CN108769113B - 一种用于物联网巡回维护的机器人设备及其管理系统 - Google Patents
一种用于物联网巡回维护的机器人设备及其管理系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108769113B CN108769113B CN201810348193.8A CN201810348193A CN108769113B CN 108769113 B CN108769113 B CN 108769113B CN 201810348193 A CN201810348193 A CN 201810348193A CN 108769113 B CN108769113 B CN 108769113B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- internet
- things
- node
- maintenance
- things node
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 title claims abstract description 162
- 230000006854 communication Effects 0.000 claims abstract description 97
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 95
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 28
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 238000013439 planning Methods 0.000 claims description 26
- 238000007726 management method Methods 0.000 claims description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 7
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 6
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 4
- 238000003869 coulometry Methods 0.000 claims description 4
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 21
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 15
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000011158 quantitative evaluation Methods 0.000 description 2
- 241001465382 Physalis alkekengi Species 0.000 description 1
- 241001310793 Podium Species 0.000 description 1
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000006855 networking Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000013024 troubleshooting Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
- H04L67/01—Protocols
- H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L41/00—Arrangements for maintenance, administration or management of data switching networks, e.g. of packet switching networks
- H04L41/04—Network management architectures or arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L41/00—Arrangements for maintenance, administration or management of data switching networks, e.g. of packet switching networks
- H04L41/08—Configuration management of networks or network elements
- H04L41/0803—Configuration setting
Abstract
本发明提供了一种用于物联网巡回维护的机器人设备及其管理系统。本发明的机器人可以自主设定巡回路径，沿着巡回路径实现定期巡回维护能够保证覆盖到每一个物联网节点；在巡回维护过程中，该机器人与各个物联网节点直接进行通信，实现物联网节点的功能状态检测、时钟同步、位置更新以及电池电量的监测采集。所述管理系统用于对负责物联网巡回维护的多台机器人设备执行任务分配和巡回结果的后台管理。本发明节约物联网节点维护的人力成本和时间成本，可以检测物联网节点的多个工作状态，实现对节点的时钟同步，不会给物联网自身带来额外的通信和能量开销，能够实现物联网维护区域以及每个区域内巡回路径的优化。
Description
技术领域：
本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种用于物联网巡回维护的机器人设备及其管理系统。
背景技术：
随着物联网技术的发展，小到一栋建筑，中到一个社区，大到一个城市，都正在形成由各种具有无线通信功能的传感器(例如温度传感器、湿度传感器、光照传感器、空气颗粒传感器等)和功能设施(例如门禁、空调、供暖设备、灯具)等网络节点相互进行信息连通所形成的广域网络。
物联网技术综合了无线通信，传感器、嵌入式和分布式系统等多方面的技术手段。物联网中的每个网络节点一方面发挥自身功能，另一方面持续或者间歇性作为数据源生成节点数据。例如各种传感器类型的网络节点用于感测周边环境状态并生成相应的传感数据，各种功能设施类型的网络节点执行自身功能并且生成反映功能设施自身状态以及功能执行情况的设施数据。物联网节点的节点数据通过节点之间通过预先规划或者自组织的通信路径上传至网络层，节点相互协作，完成对信息的感知、采集、传输以及对功能命令的远程传达与执行等特定任务，并支持应用层的数据调用分析与远程控制。
物联网的网络规模大，结构复杂，网络节点类型多元化，网络节点总数量可达到海量级别，为了保证物联网系统能够低成本、低功耗运行，因此网络节点本身一般会采用功能较为单一和通信能力有限的节点。特别是，物联网节点采用简单化的能力设计，能够充分降低能量消耗，可以长期持续地采集信息和执行远程命令；同时有限的通信能力也使得其辐射很小，在长期运行过程中在周围人体和环境的影响都很小。
不过，简单化的物联网节点设计，也使得对物联网节点的状态监测与定期维护需要借助单独的外部手段来实现。一方面，物联网节点可能产生各种随机故障，在海量节点的环境下，物联网中节点的各种随机故障难以被实时发现和准确定位。另一方面，为了简化节点结构，物联网节点自身一般不具备时钟纠错电路、GPS或其它定位电路以及电源状态的监测电路，需要定期的外部调试来纠正其时钟漂移、更新其位置登记以及监视其电源电量。以上工作是保证物联网节点维持正常工作状态所必需的，首先，对节点故障的及时发现是在平台层过滤物联网异常数据和异常节点的前提条件，能够从整体上保证物联网运行的稳定性和可靠性；其次，物联网节点提供的数据信息和功能一般要通过与准确的位置信息和时间信息结合才能够发挥实际效果，而且物联网节点保持时间同步也是正确进行通信收发的基础；第三，物联网节点的电量监视可以为合理化的电池更新策略提供保障，避免过于频繁的电池更新，也可以防止因节点断电而给数据采集、功能执行以及通信链路带来影响。
可见，由于需要借助外部手段实现对物联网节点的维护，因此当物联网规模足够大以后，节点的巡回维护成为了一个新的突出问题。目前，由维护工程师人力巡检的方式，要花费大量的时间监测物联网节点的运行状态，需要调取很多资料，耗费时间与精力，极大增加了人力资源成本，而且人工巡回维护难免存在死角，会导致对物联网节点的巡回维护覆盖率不能达标。而利用物联网后台的远程监测维护本身就依赖节点以及由节点构成的通信链路的正常工作，不能可靠发现和排除异常节点，也不能监测电量耗尽的节点；而且随着物联网通信过程中误差累积，定位和时钟同步精度也随着网络规模的增大而降低也逐渐降低。因此，远程维护难以根本上满足物联网节点故障排除、时钟同步、精确定位和电池监测的需求。另外，频繁的远程维护使得会使物联网节点产生额外的通信能耗，从而使整个网络额外产生了较大的能量开销。
发明内容：
基于现有技术中物联网节点人工维护和远程维护的缺点，本发明提供了一种用于物联网巡回维护的机器人设备及其管理系统。本发明的机器人可以根据物联网节点部署的空间范围，自主设定巡回路径，沿着巡回路径实现定期巡回维护能够保证覆盖到每一个物联网节点，并且每次巡回之后都执行巡回路径的优化；在巡回维护过程中，该机器人与各个物联网节点直接进行通信，实现物联网节点的功能状态检测、时钟同步、位置更新以及电池电量的监测采集。所述管理系统用于对负责物联网巡回维护的多台机器人设备执行任务分配和巡回结果的后台管理。
本发明提供了一种用于物联网巡回维护的机器人设备，其特征在于，包括：
巡回路径规划模块，用于根据物联网节点部署的空间范围，自主设定巡回路径，所述巡回路径使所述机器人设备沿着该路径巡回一周的过程中该机器人设备的无线通信范围能够覆盖到该空间范围内需要维护的物联网节点，从而使该机器人设备能够与无线通信范围内的每个物联网节点进行直接无线通信；
驱动模块，用于驱动该机器人设备沿着所述巡回路径进行巡回运动；
物联网通信模块，用于在机器人设备巡回运动过程中，基于物联网通信协议与空间范围内需要维护的物联网节点进行直接无线通信；
节点数据和功能状态监测模块，用于通过与物联网节点的直接无线通信，检测物联网节点的上下行通信状态是否正常，以及检测物联网节点的数据和功能状态是否正常；
定位采集模块，用于通过在机器人设备巡回运动过程中与物联网节点进行多次直接无线通信，定位物联网节点的位置；
时钟广播模块，用于通过在机器人设备巡回运动过程中在该机器人设备的无线通信范围内广播时钟同步信号，使物联网节点根据该时钟同步信号进行时钟同步重置；
电量分析模块，用于通过与物联网节点的直接无线通信，获取物联网节点的剩余电量信息。
优选的是，所述巡回路径规划模块根据需要维护的物联网节点分布的空间范围，进而在空间范围内选取一定数量的维护作业点，使该机器人设备的巡回路径途经每一个维护作业点，并且使该机器人设备在每一个维护作业点处与无线通信范围内的每个物联网节点进行直接无线通信。
进一步优选的是，所述巡回路径规划模块根据需要维护的物联网节点的空间分布，确定包围这些物联网节点的一个矩形空间；所述巡回路径规划模块在该矩形空间范围内选取m×n个维护作业点，且每个维护作业点的坐标为：
且xmn≤HX，ymn≤HY
其中m,n为自然数，且m,n的取值不同时为奇数，也不同时为偶数；该矩形空间在X轴和Y轴的长度分别为HX和HY，且该矩形空间左下角的坐标为(x0,y0)，R为该机器人设备无线通信范围的半径。
进一步优选的是，所述巡回路径规划模块设定以下条件：(1)路径起点和终点为同一点；(2)路径途经所有的维护作业点，且每个维护作业点仅途经一次；并且所述巡回路径规划模块将满足以上条件(1)和(2)的最短路径设定为所述巡回路径。
优选的是，所述巡回路径规划模块在每一轮巡回维护完成之后，根据本轮巡回维护获得的物联网节点的位置信息、上下行通信状态、数据和功能状态以及剩余电量信息，更新需要维护的物联网节点列表，并且根据更新后的物联网节点的分布空间范围更新所述巡回路径。
优选的是，所述节点数据和功能状态监测模块包括：通信监测子模块，用于按照物联网通信协议向物联网节点发送伪检测指令，检测每个物联网节点的上下行通信状态是否正常；数据分析子模块，用于通过将物联网节点采集和/或生成的数据与临近节点的采集和/或生成的数据进行对比，或者与历史累积的物联网节点数据进行对比，确定该物联网节点是否存在数据异常；功能监测子单元，用于向物联网节点发送自检指令，并接收物联网节点上传的工作状态日志。
优选的是，所述定位采集模块在三个维护作业点接收一个需维护的物联网节点发射的无线信号并确定无线信号的RSSI功率，测算该维护作业点与物联网节点的距离d：
其中d0表示近参考距离，RSSI(d0)，RSSI(d)为距离为d0、d时定位采集模块的信号接收功率，Xσ表示标准偏差为σ，n是环境衰减因数，然后利用以下方程组实现对每个物联网节点的三点定位：
(x1–x)^2+(y1-y)^2＝d1^2
(x2–x)^2+(y2-y)^2＝d2^2
(x3–x)^2+(y3-y)^2＝d3^2
其中(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)为上述三个维护作业点的坐标，(x，y)为物联网节点的坐标，d1、d2、d3分别为物联网节点到三个维护作业点的距离。
本发明进而提供了一种物联网巡回维护机器人设备的管理系统，其特征在于，包括：
远程通信单元，用于与若干个物联网巡回维护机器人设备进行通信；
物联网节点状态登记单元，用于从各个物联网巡回维护机器人设备获取空间范围内每个物联网节点的位置信息、上下行通信状态、数据和功能状态以及剩余电量信息，并且登记至节点状态数据库；
维护区域分配单元，用于将空间范围内的物联网节点根据其位置信息划分为若干个维护区域，并且为每个维护区域分配相应的物联网巡回维护机器人设备；
故障节点屏蔽单元，用于根据节点状态数据库中登记的每个物联网节点的节点状态，确定故障节点，并且通过故障汇报接口向物联网的管理系统发送故障报告指令，控制屏蔽存在故障的物联网节点及其数据；
区域故障评估单元，用于实现物联网维护区域的实时性能监控，评估物联网维护区域故障的影响因子,监测和呈现全物联网各个维护区域以及全网的性能指标。
优选的是，所述维护区域分配单元按照如下方式为空间范围内的物联网节点划分为若干个维护区域：空间范围内的物联网节点为Ei-n,Ei-n+1...,Ei；预设将这些物联网节点归入k个维护区域，则从n个物联网节点中任意选取k个物联网节点作为初始的维护区域中心，计为Ec1,Ec2,......,Eck；计算Ei-n,Ei-n+1...,Ei中每个物联网节点与Ec1,Ec2,......,Eck中每个维护区域中心的位置信息的距离值Vi-Ck＝|Ei-Eck|，进而将Ei-n,Ei-n+1...,Ei中的每个物联网节点分配给Ec1,Ec2,......,Eck当中与之距离最近的维护区域中心所属的维护区域；然后再重新计算每个维护区域的维护区域中心；然后计算Ei-n,Ei-n+1...,Ei中每个物联网节点与重新计算的维护区域中心的距离值，并根据距离值将Ei-n,Ei-n+1...,Ei中的每个物联网节点重新分配给与之距离最近的维护区域中心所属的维护区域；然后再次更新维护区域中心；迭代以上过程，直至更新后维护区域中心不再发生变化。
优选的是，所述维护区域分配单元将每个维护区域包含的物联网节点信息分别发送给一台满足任务条件的物联网巡回维护机器人设备，以使物联网巡回维护机器人设备针对所述维护区域执行巡回维护；其中，所述满足任务条件包括该物联网巡回维护机器人设备的剩余巡航距离长于维护区域内的巡回路径总长度和往返路程总长度。
本发明开发了可以在物联网空间范围内自动巡回检测和维护物联网节点的机器人，可以节约物联网节点维护的人力成本和时间成本，并且该机器人与物联网节点直接通信实现维护，可以有效检测物联网节点的位置以及多个方面的工作状态，检测性能准确且可靠性高，并实现对节点的时钟同步，不会给物联网自身带来额外的通信和能量开销；本发明的机器人及其管理系统能够实现物联网维护区域以及每个区域内巡回路径的优化，一方面可以实现对全部物联网节点的无死角巡回覆盖，另一方面最大程度减少了巡回路径长度，有利于提高巡回效率，降低机器人自身的能量消耗。管理系统能够实现对异常物联网节点及其数据的屏蔽，以及能够对物联网节点的通信、数据和功能故障的影响实现量化评估，保证了物联网信息采集准确度和功能的正常发挥。
附图说明：
图1是本发明所述的物联网巡回维护机器人设备结构示意图；
图2是需要维护的物联网空间及其维护作业点和巡回路径的示意图；
图3是节点数据和功能状态监测模块具体结构示意图；
图4是本发明所述物联网巡回维护机器人的管理系统结构示意图。
具体实施方式：
本发明在物联网节点部署的空间范围内设置一定数量的物联网巡回维护机器人设备，该巡回维护机器人设备可以采用类似目前扫地机器人那样的轮驱动自主行进机械结构，并且该机器人可以对外收发依据物联网通信协议的无线信号，因此该机器人具有一定的无线通信范围；根据需要维护的物联网节点分布的空间位置，按照优化路径进行周期性的移动，移动一周该机器人的无线通信范围可以完成对每个物联网节点的三次覆盖；该机器人移动至优化路径上预定的维护作业点时，在每一个维护作业点面向无线通信范围内的物联网节点直接进行点对点通信，通过该通信过程，验证物联网节点的通信状态和数据、功能状态是否正常，向物联网节点广播时钟同步信号，以及采集每个物联网节点的剩余电量。每个物联网节点向该机器人上传其采集的数据或者功能日志，通过与该机器人基于物联网协议进行通信而验证其上下行通信状态，基于机器人广播的时钟同步信号执行时钟同步；并且该机器人根据一次巡回中收到的一个物联网节点的三次通信信号强度来对该物联网节点的定位坐标进行计算并存储，当机器人巡回一个周期之后，对空间内的所有物联网节点都完成一次定位，取得每个物联网节点的位置信息。
本发明还提供了面向系统内全部巡回维护机器人进行分配调度、后台控制和数据汇总分析的管理系统。当物联网分布空间较大或者节点数量较多的情况下，该管理系统将空间范围内的物联网节点根据其位置信息合理划分为若干个维护区域，并且为每个维护区域分配相应的物联网巡回维护机器人，从而保证了空间整体的路径优化，降低机器人巡回的整体能耗，提升巡回效率。该管理系统还负责故障节点影响的屏蔽以及物联网整体的状态评估。
如图1所示，本发明提供了一种用于物联网巡回维护的机器人设备，包括：巡回路径规划模块101、驱动模块102、物联网通信模块103、节点数据和功能状态监测模块104、定位采集模块105、时钟广播模块106、电量分析模块107。
巡回路径规划模块101用于根据物联网节点部署的空间范围，自主设定巡回路径，所述巡回路径使所述机器人设备沿着该路径巡回一周的过程中该机器人设备的无线通信范围能够三次覆盖到每个该空间范围内需要维护的物联网节点，从而使该机器人设备能够与无线通信范围内的每个物联网节点进行直接无线通信；在每次巡回完成之后，巡回路径规划模块101还进一步对下一轮巡回路径执行优化。
具体来说，所述巡回路径规划模块101首先确定需要维护的物联网节点分布的空间范围，可以将需要维护的物联网节点及其空间位置保存在一个需要维护的物联网节点列表之中。进而，所述巡回路径规划模块101按照定义的规则，在空间范围内选取一定数量的维护作业点；根据维护作业点的位置，巡回路径规划模块101决定该机器人设备的巡回路径，使得巡回路径途经每一个维护作业点，能够使机器人的无线通信范围至少三次覆盖该空间范围内每一个位置点，并且使该机器人设备在每一个维护作业点处与无线通信范围内的每个物联网节点进行点对点的直接无线通信。
巡回路径规划模块101按照如下规则选择维护作业点的位置：首先，确定包围全部需要维护的物联网节点E的一个矩形空间；如图2所示，该矩形空间在X轴和Y轴的长度分别为HX和HY，且该矩形空间左下角的坐标为(x0,y0)，则所述巡回路径规划模块101在该矩形空间范围内共选取m×n个维护作业点P，且每个维护作业点P的坐标为：
且xmn≤HX，ymn≤HY
其中m,n为自然数，且m,n的取值不同时为奇数，也不同时为偶数；其中R为该机器人设备无线通信范围的半径。按照以上规则确定m×n个维护作业点，可以保证当巡回路径途经每一个维护作业点且该机器人于每一个维护作业点在半径R范围内无线通信时，可以覆盖该矩形空间范围内每一个位置点三次。根据所选取的全部维护作业点，所述巡回路径规划模块设定以下条件：(1)路径起点和终点为同一点；(2)路径途经该空间范围内的所有维护作业点，且每个维护作业点仅途经一次；并且所述巡回路径规划模块将满足以上条件(1)和(2)的最短路径设定为所述巡回路径。根据巡回路径规划模块101规划的路径，驱动模块102用于驱动该机器人设备沿着所述巡回路径进行巡回运动。
物联网通信模块103是该机器人的无线通信信号收发模块，用于在机器人设备巡回运动过程中每到达一个维护作业点，即基于物联网通信协议与该机器人的无线通信范围内需要维护的物联网节点进行点对点的直接无线通信。
节点数据和功能状态监测模块104通过与物联网节点的直接无线通信，检测物联网节点的上下行通信状态是否正常，以及检测物联网节点的数据和功能状态是否正常。如图3，所述节点数据和功能状态监测模块104包括通信监测子模块104A、数据分析子模块104B、功能监测子单元104C。通信监测子模块104A，用于按照物联网通信协议向物联网节点发送伪检测指令，检测每个物联网节点的上下行通信状态是否正常；物联网节点有可能由于自身通信功能和通信部件的故障，而造成上下行通信中断或过度延迟，这会给该物联网节点造成数据传输丢失和远程控制功能失效等问题；通信监测子模块104A模拟通信链路中物联网节点，轮询位于其无线通信范围内的每个物联网节点，向物联网节点发送伪检测指令，检测每个物联网节点的上下行通信状态是否正常；该伪检测指令包括一检测数据载荷以及一伪目的节点地址；通信监测子模块104A将自身的物联网网络地址设为该伪目的节点地址，并以该伪目的节点地址接入该物联网；在物联网节点收到伪检测指令的情况下，该物联网节点响应该指令，直接按照所述伪目的节点地址向所述通信监测子模块104A发送所述检测数据载荷；所述通信监测子模块104A验证收到该物联网节点发送该载荷的时间以及该检测数据载荷的正确性，从而验证该物联网节点的通信状态，如果超出预定时间未接受到该物联网节点发来的该载荷或者收到的载荷不完整/存在错误，则认定该物联网节点通信状态异常。数据分析子模块104B用于通过将物联网节点采集和/或生成的数据与临近节点的采集和/或生成的数据进行对比，或者与历史累积的物联网节点数据进行对比，确定该物联网节点是否存在数据异常。功能监测子模块104C，用于向物联网节点发送自检指令，从而启动物联网节点启动自身设施状态自检程序，并接收物联网节点上传的工作状态日志，根据该工作状态日志判断物联网节点的功能是否存在异常。
定位采集模块105用于在沿着规划的巡回路径执行一轮巡回运动的过程中，通过在各个所述维护作业点与无线通信范围内的物联网节点进行通信，可以实现与每一个物联网节点发生三次直接无线通信，该模块测量每个物联网节点发来的无线信号的功率，从而三点定位物联网节点的位置。具体来说，所述定位采集模块105在三个维护作业点接收一个需维护的物联网节点发射的无线信号并确定无线信号的RSSI功率，测算该维护作业点与物联网节点的距离d：
其中d0表示近参考距离，RSSI(d0)，RSSI(d)为距离为d0、d时定位采集模块的信号接收功率，Xσ表示标准偏差为σ，n是环境衰减因数，然后利用以下方程组实现对每个物联网节点的三点定位：
(x1–x)^2+(y1-y)^2＝d1^2
(x2–x)^2+(y2-y)^2＝d2^2
(x3–x)^2+(y3-y)^2＝d3^2
其中(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)为上述三个维护作业点的坐标，(x，y)为物联网节点的坐标，d1、d2、d3分别为物联网节点到三个维护作业点的距离。
时钟广播模块106用于在沿着规划的巡回路径执行一轮巡回运动的过程中，在各个所述维护作业点向无线通信范围内的物联网节点广播时钟同步信号，使物联网节点根据该时钟同步信号进行时钟同步重置。物联网节点基于时钟广播模块106广播的时钟同步信号而直接校正自身时钟存在的时钟偏移。如前文所述，由于在一次巡回过程中所有需要维护的物联网节点都会被覆盖到，因此物联网节点无需像远程维护那样扩散该时钟同步信号，只需要对自身时钟进行校正即可。
电量分析模块107用于通过在各个所述维护作业点与物联网节点进行直接无线通信，获取物联网节点的剩余电量信息。
所述巡回路径规划模块101在每一轮巡回维护完成之后，还根据本轮巡回维护获得的物联网节点的位置信息、上下行通信状态、数据和功能状态以及剩余电量信息，判断每个物联网节点的综合工作状态。例如，如果本轮巡回过程中检测认为某个物联网节点的上下行通信状态良好、数据和功能正常且剩余电量充足，则可以从需要维护的物联网节点列表中暂时取消该物联网节点，直至若干轮巡回之后再重新将该物联网节点加入该列表。相反，如果本轮巡回过程中检测认为某个物联网节点的上下行通信状态中断、数据和功能异常或者剩余电量不足，则在下一轮的巡回中继续将该节点保留在需要维护的物联网节点列表之上。这样，每一轮更新需要维护的物联网节点列表，并且根据更新后的物联网节点的位置，重新确定这些物联网节点分布的上述矩形范围，并相应按照上述规则来更新下一轮巡回适用的所述巡回路径。
由于每台巡回维护机器人的电池电量制约，其巡回路径的总长度有限，当物联网分布空间范围比较大或者是物联网节点数目比较多时，单台机器人不可能全面覆盖空间范围中的所有物联网节点，或者即便能够全面覆盖也会造成巡回时间过长、效率降低。因此，在物联网分布空间范围比较大或者是物联网节点数目比较多时，可以采用若干台物联网巡回维护机器人设备并行工作，并且建立后台的管理系统，对各个机器人的工作进行调度控制，同时，后台的管理系统还可以对机器人采集的数据执行汇总与分析的工作。
如图4所示，物联网巡回维护机器人设备的管理系统包括：远程通信单元401、物联网节点状态登记单元402、维护区域分配单元403、故障节点屏蔽单元404以及区域故障评估单元405。
远程通信单元401用于与若干个物联网巡回维护机器人设备进行通信，接收机器人上传的数据，以及向各个机器人下发指令。
物联网节点状态登记单元402用于从各个物联网巡回维护机器人设备获取空间范围内每个物联网节点的位置信息、上下行通信状态、数据和功能状态以及剩余电量信息，并且登记至节点状态数据库。
维护区域分配单元403用于将空间范围内的物联网节点根据其位置信息划分为若干个维护区域，并且为每个维护区域分配一个相应的物联网巡回维护机器人设备。为了保证每个机器人巡回路径的最小化，对于每个维护区域的分配应考虑尽量将位置靠近的物联网节点划分在一个维护区域，使得本维护区域之中各个物联网节点的平均间距最小化，且不同维护区域之间间距的最大化。因此，所述维护区域分配单元403按照如下方式为空间范围内的物联网节点划分为若干个维护区域：空间范围内的物联网节点为Ei-n,Ei-n+1...,Ei；预设将这些物联网节点归入k个维护区域，则从n个物联网节点中任意选取k个物联网节点作为初始的维护区域中心，计为Ec1,Ec2,......,Eck；计算Ei-n,Ei-n+1...,Ei中每个物联网节点与Ec1,Ec2,......,Eck中每个维护区域中心的位置信息的距离值Vi-Ck＝|Ei-Eck|，进而将Ei-n,Ei-n+1...,Ei中的每个物联网节点分配给Ec1,Ec2,......,Eck当中与之距离最近的维护区域中心所属的维护区域；然后再重新计算每个维护区域的维护区域中心；然后计算Ei-n,Ei-n+1...,Ei中每个物联网节点与重新计算的维护区域中心的距离值，并根据距离值将Ei-n,Ei-n+1...,Ei中的每个物联网节点重新分配给与之距离最近的维护区域中心所属的维护区域；然后再次更新维护区域中心；迭代以上过程，直至更新后维护区域中心不再发生变化。所述维护区域分配单元403将每个维护区域包含的物联网节点信息分别发送给一台满足任务条件的物联网巡回维护机器人设备，以使物联网巡回维护机器人设备针对所述维护区域执行巡回维护；其中，所述满足任务条件包括该物联网巡回维护机器人设备的剩余巡航距离长于维护区域内的巡回路径总长度和往返路程总长度，往返路程指的是该机器人从出发点行至该维护区域进行巡回以及从维护区域返回出发点的路程长度。
故障节点屏蔽单元404，用于根据节点状态数据库中登记的每个物联网节点的节点状态，确定故障节点，并且通过故障汇报接口向物联网的管理系统发送故障报告指令，控制屏蔽存在故障的物联网节点及其数据。
区域故障评估单元405，用于实现物联网维护区域的实时性能监控，评估物联网维护区域故障的影响因子,监测和呈现全物联网各个维护区域以及全网的性能指标。评估某个维护区域内某一类型异常的影响因子如下：
IDi＝nDi×αD×1/LDi
其中，IDi表示维护区域i中某一异常类型D的影响因子，nDi表示该维护区域i中存在该异常类型D的异常节点的数量，αD表示由异常类型D决定的系数，每一种特定的异常类型对应一个固定的αD值，LDi表示该维护区域i中存在该异常类型D的异常节点的平均间距值，可以求该维护区域i中每两个该异常类型D的异常节点的间距值，将这些间距值取平均值作为LDi。可见，维护区域i中某一异常类型D的异常节点数量越多(nDi值越大)，且这些异常节点分布越密集(LDi值越小)，则该维护区域i内异常类型D的影响因子越大。当某个区域或者全网内某一个异常类型的影响因子低于预设的允许值时，则异常节点造成的影响尚处于可以允许的范围以内，则管理维护人员可以暂时不对这些异常节点进行维护处理，而只是屏蔽异常节点及其数据的影响；当全网或者某个区域某种异常的影响因子已经大于该预设的允许值，则说明异常已经累积达到一定程度，则可以提示管理维护人员对异常节点进行必要的排除和维护。
综上所述，本发明开发了可以在物联网空间范围内自动巡回检测和维护物联网节点的机器人，可以节约物联网节点维护的人力成本和时间成本，并且该机器人与物联网节点直接通信实现维护，可以有效检测物联网节点的位置以及多个方面的工作状态，检测性能准确且可靠性高，并实现对节点的时钟同步，不会给物联网自身带来额外的通信和能量开销；本发明的机器人及其管理系统能够实现物联网维护区域以及每个区域内巡回路径的优化，一方面可以实现对全部物联网节点的无死角巡回覆盖，另一方面最大程度减少了巡回路径长度，有利于提高巡回效率，降低机器人自身的能量消耗。管理系统能够实现对异常物联网节点及其数据的屏蔽，以及能够对物联网节点的通信、数据和功能故障的影响实现量化评估，保证了物联网信息采集准确度和功能的正常发挥。
以上实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (8)
1.一种用于物联网巡回维护的机器人设备，其特征在于，包括：
巡回路径规划模块，用于根据物联网节点部署的空间范围，自主设定巡回路径，所述巡回路径使所述机器人设备沿着该路径巡回一周的过程中该机器人设备的无线通信范围能够覆盖到该空间范围内需要维护的物联网节点，从而使该机器人设备能够与无线通信范围内的每个物联网节点进行直接无线通信；
驱动模块，用于驱动该机器人设备沿着所述巡回路径进行巡回运动；
物联网通信模块，用于在机器人设备巡回运动过程中，基于物联网通信协议与空间范围内需要维护的物联网节点进行直接无线通信；
节点数据和功能状态监测模块，用于通过与物联网节点的直接无线通信，检测物联网节点的上下行通信状态是否正常，以及检测物联网节点的数据和功能状态是否正常；
定位采集模块，用于通过在机器人设备巡回运动过程中与物联网节点进行多次直接无线通信，定位物联网节点的位置；
时钟广播模块，用于通过在机器人设备巡回运动过程中在该机器人设备的无线通信范围内广播时钟同步信号，使物联网节点根据该时钟同步信号进行时钟同步重置；
电量分析模块，用于通过与物联网节点的直接无线通信，获取物联网节点的剩余电量信息；
其中，所述巡回路径规划模块根据需要维护的物联网节点的空间分布，确定包围这些物联网节点的一个矩形空间；所述巡回路径规划模块在该矩形空间范围内选取m×n个维护作业点，且每个维护作业点的坐标为：
且xmn≤H X，ymn≤H Y
其中m,n为自然数，且m,n的取值不同时为奇数，也不同时为偶数；该矩形空间在X轴和Y轴的长度分别为H X和H Y，且该矩形空间左下角的坐标为(x0,y0)，R为该机器人设备无线通信范围的半径；使该机器人设备的巡回路径途经每一个维护作业点，并且使该机器人设备在每一个维护作业点处与无线通信范围内的每个物联网节点进行直接无线通信。
2.根据权利要求1所述的物联网巡回维护的机器人设备，其特征在于，所述巡回路径规划模块设定以下条件：(1)路径起点和终点为同一点；(2)路径途经所有的维护作业点，且每个维护作业点仅途经一次；并且所述巡回路径规划模块将满足以上条件(1)和(2)的最短路径设定为所述巡回路径。
3.根据权利要求2所述的物联网巡回维护的机器人设备，其特征在于，所述巡回路径规划模块在每一轮巡回维护完成之后，根据本轮巡回维护获得的物联网节点的位置信息、上下行通信状态、数据和功能状态以及剩余电量信息，更新需要维护的物联网节点列表，并且根据更新后的物联网节点的分布空间范围更新所述巡回路径。
4.根据权利要求1所述的物联网巡回维护的机器人设备，其特征在于，所述节点数据和功能状态监测模块包括：通信监测子模块，用于按照物联网通信协议向物联网节点发送伪检测指令，检测每个物联网节点的上下行通信状态是否正常；数据分析子模块，用于通过将物联网节点采集和/或生成的数据与临近节点的采集和/或生成的数据进行对比，或者与历史累积的物联网节点数据进行对比，确定该物联网节点是否存在数据异常；功能监测子单元，用于向物联网节点发送自检指令，并接收物联网节点上传的工作状态日志。
5.根据权利要求1所述的物联网巡回维护的机器人设备，其特征在于，所述定位采集模块在三个维护作业点接收一个需维护的物联网节点发射的无线信号并确定无线信号的RSSI功率，测算该维护作业点与物联网节点的距离d：
其中d0表示近参考距离，RSSI(d0)，RSSI(d)为距离为d0、d时定位采集模块的信号接收功率，Xσ表示标准偏差为σ，n是环境衰减因数，然后利用以下方程组实现对每个物联网节点的三点定位：
(x1–·x)^2+(y1-y)^2＝d1^2
(x2–·x)^2+(y2-y)^2＝d2^2
(x3–x)^2+(y3-y)^2＝d3^2
其中(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)为上述三个维护作业点的坐标，(x，y)为物联网节点的坐标，d1、d2、d3分别为物联网节点到三个维护作业点的距离。
6.一种物联网巡回维护机器人设备的管理系统，其特征在于，包括：
远程通信单元，用于与若干个物联网巡回维护机器人设备进行通信；
物联网节点状态登记单元，用于从各个物联网巡回维护机器人设备获取空间范围内每个物联网节点的位置信息、上下行通信状态、数据和功能状态以及剩余电量信息，并且登记至节点状态数据库；
维护区域分配单元，用于将空间范围内的物联网节点根据其位置信息划分为若干个维护区域，并且为每个维护区域分配相应的物联网巡回维护机器人设备；
故障节点屏蔽单元，用于根据节点状态数据库中登记的每个物联网节点的节点状态，确定故障节点，并且通过故障汇报接口向物联网的管理系统发送故障报告指令，控制屏蔽存在故障的物联网节点及其数据；
区域故障评估单元，用于实现物联网维护区域的实时性能监控，评估物联网维护区域故障的影响因子,监测和呈现全物联网各个维护区域以及全网的性能指标。
7.根据权利要求6所述的物联网巡回维护机器人设备的管理系统，其特征在于，所述维护区域分配单元按照如下方式为空间范围内的物联网节点划分为若干个维护区域：空间范围内的物联网节点为Ei-n,Ei-n+1...,Ei；预设将这些物联网节点归入k个维护区域，则从n个物联网节点中任意选取k个物联网节点作为初始的维护区域中心，计为Ec1,Ec2,......,Eck；计算Ei-n,Ei-n+1...,Ei中每个物联网节点与Ec1,Ec2,......,Eck中每个维护区域中心的位置信息的距离值Vi-Ck＝Ei-Eck，进而将Ei-n,Ei-n+1...,Ei中的每个物联网节点分配给Ec1,Ec2,......,Eck当中与之距离最近的维护区域中心所属的维护区域；然后再重新计算每个维护区域的维护区域中心；然后计算Ei-n,Ei-n+1...,Ei中每个物联网节点与重新计算的维护区域中心的距离值，并根据距离值将Ei-n,Ei-n+1...,Ei中的每个物联网节点重新分配给与之距离最近的维护区域中心所属的维护区域；然后再次更新维护区域中心；迭代以上过程，直至更新后维护区域中心不再发生变化。
8.根据权利要求6所述的物联网巡回维护机器人设备的管理系统，其特征在于，所述维护区域分配单元将每个维护区域包含的物联网节点信息分别发送给一台满足任务条件的物联网巡回维护机器人设备，以使物联网巡回维护机器人设备针对所述维护区域执行巡回维护；其中，所述满足任务条件包括该物联网巡回维护机器人设备的剩余巡航距离长于维护区域内的巡回路径总长度和往返路程总长度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810348193.8A CN108769113B (zh) | 2018-04-18 | 2018-04-18 | 一种用于物联网巡回维护的机器人设备及其管理系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810348193.8A CN108769113B (zh) | 2018-04-18 | 2018-04-18 | 一种用于物联网巡回维护的机器人设备及其管理系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108769113A CN108769113A (zh) | 2018-11-06 |
| CN108769113B true CN108769113B (zh) | 2019-03-26 |
Family
ID=64011363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810348193.8A Active CN108769113B (zh) | 2018-04-18 | 2018-04-18 | 一种用于物联网巡回维护的机器人设备及其管理系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108769113B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111784797A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-10-16 | 济南浪潮高新科技投资发展有限公司 | 一种基于ar的机器人物联网交互方法、装置及介质 |
| CN113298971B (zh) * | 2021-05-08 | 2022-09-02 | 西安图迹信息科技有限公司 | 考虑多设备间无线信号干扰的发电厂巡检方法和系统 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103235562A (zh) * | 2013-03-07 | 2013-08-07 | 河海大学常州校区 | 变电站基于巡检机器人的综合参数检测系统及巡检方法 |
| CN103926912A (zh) * | 2014-05-07 | 2014-07-16 | 桂林赛普电子科技有限公司 | 一种基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统 |
| CN104796937A (zh) * | 2015-05-11 | 2015-07-22 | 重庆大学 | 一种基于移动机器人的无线传感器网络节点故障巡检方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150288767A1 (en) * | 2014-04-03 | 2015-10-08 | Centurylink Intellectual Property Llc | Network Functions Virtualization Interconnection Hub |
-
2018
- 2018-04-18 CN CN201810348193.8A patent/CN108769113B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103235562A (zh) * | 2013-03-07 | 2013-08-07 | 河海大学常州校区 | 变电站基于巡检机器人的综合参数检测系统及巡检方法 |
| CN103926912A (zh) * | 2014-05-07 | 2014-07-16 | 桂林赛普电子科技有限公司 | 一种基于家庭服务机器人的智能家庭监控系统 |
| CN104796937A (zh) * | 2015-05-11 | 2015-07-22 | 重庆大学 | 一种基于移动机器人的无线传感器网络节点故障巡检方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108769113A (zh) | 2018-11-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108521340B (zh) | 一种物联网局域故障定位与自适应屏蔽系统和方法 | |
| JP5249950B2 (ja) | ユーティリティ・ネットワーク機能停止検出のための方法とシステム | |
| CN104868846B (zh) | 基于无线物联网的太阳能光伏组件阵列数据采集方法 | |
| CN103179580B (zh) | 一种自适应覆盖优化方法及装置 | |
| US20140045438A1 (en) | Method and system for optimizing wireless network based on antenna feeder apparatus | |
| CN102509886B (zh) | 基站天线状态自动监控系统 | |
| CN108769113B (zh) | 一种用于物联网巡回维护的机器人设备及其管理系统 | |
| CN111371827B (zh) | 数据传输方法、装置及计算机可读存储介质 | |
| US9894536B2 (en) | Motion-controlled device for supporting planning, deployment or operation of a wireless network | |
| CN204902894U (zh) | 一种分布式高压输电线路监测系统 | |
| CN201425704Y (zh) | 卫星同步主时钟装置 | |
| CN101881938A (zh) | 卫星同步主时钟装置 | |
| US9801113B2 (en) | Collection system with a hybrid node performing both fixed network and mobile communications | |
| CN109560855B (zh) | 一种cors定位服务质量的管控方法以及cors系统 | |
| Gu et al. | One-hop out-of-band control planes for multi-hop wireless sensor networks | |
| TWI535328B (zh) | 電網閘道器及具有多個電網閘道器之電塔管理系統 | |
| CN109960270A (zh) | 一种确定无人机飞行路径的方法及装置 | |
| KR20070021437A (ko) | 로컬 센서 네트워크 기반의 도로 정보 수집 및 제어 시스템 | |
| US9907046B2 (en) | Airborne network device for a wireless mesh network | |
| CN101881939A (zh) | 电力系统时间同步装置 | |
| CN205353778U (zh) | 被动无人飞行器、主动无人飞行器及无人飞行器系统 | |
| CN205353777U (zh) | 被动无人飞行器、主动无人飞行器及无人飞行器系统 | |
| US20200396626A1 (en) | Wireless remote monitoring system and data collection and control and method of using the same | |
| Minh et al. | Managing heterogeneous WSNs in smart cities: Challenges and requirements | |
| Chen et al. | LoRaDrone: Enabling Low-Power LoRa Data Transmission via a Mobile Approach |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 101100 rooms 1-6, building 1, courtyard 3, binhuibei 1st Street, Tongzhou District, Beijing Patentee after: Teslan Technology Group Co.,Ltd. Address before: 100016 rooms 1-6, building 1, courtyard 3, binhuibei 1st Street, Tongzhou District, Beijing Patentee before: Beijing telian Technology Group Co.,Ltd. Address after: 100016 rooms 1-6, building 1, courtyard 3, binhuibei 1st Street, Tongzhou District, Beijing Patentee after: Beijing telian Technology Group Co.,Ltd. Address before: 100027 11 Floor West Tower of Qihao Building, 8 Xinyuan South Road, Chaoyang District, Beijing Patentee before: TERMINUS (BEIJING) TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
|
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231221 Address after: 100600 District C, Qiankun Building, Chaoyang District, Beijing Patentee after: Beijing Weimo Zhuoran Technology Co.,Ltd. Address before: 101100 rooms 1-6, building 1, courtyard 3, binhuibei 1st Street, Tongzhou District, Beijing Patentee before: Teslan Technology Group Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right |