB-IoT模块新能源自主开发开发的一款工业级NB-IoT数据交换模块，它内部集成了一个NB-IoT接口以及TCP/IP协议栈,通过此设备可实现NB-IoT网络和上层网络的互联互通，进一步拓展了NB-IoT网络范围，同时方便对风塔终端设备进行数据采集、调式和控制。

通过NB-IoT协议与中心控制主机通信，通信信令可以采用29位ID的扩展格式样数据帧或遥控帧。

DSP处理器可以用于处理不同通讯模块之间的数据格式的转化。

中心控制主机通过SCIKET与NB-IoT设备连接，采用二进制协议实现互通，包括监测系统下过指令与上报风塔终端告警信息。

第三部分：中心控制层

风塔监控平台：基于物联网的智能风塔监控平台可以对城市中各个部分的风塔进行统一管理，完成风塔报警处理、风塔的管理、风塔巡检、派工能综合服务，能明显提高管理效率。

第四部分：巡检终端

该巡检终端采用便携性智能终端，包括以下模块：

定位模块，用于获取巡检终端的地理位置信息，例如可采用GPS/北斗定位模组；

通讯模块，用于与中心控制层的风塔监控平台进行无线通讯，从而获取根据风塔监测终端检测的信息而得到的巡检路线等，也可通过风塔监控平台直接查询指定风塔监测终端的状态信息和风塔监控终端的风塔监控终端名称、ID号、管理者及其联系方式、购置时间等信息；

电子标签读取模块，用于读取风塔监测终端的电子标签的存储信息，从而采集风塔监控终端的风塔监控终端名称、ID号、管理者及其联系方式、购置时间等信息。

此外，巡检终端也可采用手机客户端(APP)：随着社会进入移动互联时代，本系统可通过手机网页端也可以实现对风塔状态的监控，接收报警信息等功能，实现监控的无地域化。手机客户端作为辅助手段，主要完成风塔检测终端的注册、注销，风塔状态查询和报警信息接收、巡检人员签到、异常情况上报等功能。本系统同时支持安卓和ios系统。

对于风塔监控平台的软件设计，为了日后维护、拓展与升级有需要，采用模块化设计理念。根据功能划分，整个系统可分为设备采集模块、监控巡检模块。设备授权管理模块。预警模块、GPS图层展示模块、系统权限管理模块。

1.设备采集模块

此模块主要是采集风塔监控终端和NB-IOT设备的基础信息,包括风塔监控终端名称、ID号、购置时间。维保年限、位置信息、所属NB-IOT设备；NB-IOT设备名称IP等信息，实现设备全生命周期管理。

2.监控巡检模块

实现风塔实时监控，定期给各风塔终端下达查询指令查询风塔状态；主动接收风塔终端的异常信息。通过设定参数(如日期、区域等，)下达巡检任务，达到自动巡检目的，可减少人工巡检成本。

3.设备权限管理模块

实现风塔开启日志查询，风塔开启时间授权管理，当用户在授权开启时间段开启风塔系统不会产生告警信息。

4.报警派单模块

当风塔监测设备发现风塔异常时主动向数据中心发送报警信息，数据中心采用语音、短信、邮件等多渠道方式实时告知巡检终端的监控人员或指定人员，以便管理部门能实时做出相应处理。

5.GPS图层展示模块

基于GPS实现风塔图层(被监测部分)管理，可直观显示风塔分布形态，当接收风塔监测系统的告警通知时，在图层上显示异常风塔信息，精准定位事故发生地点，同时可通过导航前往事故核查情况。本系统是以高德地图服务系统为依托的基础上设计的，支持二维矢量图、卫星图和2.5D仿真三维图3种电子地图，可在各地图图层间自由转换支持定位导航服务。

6.日志报表管理

提供报警日志查询和可自行设置查询时间(年、月、日)的统计报表管理，可进行数据导出和报表打印等功能。

7.系统权限管理模块

提供完善的安全机制；提供口令验证、加密、权限控制等安全机制，可以将数据访问及读写权限控制到每一个功能模块，采用基于角色访问控制的权限模型，可以给每一个用户灵活分配相应的工作权限。

本发明的风塔监控系统的运行过程可参照图2所示。

首先登录风塔监控平台，经中位网关(中继器)获取各风塔监测设备检测的参数设置，该参数示例性地包括风塔的倾角、运动轨迹、温度和地理位置信息等。根据风塔的倾角和运动轨迹可获得当前风塔的放置状态和转动状态(例如，处于初始位置、偏离初始位置等)。

根据检测的各参数信息以及各巡检终端的地理信息等，风塔监控平台可制定包括了需检查的指定风塔和巡检路线在内的巡检任务，并下发给特定的各巡检终端，指定其实践巡检。例如根据需要巡检的风塔的地理信息和各巡检终端的地理信息，利用最小路径算法，建立最优的选件路线。

利用基于GPS实现风塔图层(被监测部分)管理，可直观显示风塔分布形态，当接收风塔监测系统的告警通知时，在图层上显示异常风塔信息，精准定位事故发生地点，同时可通过导航前往事故核查情况。

持有巡检终端的工作人员按照下发的巡检任务，检测指定风塔的状况。该状况包括风塔的位置、完整性等是否异常。若未发现异常，则结束本次巡检；若发现异常，则将异常的情况利用语音、短信或邮件等方式，经由巡检终端发送至监控平台的报警中心，由监控平台调整风塔监测设备的参数设置及状态，并根据是否需要复检，生成新的巡检任务。巡检终端的使用者可利用风塔监控平台提供的报警日志查询和自行设置查询时间(年、月、日)的统计报表管理，进行数据导出和报表打印等功能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种带有环境在线监测功能的景区风塔系统，其特征在于所述系统包括中心管理系统、中继器和风塔检测终端，其中：

中心管理系统，包括

第一通讯模块，用于与第二通讯模块进行有线或无线通讯；

地理信息模块，用于存储放置风塔检测终端地域的地理信息；

第一处理模块，与地理信息模块相连接，用于处理风塔检测终端的相关信息；

中继器，包括

第二通讯模块，用于与第一通讯模块进行有线或无线通讯；

第三通讯模块，用于通过NB-IoT与后述第四通讯模块进行无线通讯；

第二处理模块，与第二通讯模块和第三通讯模块相连接，用于处理通讯协议之间的转换；

风塔检测终端，包括

倾角检测模块，用于检测安装了风塔检测终端的风塔的倾斜角度；

轨迹分析模块，用于检测安装了风塔检测终端的风塔的运动轨迹；

空气检测模块，用于检测空气和输出空气质量数据；

第一定位模块，用于获取风塔检测终端的风塔的地理位置信息；

存储模块，用于存储风塔检测终端的状态信息；

电子标签，用于存储风塔检测终端的ID；

第四通讯模块，用于通过NB-IoT与第三通讯模块进行无线通讯。

2.根据权利要求1所述的系统，其中还包括：

巡检终端，其包括

第二定位模块，用于获取巡检终端的地理位置信息；

第五通讯模块，用于与第一通讯模块进行无线通讯；

电子标签读取模块，用于读取电子标签的存储信息。

3.根据权利要求1所述的系统，其中所述空气检测模块包括温湿度感应器、湿度传感器、PM2.5感应器或TVOC感应器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中风塔检测终端还包括：

伺服微功耗模块。

5.一种风塔监控方法，包括权利要求1-4中任一项所述的系统，其特征在于包括以下步骤：

风塔检测终端初始化；

风塔检测终端获取检测信息，该检测信息包括风塔的倾角、运动轨迹和地理位置信息；

风塔检测终端通过NB-IoT将检测信息发送至中继器；

中继器将从各风塔检测终端处获取的检测信息转发送至中心管理系统；

中心管理系统根据检测信息和对应风塔检测终端的地理信息，生成第一巡检方案。

6.根据权利要求5所述的方法，其中还包括步骤：

中心管理系统根据检测信息、对应风塔检测终端的地理信息以及巡检终端的地理信息，生成第二巡检方案。

7.根据权利要求5所述的方法，其中还包括以下步骤：

中心管理系统向巡检终端发送第一巡检方案；

巡检终端根据其检测风塔检测终端的ID，向中心管理系统发送风塔状态信息；

中心管理系统根据检测信息、对应风塔检测终端的地理信息以及巡检终端的风塔状态信息，生成第三巡检方案。