CN110493884B - 一种低功耗监测数据无线采集系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗监测数据无线采集系统，包括现场机构、远程通讯模块和云端；现场机构沿包括中继控制模块、第一无线通讯模块、多个采样模块；采样模块包括多个传感器和底层控制模块；传感器均与底层控制模块电连接；底层控制模块分别通过第一无线通讯模块与中继控制模块相连接，中继控制模块通过远程通讯模块与云端相连接。低功耗监测数据无线采集方法，采样模块和无线传输模块进入睡眠模式。中继控制模块在唤醒预订条件下唤醒采样模块和无线传输模块；采样模块和无线传输模块进入工作模式；采样模块采集监测数据，并通过无线传输模块传输至中继控制模块，避免通信线受损，且降低现场机构和数据传输模块的功耗。

Description

一种低功耗监测数据无线采集系统和方法

技术领域

本发明涉及监测数据采集技术领域，尤其涉及一种低功耗监测数据无线采集系统和方法。

背景技术

目前，监测设备通常包括位于现场机构的和位于中继控制模块，现场机构中包含一个或多个传感器和底层控制模块，底层控制模块对应一个中继控制模块；现场机构和中继控制模块之间的数据传输方式多用485等其他有线通信，通信距离与通信速度成反比，由于485通信是有线通信，在特殊的地形安装监测设备，布线会存在较大的困难，例如布线过河，或者布线跨坡，而且在地势险峻的地方布线的成本会很大，其次，布线结束后，通信的线有可能受到野兽侵袭，地质腐蚀，压塌等自然情形的干扰或破坏。从而导致使用485通信的成本以及维护成本会非常高，另外由于需要进行监测的区域，大多有可能存在自然灾害的隐患，所以在监测区域进行布线施工有可能诱导灾害提前发生。由于现场情况复杂，因此，及时更换电源十分不便，对于从机和数据传输模块的低功耗有极高的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种低功耗监测数据无线采集系统和方法，现场机构中不进行收工布线，避免通信线受损影响监测效果或引发地质灾害，且降低现场机构和数据传输模块的功耗。

本发明采用的技术方案为：

一种低功耗监测数据无线采集系统，包括现场机构、远程通讯模块和云端；

所述的现场机构沿包括中继控制模块、第一无线通讯模块、多个采样模块；

所述的采样模块包括多个传感器和底层控制模块；所述的传感器均与底层控制模块电连接；底层控制模块分别通过第一无线通讯模块与中继控制模块相连接，中继控制模块通过远程通讯模块与云端相连接。

一种低功耗监测数据无线采集方法，包括以下步骤：

步骤一：低功耗监测数据无线采集系统初始化，配置工作参数：

步骤二：所述的采样模块和无线传输模块进入睡眠模式；

步骤三：所述的中继控制模块在唤醒预订条件下唤醒采样模块和无线传输模块；采样模块和无线传输模块进入工作模式；采样模块采集监测数据，并通过无线传输模块传输至中继控制模块；所述的中继控制模块在睡眠预订条件下控制采样模块和无线传输模块返回睡眠模式。

所述的步骤三中，根据不同的唤醒预定条件和睡眠预订条件，采样模块的采样模式包括定时采样模式、实时采样模式、自适应采样模式和连续采样模式；

所述的定时采样模式，中继控制模块中设定有第一唤醒周期，所述的第一唤醒周期包括睡眠时间段和工作时间段，睡眠时间段的结束时刻，中继控制模块唤醒采样模块和无线传输模块；在工作时间段内，采样模块和无线传输模块保持工作模式，采样模块的采样频率为第一采样频率；工作时间段的结束时刻，中继控制模块控制采样模块和无线传输模块返回睡眠模式；

所述的实时采样模式，中继控制模块唤醒采样模块和无线传输模块，中继控制模块控制采样模块和无线传输模块保持工作模式，实时接收中继控制系统的指令，采样模块中的传感器根据指令进行采样；

所述的自适应采样模式，中继控制模块中设定有第二唤醒周期，中继控制模块对监测数据进行分析，满足判定条件时，中继控制模块按第二唤醒周期控制采样模块和无线传输模块；

所述的连续采样模式，中继控制模块中设定有第三唤醒周期，中继控制模块按第三唤醒周期控制采样模块和无线传输模块，采样模块的采样频率为第二采样频率。

所述的自适应采样模式中，中继控制模块中对应的判定条件为：设置监测数据的阈值，当监测数据超出阈值时，所述的采样模块进入自适应采样模式。

所述的采样模块和中继控制模块中均设置有通讯协议模块，所述的通讯协议模块包括主通讯协议和备份通讯协议，当主通讯协议连续出现多次异常，则对应的模块发出警报，如果警报在约定好的时间内未被解除或者接受到覆盖命令，对应的模块启动备份通讯协议，使用备份通讯协议覆盖当前错误的主通讯协议，并记录当前错误的主通讯协议。

所述的无线采集系统的工作模式包括持续工作模式、断续工作模式和调试模式；

持续工作模式: 中继控制模块唤醒所有采样模块，采样模块进入并保持实时采样模式，采样模块中的底层控制模块控制其对应的所有的传感器进入工作模式；

底层控制系统的所有传感器运作，且传感器处于连续采样模式；

断续工作模式: 中继控制模块控制部分采样模块按定时采样模式工作，中继控制模块和云端处于工作状态。

调试模式:调试采样模块和中继控制模块、中继控制模块和云端备之间的网络链接。

本发明所述的的无线采集系统，通过第一无线传输模块实现采样模块与中继控制模块的连接，无线布线，从而避免通信线受损影响监测效果或引发地质灾害。

本发明所述的无线采集方法，通过设置睡眠模式和工作模式交替进行，降低了采样模块和无线传输模块的能量消耗，延长了采样模块和无线传输模块在野外现场的电源的工作时长，降低了工作人员的维护检修难度。

进一步的，本发明通过对无线采集系统和采样模块设置不同的工作模式，从而在保证低能耗的同时，兼顾监测的准确度和灵敏度，便于及时发现故障和灾害。

附图说明

图1为本发明的线采集系统的原理框图；

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

如图1所示，本发明所述的低功耗监测数据无线采集系统，包括现场机构、远程通讯模块和云端；

所述的现场机构沿包括中继控制模块、第一无线通讯模块、多个采样模块；

所述的采样模块包括多个传感器和底层控制模块；所述的传感器均与底层控制模块电连接；底层控制模块分别通过第一无线通讯模块与中继控制模块相连接，中继控制模块通过远程通讯模块与云端相连接。

所述的传感器用于监测数据；

所述的底层控制模块将监测数据打包并传输给中继控制模块；底层控制模块接收到中继控制模块的命令包，并将命令包进行解析，调整对传感器的控制模式；

所述的第一无线传输模块用于实现底层控制模块和中继控制模块的数据传输；

所述的中继控制模块将监测数据进行整理，分隔，并进行再一次封装，将封装后的数据传输给云端；中继控制模块接受云端指令包，将包体解析，获取需要修改的系统的编号，之后调度中继层控制命令，将命令包重新编译，然后传输给底层控制模块；

所述的云端用于对数据进行处理，给中继控制模块传输控制命令；

所述的远程无线传输模块用于实现中继控制模块与云端的数据传输。

本实施例中，所述的第一无线传输模块为WIFI模块或BLE模块，能够进行100m/1500m以内的无线通信。所述的远程无线传输模块采用GPRS模块或4GLTE模块。具体的，本实施例中，所述的第一无线传输模块采用TI CC3200/2541芯片。

如图2所示，所述的低功耗监测数据无线采集方法，包括以下步骤：

步骤一：低功耗监测数据无线采集系统初始化，配置工作参数：

步骤二：所述的采样模块和无线传输模块进入睡眠模式；

步骤三：所述的中继控制模块在唤醒预订条件下唤醒采样模块和无线传输模块；采样模块和无线传输模块进入工作模式；采样模块采集监测数据，并通过无线传输模块传输至中继控制模块；所述的中继控制模块在睡眠预订条件下控制采样模块和无线传输模块返回睡眠模式。所述的睡眠模式中，采样模块和无线传输模块保持低功耗状态。

本发明通过设置睡眠模式和工作模式交替进行，降低了采样模块和无线传输模块的能量消耗，延长了采样模块和无线传输模块在野外现场的工作时长，降低了工作人员的维护检修难度。

优选的，所述的步骤三中，根据不同的唤醒预定条件和睡眠预订条件，采样模块的采样模式包括定时采样模式、实时采样模式、自适应采样模式和连续采样模式；

所述的定时采样模式，中继控制模块中设定有第一唤醒周期，所述的第一唤醒周期包括睡眠时间段和工作时间段，睡眠时间段的结束时刻，中继控制模块唤醒采样模块和无线传输模块；在工作时间段内，采样模块和无线传输模块保持工作模式，采样模块的采样频率为第一采样频率；工作时间段的结束时刻，中继控制模块控制采样模块和无线传输模块返回睡眠模式；

所述的实时采样模式，中继控制模块唤醒采样模块和无线传输模块，中继控制模块控制采样模块和无线传输模块保持工作模式，实时接收中继控制系统的指令，采样模块中的传感器根据指令进行采样；

所述的自适应采样模式，中继控制模块中设定有第二唤醒周期，底层控制系统对监测数据进行分析，满足判定条件时，中继控制模块按第二唤醒周期控制采样模块和无线传输模块；

所述的连续采样模式，中继控制模块中设定有第三唤醒周期，底层控制系统对监测数据进行分析，满足判定条件时，中继控制模块按第三唤醒周期控制采样模块和无线传输模块，采样模块的采样频率为第二采样频率。

所述的自适应采样模式中，中继控制模块中对应的判定条件为：设置监测数据的阈值，当监测数据超出阈值时，所述的采样模块进入自适应采样模式。

所述的低功耗监测数据无线采集方法，所述的无线采集系统的工作模式包括持续工作模式、断续工作模式和调试模式；

持续工作模式: 中继控制模块唤醒所有采样模块，采样模块进入并保持实时采样模式，采样模块中的底层控制模块控制其对应的所有的传感器进入工作模式；

底层控制系统的所有传感器运作，且传感器处于连续采样模式；

断续工作模式: 中继控制模块控制部分采样模块按定时采样模式工作，中继控制模块和云端处于工作状态。

调试模式:调试采样模块和中继控制模块、中继控制模块和云端备之间的网络链接。

本发明的工作原理如下所示：首先安装传感器，安置于特定需要采样的地点，之后传感器引线接入对应的底层控制模块，对底层控制模块和传感器进行设备配置。

安装中继控制模块，中继控制模块安置于地势良好，环境良好，且位于第一无线通讯模块信号范围内的地点。

底层控制模块和中继控制模块设置完成后，完成现场调试作业以及测试作业，完成无线采集系统整机的对接。

无异常情况下，无线采集系统以断续工作模式的工作，采样模块按照定时采样模式进行工作；通过云端设置工作的采样模块的第一唤醒周期，以及第一唤醒周期内的采样频率，传感器在第一工作时间内按照一定的频率进行监测数据采集；底层控制模块利用第一无线传输模块件将监测数据，设备运行数据以及报警数据传给中继控制模块。由于不同的采样模块位于不同的地点，对于监测数据的要求不同，因此，采样模块的第一唤醒周期和第一唤醒周期内的采样频率需要分别进行设置，从而既能够实现对现场的监测，又能够节约能量，降低成本。

中继控制模块对接收到的监测数据，设备运行数据以及报警数据进行整合，根据需要回应采样模块，如果接受到云端数据，那么根据云端需要进行调整，获取到的监测数据采用云端上传。

采样模块按照断续工作模式一中继控制模块中设置有监测数据的阈值，当监测数据超出阈值时，中继控制模块控制对应的采样模块进入自适应采样模式，采样模块按照第二唤醒周期进行监测数据采集。通常情况下，第二唤醒周期的时长小于第一唤醒周期的时长，第二唤醒周期的工作时间段的时长大于第一唤醒周期的工作时间段；当监测数据超出阈值，则说明监测数据存在异常，外部环境可能出现突发的或剧烈的变化现象，那么开始进行自适应采样，自动提高工作时间段的频率，获取更加详细的参数，便于提前识别自然灾害。

在一些需要持续观察的环境，例如汛期洪水预警，地震之后的余震频发时间段，传感器定时采用模式所采集的监测数据数量少，频率低，识别灾害的时间长，精度低，因此，采样模块需要采集更多的数据。中继控制模块接收云端指令，控制采样模块进入连续采样模式，连续采样模式中，第三唤醒周期时长小于第二唤醒周期时长，且第三唤醒周期的工作时间段大于或等于第二唤醒周期的工作时间段，即第三唤醒周期的工作时间段出现的频率比第二唤醒周期工作时间段出现的频率时间更频繁，且在工作时间段内，采样频率为第二采样频率，第二采样频率大于第一采样频率，在很短的时间间隔进行采样，采集的数据也更多，短识别灾害所需时间。

在一些需要持续时刻观察的环境，如雷暴天气，采样模块进入持续工作模式， 在持续工作模式中继控制模块唤醒所有采样模块，采样模块进入并保持实时采样模式，采样模块中的底层控制模块控制其对应的所有的传感器进入工作模式，不在进入睡眠模式，从而对现场进行实时采样，便于即时发现灾害。

本发明通过对无线采集系统和采样模块设置不同的工作模式，从而在保证低能耗的同时，兼顾监测的准确度和灵敏度，便于及时发现故障和灾害。

云端可以通过远程无限传输模块，随时随地的下达控制命令，修改监测数据召测，调节唤醒周期和采样频率。

所述采样模块和中继控制模块、中继控制模块和云端之间传输的数据的数据帧包括包头、包体和校验字；

所述的包头携带通信控制指令，可以驱动下级设备进行配置改变，或者驱动下级设备进行行为的改变；

所述的包体携带通信数据，包体还包含监测数据或者密文加密过后的监测数据、传输过程的长度定义、加密定义或其他自定义用途；

所述的包尾包含校验字节。

在整个无线通信传输过程之中，可以根据数据的重要程度，对数据进行全部加密，或者部分加密，或者不加密。

所述的采样模块和中继控制模块中均设置有通讯协议模块，所述的通讯协议模块包括主通讯协议和备份通讯协议，当主通讯协议连续出现多次异常，则对应的模块发出警报，如果警报在约定好的时间内未被解除或者接受到覆盖命令，对应的模块启动备份通讯协议，使用备份通讯协议覆盖当前错误的主通讯协议，并记录当前错误的主通讯协议。

工作过程当中，无线采集系统具有简单的自我纠错能力，当上位机发现传输数据异常，或者单一采样单元异常时，可以要求采样单元上报错误，进行重新启动，初始化，如果问题严重，可以进行自我备份和纠错，或者采用备份通讯协议覆盖原有的通讯协议，用备份源代码覆盖原有的源代码，无线采集系统的异常主要是由于通讯协议异常导致的，因此，覆盖源代码与覆盖主通讯协议的目的通常是一致的。通过采样单元的重新启动、备份通讯协议覆盖主通讯协议或备份源代码覆盖原来的源代码，使得一些简单的错误无需工作人员现场检修，大大减少工作人员对无线采集系统的检修次数，减少检修的工作量。

Claims (4)

1.一种低功耗监测数据无线采集系统，其特征在于：包括现场机构、远程通讯模块和云端；

所述的现场机构沿包括中继控制模块、第一无线通讯模块、多个采样模块；

所述的采样模块包括多个传感器和底层控制模块；所述的传感器均与底层控制模块电连接；底层控制模块分别通过第一无线通讯模块与中继控制模块相连接，中继控制模块通过远程通讯模块与云端相连接；

低功耗监测数据无线采集系统执行以下步骤：

步骤一：低功耗监测数据无线采集系统初始化，配置工作参数：

步骤二：所述的采样模块和无线传输模块进入睡眠模式；

步骤三：所述的中继控制模块在唤醒预订条件下唤醒采样模块和无线传输模块；采样模块和无线传输模块进入工作模式；采样模块采集监测数据，并通过无线传输模块传输至中继控制模块；所述的中继控制模块在睡眠预订条件下控制采样模块和无线传输模块返回睡眠模式；

所述的步骤三中，根据不同的唤醒预定条件和睡眠预订条件，采样模块的采样模式包括定时采样模式、实时采样模式、自适应采样模式和连续采样模式；

所述的定时采样模式，中继控制模块中设定有第一唤醒周期，所述的第一唤醒周期包括睡眠时间段和工作时间段，睡眠时间段的结束时刻，中继控制模块唤醒采样模块和无线传输模块；在工作时间段内，采样模块和无线传输模块保持工作模式，采样模块的采样频率为第一采样频率；工作时间段的结束时刻，中继控制模块控制采样模块和无线传输模块返回睡眠模式；

所述的实时采样模式，中继控制模块唤醒采样模块和无线传输模块，中继控制模块控制采样模块和无线传输模块保持工作模式，实时接收中继控制系统的指令，采样模块中的传感器根据指令进行采样；

所述的自适应采样模式，中继控制模块中设定有第二唤醒周期，中继控制模块对监测数据进行分析，满足判定条件时，中继控制模块按第二唤醒周期控制采样模块和无线传输模块；

所述的连续采样模式，中继控制模块中设定有第三唤醒周期，中继控制模块按第三唤醒周期控制采样模块和无线传输模块，采样模块的采样频率为第二采样频率。

2.根据权利要求1所述的低功耗监测数据无线采集系统，其特征在于：所述的自适应采样模式中，中继控制模块中对应的判定条件为：设置监测数据的阈值，当监测数据超出阈值时，所述的采样模块进入自适应采样模式。

3.根据权利要求2所述的低功耗监测数据无线采集系统，其特征在于：所述的采样模块和中继控制模块中均设置有通讯协议模块，所述的通讯协议模块包括主通讯协议和备份通讯协议，当主通讯协议连续出现多次异常，则对应的模块发出警报，如果警报在约定好的时间内未被解除或者接受到覆盖命令，对应的模块启动备份通讯协议，使用备份通讯协议覆盖当前错误的主通讯协议，并记录当前错误的主通讯协议。

4.根据权利要求3所述的低功耗监测数据无线采集系统，其特征在于：所述的无线采集系统的工作模式包括持续工作模式、断续工作模式和调试模式；

持续工作模式: 中继控制模块唤醒所有采样模块，采样模块进入并保持实时采样模式，采样模块中的底层控制模块控制其对应的所有的传感器进入工作模式；

底层控制系统的所有传感器运作，且传感器处于连续采样模式；

断续工作模式: 中继控制模块控制部分采样模块按定时采样模式工作，中继控制模块和云端处于工作状态；

调试模式:调试采样模块和中继控制模块、中继控制模块和云端备之间的网络链接。

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