CN109491415A - 一种基于物联网的可复用、可扩展监控系统及监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于物联网应用技术领域，公开一种基于物联网的可复用、可扩展监控系统及监控方法，包括局域网络和服务器；局域网络中设有网关和若干节点，局域网中的网关通过移动网络与服务器连接；所述节点中设有传感器、拨码开关、执行元件、zigbee模块、服务器、继电器、供电电源、自动控制电源开关和嵌入式处理芯片；传感器、继电器、拨码开关、zigbee模块均与嵌入式处理芯片连接；供电电源与自动控制电源开关连接，自动控制电源开关通过空开与继电器连接，执行元件与继电器连接；zigbee模块通过第一天线与所述网关连接；所述服务器与固定电脑和/或移动终端连接。本发明能够灵活布置，可扩展、反复使用，方便部署及维护。

Description

一种基于物联网的可复用、可扩展监控系统及监控方法

技术领域

本发明属于物联网应用技术领域，具体涉及一种基于物联网的可复用、可扩展监控系统及监控方法。

背景技术

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。

物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、路灯照明管控、景观照明管控、楼宇照明管控、广场照明管控、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制，在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。

但现有的基于物联网的建通设备或系统只能固定设置和使用，不能灵活布置，且进行反复使用，在实际的使用中极为不便。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于物联网的可复用、可扩展监控系统及监控方法，本发明能够灵活布置，且反复使用，使用便捷。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于物联网的可复用、可扩展监控系统，包括工业物联网、移动互联网和服务器，工业物联网设有网关和若干节点，移动互联网与服务器连接，可以通过网页和手机APP等手段访问系统状态；所述节点中设有传感器、拨码开关、执行元件、zigbee模块、继电器、供电电源和嵌入式处理芯片；传感器、继电器、拨码开关和zigbee模块均与嵌入式处理芯片连接；供电电源与自动控制电源开关连接，自动控制电源开关通过空开与继电器连接，执行元件与继电器连接；zigbee模块通过第一天线与所述网关连接；所述服务器与固定电脑和/或移动终端连接。

每个节点设有控制柜，每个节点的拨码开关、zigbee模块、继电器、自动控制电源开关和嵌入式处理芯片均设置于该节点对应的控制柜内，zigbee模块连接的第一天线设置于该控制柜外部。

局域网络中的网关设置于该局域网络中其中一个节点的控制柜中，该网关上连接有第二天线，第二天线设置于控制柜的外部，第二天线通过移动互联网与服务器连接。

在局域网络中，设置网关的控制柜设置于局域网的中部。

所述物联网的拓扑结构为可变的，节点的数目为可扩展的，所述节点能够支持多次部署反复使用，当每次重新部署所述节点后，能够根据所有节点的物理布局通过拨码开关设置节点所属网络ID和对应的网络内各节点ID，便于安装调试和后期维护和更换。

所述传感器为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件或味敏元件。

所述传感器为液位传感器，执行元件为水泵，水泵通过电机驱动，电机与继电器连接且该连接线路上连接有热继电器。

一种监控方法，通过上述基于物联网的可复用、可扩展监控系统进行，过程如下：

当节点处的传感器、拨码开关、执行元件、zigbee模块、服务器、继电器、供电电源、自动控制电源开关和嵌入式处理芯片部署后，每个节点对应唯一地址ID，通过调节拨码开关的位置进行网络配置，根据网络ID和节点ID，定位节点的具体位置和工作状态；

当节点位置转移后，通过拨码开关重新设定节点ID，并进行网络配置；

在每个节点处，利用传感器检测待检测的信号，传感器将检测到的信号传输给嵌入式处理芯片，嵌入式处理芯片通过传感器的信号以及该信号的预设值来判断是否启动执行元件启动；当传感器的检测信号值不在预设值范围时，嵌入式处理芯片控制继电器启动执行元件，使检测信号值处于预设值范围内，此时嵌入式处理芯片控制继电器停止执行元件动作；

嵌入式处理芯片利用zigbee模块和第一天线实时将每个节点处的收集到的信息发送给服务器，服务器通过其数据库分析获得传感器的检测信息、执行元件工作状态和检测信息估计，利用Web交互技术将相关统计信息可视化，用户通过固定电脑和/或移动终端进行实时监控、统计数据分析和远程管理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于物联网的可复用、可扩展监控系统的节点中，传感器、继电器、拨码开关、zigbee模块均与嵌入式处理芯片连接；供电电源与自动控制电源开关连接，自动控制电源开关通过空开与继电器连接，执行元件均继电器连接；zigbee模块通过第一天线与所述网关连接；本发明的供电电源用于给每个节点供电，在每个节点处，利用传感器来检测待检测的信号，传感器将检测到的信号传输给嵌入式处理芯片，嵌入式处理芯片通过传感器的信号以及该信号的预设值来判断是否启动执行元件启动；当传感器的检测信号值不在预设值范围时，嵌入式处理芯片控制继电器启动执行元件，以消除检测信号值不在预设值范围的因素，最终使传感器的检测信号值处于预设值范围，此时嵌入式处理芯片控制继电器停止执行元件动作；嵌入式处理芯片利用zigbee模块和第一天线实时将每个节点处的收集到的信息发送给服务器，服务器通过数据库分析获得传感器的检测信息、执行元件工作状态和检测信息估计，利用Web交互技术将相关统计信息可视化，用户能够通过固定电脑(PC)和/或移动终端(如手机、平板电脑等)进行实时监控、统计数据分析和远程管理。当节点处的传感器、拨码开关、执行元件、zigbee模块、服务器、继电器、供电电源、自动控制电源开关和嵌入式处理芯片部署后，每个节点对应唯一地址ID，本发明能够通过调节拨码开关的位置，快速进行网络配置，根据网络ID和节点ID，快速定位节点的具体位置和工作状态，为系统的监控和后期维护提供信息。当节点位置转移后，可通过拨码开关重新设定节点ID，并快速进行网络配置；因此本发明具有能够灵活部署，反复使用以及使用便捷的特点。本发明的基于物联网的可复用、可扩展监控系统能自动完成检测量的控制、执行元件的工作状态、监测量的统计、信息自动管理和分析。能够降低人工成本，实现随时随地的监控，并有效指导施工管理，同时起到预警作用，及时消除隐患，保证安全。系统实时性高，具有应用广、可扩展性好、可靠性高等优点。

进一步的，本发明的基于物联网的可复用、可扩展监控系统能够支持支持多种传感器的检测，因此其传感器可为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件或味敏元件；因此极大地丰富了本发明基于物联网的可复用、可扩展监控系统的使用范围。

附图说明

图1为本发明基于物联网的可复用、可扩展监控系统的结构框图；

图2为本发明实施例的网络结构示意图；

图3为本发明实施例中降水井内传感器的布设示意图；

图4为本发明实施例液位继电器原理示意图。

图中，1-降水井，2-第一液位传感器，3-第二液位传感器，4-控制柜，5-防水线缆，6-第三液位传感器，7-液位继电器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的基于物联网的可复用、可扩展监控系统，包括工业物联网、移动互联网和服务器，工业物联网设有网关和若干节点，移动互联网与服务器连接；所述节点中设有传感器、拨码开关、执行元件、zigbee模块、继电器、供电电源和嵌入式处理芯片(如ARM7)；传感器、继电器、拨码开关和zigbee模块均与嵌入式处理芯片连接；供电电源与自动控制电源开关连接，自动控制电源开关通过空开与继电器连接，执行元件与继电器连接；zigbee模块通过第一天线与所述网关连接；所述服务器与固定电脑和/或移动终端连接。

作为本发明优选的实施方案，每个节点设有控制柜，每个节点的拨码开关、zigbee模块、继电器、自动控制电源开关和嵌入式处理芯片均设置于该节点对应的控制柜内，zigbee模块连接的第一天线设置于该控制柜外部。局域网络中的网关设置于该局域网络中其中一个节点的控制柜中，为了信号良好和信号传输的稳定性，最好将该控制柜设置在局域网的中部；网关上连接有第二天线，第二天线设置于控制柜的外部，第二天线通过移动互联网与服务器连接。本发明中，所述传感器为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件或味敏元件。

实施例

本实施例中，以某高铁某隧道段为例，由于临近某水库，地下水位较高，为了保障施工建设的顺利进行，拟实施水位控制及远程监控的信息自动化解决方案；基于本发明的上述方案，本实施例中，传感器采用液位传感器，执行元件为水泵，水泵通过电机驱动，电机与继电器连接且该连接线路上连接有热继电器。

该段隧道长度约5公里，隧道开挖宽度约50-75米，基坑两侧设置间隔6米的双排降水井，共计约3000降水井。降水井设计深度为25-30米，降水井孔径为600毫米，井管外径400毫米，内径300毫米。每个降水井配置水泵一台，控制柜一台，拨码开关、zigbee模块、继电器、自动控制电源开关和嵌入式处理芯片均设置于该节点对应的控制柜内，zigbee模块连接的第一天线设置于该控制柜外部，控制柜与拨码开关、zigbee模块、继电器、自动控制电源开关和嵌入式处理芯片第一天线组装形成一个控制柜单元。水泵的工作启停状态根据液位传感器检测的降水井内水位的相对位置进行自动控制，即：当降水井内液面水位超过警戒线高度时，启动水泵，将液体抽出，排放在泻流水渠，待降水井内液面水位低于安全线高度时，关闭水泵。实现无人值守的自动化水位控制，监控室可实时的监控全部降水井的工作状况。

除水泵工作状态根据降水井中的水位进行自动化启停外，还应当对于水泵的工作状态进行实时监测，并将水位与警戒线和安全线的相对信息、水泵启停工作状态、水泵故障等信息传送到设置有PC的监控室，维护人员可根据实时监控信息及时的精确维护。

除实时监测外，主机端服务器还具备数据库管理功能，可以生成降水井工作情况周报、月报和季报的数据统计信息，方便系统维护。降水监控系统还具备可复用性，当单降水面实施结束后，可以通过控制结点的重新布置，子网重组，网络拓扑结构调整等方式，快速的部署在新的降水工作面；达到系统可复用的目标。

如图2所示，本实施例的监控系统采用自动控制技术、物联网技术、数据库技术以及Web交互技术实现降水自动化远程监控与信息分析管理。供电电源为380VAC(三相五线制)，采用一火一零线的方式获得220VAC，220VAC->5V/24V自动控制电源开关(NYK1-D-30)，5V-3.3V电源芯片(LM1117-3.3)完成嵌入式处理芯片以及小负载继电器(JZX-22F)的供电；电机工作380VAC-32A，采用低电压电路控制高压电机，因此需要完成多级的开关控制。通过3.3V-24V的小负载继电器(JZX-22F)，24V/1A->380VAC/50A大负载接触器(NC1-AC3)完成电机控制；Zigbee模块通过接插件安装在系统电路板上(PCB)，接触器、继电器、电路板均考虑通过导轨进行安装；DTU网络通过TCP/IP协议与终端监控室进行通讯，终端监控器需要数据库软件对收集的数据进行管理。

本实施例中单降水井方案：

如图3和图4所示，降水井内安置液位传感器，进行实时液面监测，降水井内一般设置3个液位传感器，其中一个设置于水泵泵体底部，作为下水位传感器；一个设置在水泵泵体上方5cm左右的位置，作为中水位传感器；一个设置于水泵泵体上方1.5m左右，作为上水位传感器。嵌入式处理芯片根据监测结果与预设的警戒和安全水位进行对比，从而通过水泵的电源开关完成水泵的工作启停控制。在水泵工作过程中，需实时监测液面的变化。当水泵发生故障时，还可以将该信息及时反映到远程监控端，形成警示信号，从而提醒工作人员进行人为介入，排除故障。单降水井中的液位传感器采用直流3.3V供电，需从水泵330V-AC供电系统通过交流/直流转换进行取电。电机上连接有电机开关，电机开关用于控制接通380V的输入电源，当电机开关闭合时，交流接触器、液位继电器、手动电机开关接通电源。电机上还连接有手动电机开关，手动电机开关可直接控制接触器吸合，用于安装调试或紧急状态下直接控制电机的启停。在手动电机开关接通的情况下，液位继电器和自动控制模块无法对电机进行控制。自动控制模块供电开关：自动控制单元的电源控制。

液位传感器采用电缆浮球液位开关，使用磁力运作，无机械连接件，运作简单可靠，性价比高。电缆式浮球开关，利用重力与浮力的原理设计而成。主要包括浮漂体，设置在浮漂体内的大容量微型开关和能将开关处于通，断状态的驱动机构，以及与开关相连的三芯电缆。当浮球在液体浮力的作用下随液位的上升或下降到与水平呈一定角度时，浮球体内的驱动机构驱动大容量微动开关，从而输出开(ON)或关(OFF)的信号，共报警提示或远程控制使用。液位传感器也可采用专用液位继电器开关。具体实施时，通过实验比较选型，以确保系统稳定可靠运行。

单降水井控制电路选型：将液位传感器收集的信息，通过电线输送到嵌入式微控制电路板，电路板嵌入式MCU负责根据数值的比较进行水泵开关电源的控制，并通过支持工业级无线网络协议(Zigbee)的模块，将单降水井的水泵工作状态和水位信息通过在降水井顶部安置的微型天线发送到网络中枢节点(即网关)。当各节点自动化控制柜单元重新部署后，可通过调节电路板上的拨码开关的位置，快速进行网络配置。每次拨码完成后，需在电路板通电情况下，轻按电路板右上方的黑色圆形按钮进行配置。

嵌入式微控制器电路板采用直流3.3V供电，从水泵供电系统通过交流-直流电源转换模块(380VAC-220VAC)，完成电压转换，之后通过直流电源开关转化为24VDC和5VDC，之后经过电源模块转换5VDC->3.3VDC进行取电。

网络方案：本实施例中，监控系统网络的方案充分考虑到该项目的示范性效应以及未来可扩展、可移植、可升级的实际需求，定制项目具体方案如下：

网络拓扑结构：由于隧道跨越距离较长(5km)，节点数目众多(500)，呈并行双带状分布，因此，拟采用2级网络的方案设计：第一级网络规模支持100节点(降水井)，第二级网络支持5节点的网络方案。每个节点(降水井)对应唯一地址ID，系统网络系统软件可以根据节点ID定位到具体的降水井位置，以及降水井的工作状态。为系统的正常监控和后期维护提供信息。为了保障高质量的无线通讯，自动控制柜顶部布置胶棒天线，无线传输模块开通数据流量功能，实时传输网络状态数据到监控室的服务器。此模块中含有一张物联网卡，请勿将其取出。同时，在施工和使用过程中，应当注意保护天线不受损坏。

二级网络通过构建2G/3G/4G移动网络进行组织，节点需配置SIM卡，并开通数据流量功能，实时传输网络状态数据到监控室的服务器。监控室服务器端系统软件包含数据库软件，可以进行日、月、年水位记录，水泵电机的工作时间等数字化信息记录。

远程监控方案(后期升级方案)：

利用2G/4G移动互联网，设计完成手机控制端APP，可以通过该软件实时远程监控各降水井的状态，以及进行相应的控制操作。

本实施例中，嵌入式处理芯片根据液位传感器实时监测降水井内水位变化，当降水井内水位超过警戒水位时，自动控制节点控制水泵自动抽水；当降水井内水位降低到安全水位时，自动控制系统停止水泵抽水。无线网络完成降水信息的收集并传送至服务器。服务器通过数据库分析获得水位信息、水泵工作状态和降水量估计。Web交互技术将相关统计信息可视化，用户可以通过PC端和手机端进行实时监控、统计数据分析和远程管理。

实施例中，节点数目可以扩展，并且支持多次部署、反复使用。根据施工过程中，降水面的工作进度，设备可以多次部署，每次重新部署后，可以根据其物理布局通过拨码开关设置所属网络ID和对应的网络内节点ID，方便安装及维护。

Claims (7)

1.一种基于物联网的可复用、可扩展监控系统，其特征在于，包括工业物联网、移动互联网和服务器，工业物联网设有网关和若干节点，移动互联网与服务器连接；所述节点中设有传感器、拨码开关、执行元件、zigbee模块、继电器、供电电源和嵌入式处理芯片；传感器、继电器、拨码开关和zigbee模块均与嵌入式处理芯片连接；供电电源与自动控制电源开关连接，自动控制电源开关通过空开与继电器连接，执行元件与继电器连接；zigbee模块通过第一天线与所述网关连接；所述服务器与固定电脑和/或移动终端连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的可复用、可扩展监控系统，其特征在于，每个节点设有控制柜，每个节点的拨码开关、zigbee模块、继电器、自动控制电源开关和嵌入式处理芯片均设置于该节点对应的控制柜内，zigbee模块连接的第一天线设置于该控制柜外部。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的监控系统，其特征在于，局域网络中的网关设置于该局域网络中某个节点的控制柜中，该网关上连接有第二天线，第二天线设置于控制柜的外部，第二天线通过移动互联网与服务器连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于物联网的监控系统，其特征在于，在局域网络中，设置网关的控制柜设置于局域网的中部。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的可复用、可扩展监控系统，其特征在于，工业物联网的网络的拓扑结构为可变的，所述节点的数目为可扩展的，所述节点能够支持多次部署反复使用，当每次重新部署所述节点后，能够根据所有节点的物理布局通过拨码开关设置节点所属网络ID和对应的网络内各节点ID。

6.根据权利要求1所述的一种基于物联网的可复用、可扩展监控系统，其特征在于，所述传感器为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件或味敏元件。

7.一种监控方法，其特征在于，通过权利要求1所述的基于物联网的可复用、可扩展监控系统进行，过程如下：

当节点处的传感器、拨码开关、执行元件、zigbee模块、服务器、继电器、供电电源、自动控制电源开关和嵌入式处理芯片部署后，每个节点对应唯一地址ID，通过调节拨码开关的位置进行网络配置，根据网络ID和节点ID，定位节点的具体位置和工作状态；

当节点位置转移后，通过拨码开关重新设定节点ID，并进行网络配置；

在每个节点处，利用传感器检测待检测的信号，传感器将检测到的信号传输给嵌入式处理芯片，嵌入式处理芯片通过传感器的信号以及该信号的预设值来判断是否启动执行元件启动；当传感器的检测信号值不在预设值范围时，嵌入式处理芯片控制继电器启动执行元件，使检测信号值处于预设值范围内，此时嵌入式处理芯片控制继电器停止执行元件动作；

嵌入式处理芯片利用zigbee模块和第一天线实时将每个节点处的收集到的信息发送给服务器，服务器通过其数据库分析获得传感器的检测信息、执行元件工作状态和检测信息估计，利用Web交互技术将相关统计信息可视化，用户通过固定电脑和/或移动终端进行实时监控、统计数据分析和远程管理。