CN108833596A - 一种基于物联网的周界振动报警系统 - Google Patents

一种基于物联网的周界振动报警系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于物联网的周界振动报警系统，解决现有报警系统中传感器构造造成系统整体处理效率低下的技术问题。系统包括：振动传感器，用于在关联的封闭空间中形成关联方向的振动测量信号；数据中继器，用于为振动测量信号提供可重路由的数据传输链路。通过封闭空间减少了采集环境的干扰因素，在封闭空间中形成对振动状态的若干个关联采集方向可以全面采集各方向的振动状态，使各关联采集方向的采集信号都包含可以量化的同一振动方向的关联振动信息，为后续信号处理过程提供额外的关联振动信息，降低了振动信号间关联分析的计算资源消耗。同时利用可重路由的数据传输链路使得传感器的增减不会影响传输链路的可用性，降低了系统维护成本。

Description

一种基于物联网的周界振动报警系统
技术领域
本发明涉及数据采集技术领域，具体涉及一种于物联网的周界振动报警系统。
背景技术
现有技术中，敏感区域的防侵入或防逃逸报警系统通常会使用物理量传感器采集区域周界的实时物理信号变化形成时域或频域信号，通过时域信号或频域信号的数据处理模型形成报警数据，报警数据通常作为其他系统的联动数据。现有报警系统中传感器的安装适配性受传感器种类局限在安装位置和安装姿态上受限，传感器密度增加对传感器信号传输线路影响显著，传感器的信号采集精度和物理量识别效率偏低，导致大量传感器应用对后台数据分析处理能力要求较高。
发明内容
鉴于上述问题，本发明实施例提供一种基于物联网的周界振动报警系统，解决现有报警系统中传感器构造造成系统整体处理效率低下的技术问题。
本发明实施例的基于物联网的周界振动报警系统，包括：
振动传感器，用于在关联的封闭空间中形成关联方向的振动测量信号；
数据中继器，用于为所述振动测量信号提供可重路由的数据传输链路。
本发明一实施例中，所述振动传感器包括：
第一关联空间电容传感器组，用于在所述封闭空间局部沿第一关联方向顺序设置第一容量可变电容器组，形成振动的第一初始复合采集信号；
第二关联空间电容传感器组，用于在所述封闭空间局部沿第二关联方向顺序设置第二容量可变电容器组，形成振动的第二初始复合采集信号；
第三关联空间电容传感器组，用于在所述封闭空间局部沿第三关联方向顺序设置第三容量可变电容器组，形成振动的第三初始复合采集信号；
第四关联空间电容传感器组，用于在所述封闭空间局部沿第四关联方向顺序设置第四容量可变电容器组，形成振动的第四初始复合采集信号；
多路A/D转换器，用于将各复合采集信号进行模数转换和编码封装形成初始复合振动数据；
信号过滤处理器，用于根据内置过滤模型过滤所述初始复合振动数据中的干扰数据形成复合振动数据；
物联网终端通信模块，用于与邻近物联网终端通信模块进行数据通信，根据通信中继指令形成数据通信链路节点。
本发明一实施例中，所述数据中继器包括：
物联网中继通信模块，用于根据每个所述物联网终端通信模块的分布位置利用相邻所述物联网终端通信模块形成每个物联网终端通信模块的通信链路；
信号汇集处理器，用于将同一振动传感器形成的复合振动数据进行时域和频域的初步信号转换，形成振动测量数据向通信干线链路输出。
本发明一实施例中，所述振动传感器包括一正四面体的绝缘壳体，所述绝缘壳体包括四个正三角形侧壁，所述绝缘壳体的每个顶点向对应的正三角形侧壁作垂线，四个垂线的交点为壳体中心；所述四个正三角形侧壁的顶点和壳体中心围成的正三棱椎体空间形成四个关联空间，在至少一个所述关联空间中容纳电容器组。
本发明一实施例中，所述电容器组包括与所述正三角形侧壁共轴线的一组相似极板层，所述相似极板层与所述正三角形侧壁为相似形，所述相似极板层与所述正三角形侧壁平行，自所述正三角形侧壁向壳体中心方向相似极板层的面积逐渐缩小。
本发明一实施例中，所述相似极板层的相应边线与所述正三角形侧壁的对应边线平行。
本发明一实施例中，所述电容器组包括自所述正三角形侧壁向所述壳体中心方向平行设置的第一极板层、第二极板层、第三极板层和第四极板层，其中：
所述第一极板层包括绝缘基板和第一固定极板，所述绝缘基板形成所述第一极板层轮廓，所述绝缘基板的底部与所述正三角形侧壁平行固定，所述绝缘基板的顶部固定相似轮廓的所述第一固定极板；
所述第二极板层包括共轴线的第一活动极板和第一双向绝缘弹簧，所述第一双向绝缘弹簧的一端固定在所述第一活动极板的底部，所述第一双向绝缘弹簧的另一端固定在所述第一固定极板的顶部，所述第一双向绝缘弹簧的轮廓与所述第一活动极板的轮廓相同；
所述第三极板层包括共轴线的第二活动极板和第二双向绝缘弹簧，第二所述双向绝缘弹簧的一端固定在所述第一活动极板的顶部，所述第二双向绝缘弹簧的另一端固定在所述第二活动极板的底部，所述第二双向绝缘弹簧的轮廓与所述第二活动极板的轮廓相同；
所述第四极板层包括共轴线的第二固定极板、绝缘支撑柱和第三双向绝缘弹簧，所述绝缘支撑柱贯穿所述第二极板层和所述第三极板层，所述绝缘支撑柱一端固定在所述第二固定极板底部，所述绝缘支撑柱另一端固定在所述第一极板层顶部，所述第三双向绝缘弹簧的一端固定在所述第二活动极板的顶部，所述第三双向绝缘弹簧的另一端固定在所述第二固定极板的底部，所述第三双向绝缘弹簧的轮廓与所述第二固定极板的轮廓相同。
本发明一实施例中，所述第一双向绝缘弹簧的回复力<所述第二双向绝缘弹簧的回复力<所述第三双向绝缘弹簧的回复力。
本发明一实施例中，所述绝缘支撑柱为中空圆管，所述第一极板层与所述绝缘支撑柱连接处设置过孔，各极板的连接线缆通过所述绝缘支撑柱和所述过孔电连接至固定在所述绝缘壳体内壁上的多路A/D转换器，所述绝缘壳体内壁上还固定信号过滤处理器和物联网终端通信模块。在所述绝缘壳体形成的密封空间中充惰性气体。
本发明一实施例中，所述物联网终端通信模块采用ZigBee节点模块。
本发明实施例的基于物联网的周界振动报警系统通过封闭空间减少了采集环境的干扰因素，在封闭空间中形成对振动状态的若干个关联采集方向可以全面采集各方向的振动状态，使各关联采集方向的采集信号都包含可以量化的同一振动方向的关联振动信息，为后续信号处理过程提供额外的关联振动信息，降低了振动信号间关联分析的计算资源消耗。同时利用可重路由的数据传输链路使得传感器的增减不会影响报警系统传输链路的可用性，降低了系统维护成本。
附图说明
图1所示为本发明实施例基于物联网的周界振动报警系统的架构示意图。
图2所示为本发明一实施例基于物联网的周界振动报警系统的振动传感器的外部结构示意图。
图3所示为本发明一实施例基于物联网的周界振动报警系统的振动传感器的内部局部空间示意图。
图4所示为本发明一实施例基于物联网的周界振动报警系统的振动传感器的内部局部结构的俯视示意图。
图5所示为本发明一实施例基于物联网的周界振动报警系统的振动传感器的内部局部结构的侧视示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。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。
如图1所示，本发明实施例的基于物联网的周界振动报警系统包括：
振动传感器10，用于在关联的封闭空间中形成关联方向的振动测量信号；
数据中继器20，用于为振动测量信号提供可重路由的数据传输链路。
本发明实施例的基于物联网的周界振动报警系统通过封闭空间减少了采集环境的干扰因素，在封闭空间中形成对振动状态的若干个关联采集方向可以全面采集各方向的振动状态，使各关联采集方向的采集信号都包含可以量化的同一振动方向的关联振动信息，为后续信号处理过程提供额外的关联振动信息，降低了振动信号间关联分析的计算资源消耗。同时利用可重路由的数据传输链路使得传感器的增减不会降低报警系统传输链路的可用性，降低了系统维护成本。本发明实施例的基于物联网的周界振动报警系统可以单独设置在敏感区域的周界阻挡建筑物上，可以利用现有报警系统的信号传输线路和供电线路实现报警系统的进一步扩展，形成第二个逻辑报警系统弥补现有报警系统的监控薄弱区域。
本发明一实施例中，还包括信号分析处理器30，用于根据数据处理模型对振动测量数据进行时域和/或频域的信号处理形成报警数据。
本领域技术人员可以理解对采集信号进行时域或频域的信号分析、处理和转换属于信号分析的必要处理过程。
如图1所示，本发明一实施例的基于物联网的周界振动报警系统中振动传感器10包括：
第一关联空间电容传感器组11，用于在封闭空间局部沿第一关联方向顺序设置第一容量可变电容器组，形成振动的第一初始复合采集信号；
第二关联空间电容传感器组12，用于在封闭空间局部沿第二关联方向顺序设置第二容量可变电容器组，形成振动的第二初始复合采集信号；
第三关联空间电容传感器组13，用于在封闭空间局部沿第三关联方向顺序设置第三容量可变电容器组，形成振动的第三初始复合采集信号；
第四关联空间电容传感器组14，用于在封闭空间局部沿第四关联方向顺序设置第四容量可变电容器组，形成振动的第四初始复合采集信号；
多路A/D转换器15，用于将复合采集信号进行模数转换和编码封装形成初始复合振动数据；
信号过滤处理器16，用于根据内置过滤模型过滤初始复合振动数据中的干扰数据形成复合振动数据；
物联网终端通信模块17，用于与邻近物联网终端通信模块进行数据通信，根据通信中继指令形成数据通信链路节点。
本发明实施例的基于物联网的周界振动报警系统在四个交会方向上采集振动信号，使得振动位置的客观振动状态不会因传感器设置缺陷而造成采集缺失。同时利用物联网终端通信模块形成可协商的临近模块对等通信，为路由重定向提供可量化的信号强度、信号丢包率、信号强度比较等测算参数。
如图1所示，本发明一实施例的基于物联网的周界振动报警系统中数据中继器20包括：
物联网中继通信模块21，用于根据每个物联网终端通信模块的分布位置利用相邻物联网终端通信模块形成每个物联网终端通信模块的通信链路；
信号汇集处理器22，用于将同一振动传感器形成的复合振动数据进行时域和频域的初步信号转换，形成振动测量数据向通信干线链路输出。
本发明实施例的基于物联网的周界振动报警系统利用物联网中继通信模块对整体的物联网中继通信模块进行定位，为相邻的物联网中继通信模块进行通信链路路由优化，根据振动传感器的增减重路由各振动传感器的通信链路。在终端侧完成同一振动传感器的复合振动数据的简单时域频域转换处理，可以降低报警系统大范围、大批量应用振动传感器时在服务端设置的前端服务器在带宽、吞吐量、处理速度上的并行处理缺陷。
如图2所示，本发明实施例的基于物联网的周界振动报警系统的振动传感器10的外部结构包括一正四面体的(电)绝缘壳体100，绝缘壳体100 包括四个正三角形侧壁，正三角形侧壁的顶点包括顶点a、顶点b、顶点c 和顶点d，绝缘壳体100的每个顶点向对应的正三角形侧壁作垂线，四个垂线的交点为绝缘壳体100的壳体中心o，每个正三角形侧壁的每一顶点和壳体中心o的虚拟连线与相应正三角形侧壁的边线围成一个正三棱椎体空间，即顶点a-顶点b-顶点c-壳体中心o形成第一关联空间，即顶点b-顶点c-顶点d-壳体中心o形成第二关联空间，即顶点c-顶点a-顶点d-壳体中心o形成第三关联空间，即顶点a-顶点b-顶点d-壳体中心o形成第四关联空间。
如图3所示，本发明一实施例基于物联网的周界振动报警系统的振动传感器内部的第一关联空间110为一正三棱椎体空间，顶点a、顶点b和顶点c所在的正三角形侧壁abc为第一关联空间的空间底面，壳体中心o为空间顶点。
结合图4所示，在第一关联空间110中容纳电容器组115，电容器组115 包括沿空间底面轴线向空间顶点设置的一组相似极板层120，相似极板层 120与空间底面为相似形，相似极板层120与空间底面平行，相似极板层120 与空间底面共轴线，自空间底面向空间顶点方向相似极板层120的面积逐渐缩小，各相似极板层120的轮廓位于第一关联空间110中。
在本发明一实施例中，各相似极板层120的相应边线与空间底面的对应边线平行。这种结构可以保证相邻极板形成的顺序相邻电容的负荷存在固定差异，可以满足后续信号分析时的信号特征差异。
结合图5所示，本发明一实施例基于物联网的周界振动报警系统的振动传感器的第一关联空间110中相似极板层120包括自空间底面(即相应正三角形侧壁)向空间定点(即壳体中心)方向平行设置的第一极板层130、第二极板层140、第三极板层150和第四极板层160，第一极板层130包括(电) 绝缘基板131，绝缘基板131形成第一极板层160的轮廓，绝缘基板131的底部与空间底面平行固定，绝缘基板131的顶部固定相似轮廓的第一固定极板132。
第二极板层140包括共轴线的第一活动极板141和第一双向(电)绝缘弹簧142，第一双向绝缘弹簧142的一端固定在第一活动极板141的底部，第一双向绝缘弹簧142的另一端固定在第一固定极板132的顶部，第一双向绝缘弹簧142的轮廓与第一活动极板141的轮廓相同。
第三极板层150包括共轴线的第二活动极板151和第二双向(电)绝缘弹簧152，第二双向绝缘弹簧152的一端固定在第一活动极板141的顶部，第二双向绝缘弹簧152的另一端固定在第二活动极板151的底部，第二双向绝缘弹簧152的轮廓与第二活动极板151的轮廓相同。
第四极板层160包括共轴线的第二固定极板161、(电)绝缘支撑柱162 和第三双向绝缘弹簧163，绝缘支撑柱162贯穿第二极板层140和第三极板层150，绝缘支撑柱162一端固定在第二固定极板161底部，绝缘支撑柱162 另一端固定在第一极板层130顶部，第三双向绝缘弹簧163的一端固定在第二活动极板151的顶部，第三双向绝缘弹簧163的另一端固定在第二固定极板161的底部，第三双向绝缘弹簧163的轮廓与第二固定极板161的轮廓相同。
第一双向绝缘弹簧142的回复力<第二双向绝缘弹簧152的回复力<第三双向绝缘弹簧163的回复力。
本发明实施例的基于物联网的周界振动报警系统中的振动传感器，利用活动极板和固定极板形成多个关联的差动式电容。当振动发生时，振动状态中的一个振动方向偶合进振动传感器，使得活动极板与固定极板间距发生改变形成电容负荷的变化，电容负荷的变化经多路A/D转换器15转换为高精度的数字信号。而两个固定极板各活动极板间可以形成多个关联的差动电容，同时由于极板间的绝缘弹簧弹力的差别，使得各电容极板间距的变化对不同振动幅度和频率敏感，使得通过本振动传感器可以同步获得几个电容对不同震动信息的反馈信号，使得不同振动状态对振动传感器中每个差动电容的影响具有特异性，使得差动电容形成的采集信号具有相应的信号响应特征，有利于后续的时域或频域信号分析效率。
本发明一实施例中，绝缘壳体100内的四个关联空间中分别设置一个上述实施例的振动传感器。
本发明实施例的基于物联网的周界振动报警系统中的振动传感器设置方向与现有技术中的位移三轴振动传感器不同，各传感器轴向不垂直，每一个实际振动状态都可能耦合进各振动传感器中，形成主要的振动状态采集信息和高度相关的次要振动状态采集信息，可以获得同一振动状态的不同运动趋势的采集信息，使得后续时域或频域分析时可以获得额外的运动趋势数据作为报警数据生成的必要参考数据，有利于过滤环境干扰或生物行为干扰。
进一步，在各振动传感器的第四极板层160间形成静电电荷积聚，形成了独立于各传感器电容结构的独立电容，利用各第四极板层160间的电荷变化可以判断绝缘壳体100和差动电容结构的完备性，获得振动传感器的可用性数据。
在本发明一实施例中，绝缘支撑柱162为中空圆管，第一极板层130与绝缘支撑柱162连接处设置过孔，各极板的连接线缆通过绝缘支撑柱和过孔电连接至固定在绝缘壳体100内壁上的多路A/D转换器15，绝缘壳体100 内壁上还固定信号过滤处理器16和物联网终端通信模块17。在绝缘壳体100 形成的密封空间中充氦气等惰性气体保持隔绝氧化作用，当氦气泄露时，由于氧化变化引起的极板间电容量渐变过程形成的干扰信号可以被信号过滤处理器16过滤。
在本发明一实施例中，物联网终端通信模块17和物联网中继通信模块 21采用ZigBee节点模块，物联网终端通信模块17提供与临近模块进行通信的数据通信测算参数，物联网中继通信模块21接收数据通信测算参数形成各物联网终端通信模块17间的数据链路的路由定向或路由重定向。信号汇集处理器22和信号过滤处理器16可以采用DSP(Digital Signal Processing) 数字信号处理器、FPGA(Field-Programmable GateArray)现场可编程门阵列、MCU(Microcontroller Unit)系统板、SoC(system on a chip)系统板或包括I/O的PLC(Programmable Logic Controller)最小系统。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于物联网的周界振动报警系统，其特征在于，包括：
振动传感器，用于在关联的封闭空间中形成关联方向的振动测量信号；
数据中继器，用于为所述振动测量信号提供可重路由的数据传输链路。
2.如权利要求1所述的基于物联网的周界振动报警系统，其特征在于，所述振动传感器包括：
第一关联空间电容传感器组，用于在所述封闭空间局部沿第一关联方向顺序设置第一容量可变电容器组，形成振动的第一初始复合采集信号；
第二关联空间电容传感器组，用于在所述封闭空间局部沿第二关联方向顺序设置第二容量可变电容器组，形成振动的第二初始复合采集信号；
第三关联空间电容传感器组，用于在所述封闭空间局部沿第三关联方向顺序设置第三容量可变电容器组，形成振动的第三初始复合采集信号；
第四关联空间电容传感器组，用于在所述封闭空间局部沿第四关联方向顺序设置第四容量可变电容器组，形成振动的第四初始复合采集信号；
多路A/D转换器，用于将各复合采集信号进行模数转换和编码封装形成初始复合振动数据；
信号过滤处理器，用于根据内置过滤模型过滤所述初始复合振动数据中的干扰数据形成复合振动数据；
物联网终端通信模块，用于与邻近物联网终端通信模块进行数据通信，根据通信中继指令形成数据通信链路节点。
3.如权利要求2所述的基于物联网的周界振动报警系统，其特征在于，所述数据中继器包括：
物联网中继通信模块，用于根据每个所述物联网终端通信模块的分布位置利用相邻所述物联网终端通信模块形成每个物联网终端通信模块的通信链路；
信号汇集处理器，用于将同一振动传感器形成的复合振动数据进行时域和频域的初步信号转换，形成振动测量数据向通信干线链路输出。
4.如权利要求1所述的基于物联网的周界振动报警系统，其特征在于，所述振动传感器包括一正四面体的绝缘壳体，所述绝缘壳体包括四个正三角形侧壁，所述绝缘壳体的每个顶点向对应的正三角形侧壁作垂线，四个垂线的交点为壳体中心；所述四个正三角形侧壁的顶点和壳体中心围成的正三棱椎体空间形成四个关联空间，在至少一个所述关联空间中容纳电容器组。
5.如权利要求4所述的基于物联网的周界振动报警系统，其特征在于，所述电容器组包括与所述正三角形侧壁共轴线的一组相似极板层，所述相似极板层与所述正三角形侧壁为相似形，所述相似极板层与所述正三角形侧壁平行，自所述正三角形侧壁向壳体中心方向相似极板层的面积逐渐缩小。
6.如权利要求5所述的基于物联网的周界振动报警系统，其特征在于，所述相似极板层的相应边线与所述正三角形侧壁的对应边线平行。
7.如权利要求4所述的基于物联网的周界振动报警系统，其特征在于，所述电容器组包括自所述正三角形侧壁向所述壳体中心方向平行设置的第一极板层、第二极板层、第三极板层和第四极板层，其中：
所述第一极板层包括绝缘基板和第一固定极板，所述绝缘基板形成所述第一极板层轮廓，所述绝缘基板的底部与所述正三角形侧壁平行固定，所述绝缘基板的顶部固定相似轮廓的所述第一固定极板；
所述第二极板层包括共轴线的第一活动极板和第一双向绝缘弹簧，所述第一双向绝缘弹簧的一端固定在所述第一活动极板的底部，所述第一双向绝缘弹簧的另一端固定在所述第一固定极板的顶部，所述第一双向绝缘弹簧的轮廓与所述第一活动极板的轮廓相同；
所述第三极板层包括共轴线的第二活动极板和第二双向绝缘弹簧，第二所述双向绝缘弹簧的一端固定在所述第一活动极板的顶部，所述第二双向绝缘弹簧的另一端固定在所述第二活动极板的底部，所述第二双向绝缘弹簧的轮廓与所述第二活动极板的轮廓相同；
所述第四极板层包括共轴线的第二固定极板、绝缘支撑柱和第三双向绝缘弹簧，所述绝缘支撑柱贯穿所述第二极板层和所述第三极板层，所述绝缘支撑柱一端固定在所述第二固定极板底部，所述绝缘支撑柱另一端固定在所述第一极板层顶部，所述第三双向绝缘弹簧的一端固定在所述第二活动极板的顶部，所述第三双向绝缘弹簧的另一端固定在所述第二固定极板的底部，所述第三双向绝缘弹簧的轮廓与所述第二固定极板的轮廓相同。
8.如权利要求7所述的基于物联网的周界振动报警系统，其特征在于，所述第一双向绝缘弹簧的回复力<所述第二双向绝缘弹簧的回复力<所述第三双向绝缘弹簧的回复力。
9.如权利要求7所述的基于物联网的周界振动报警系统，其特征在于，所述绝缘支撑柱为中空圆管，所述第一极板层与所述绝缘支撑柱连接处设置过孔，各极板的连接线缆通过所述绝缘支撑柱和所述过孔电连接至固定在所述绝缘壳体内壁上的多路A/D转换器，所述绝缘壳体内壁上还固定信号过滤处理器和物联网终端通信模块。在所述绝缘壳体形成的密封空间中充惰性气体。
10.如权利要求9所述的基于物联网的周界振动报警系统，其特征在于，所述物联网终端通信模块采用ZigBee节点模块。
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