CN110597193A - 一种远程监测系统 - Google Patents

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吴泽枫
宋勇
陈飞翔
储亚东
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Abstract

本发明公开一种远程监测系统，包括感知层、网络层和应用层，所述感知层包括供电单元、主控制单元和子控制单元，其中，所述供电单元提供电源；所述主控制单元安装在河边，主要包括主控制器和NB‑IoT模块；所述子控制单元安装在可上下移动的滚珠丝杠上，主要包括子控制器。所述网络层包括物联网平台。所述应用层包括客户端和和移动终端。所述感知层与网络层基于LwM2M协议实现网络连接，网络层与应用层通过API接口实现数据交互。通过上述方案，管理人员通过PC和手机可实现(例如对河道水质)远程监测、传感器故障报警和远程设置监测参数等功能；该系统具有低功耗、低成本、稳定可靠的优点。

Description

一种远程监测系统
技术领域
本发明涉及生态环境保护领域，具体涉及一种远程监测系统。
背景技术
传统河道水质监测采集终端是安装在河水中某个固定的位置，虽然河水具有扩散性，但对于一些水环境复杂、水域较深、水流流速较慢的地方来说，一旦水环境遭遇污染，由于扩散速率不同，会导致河水的上中下层被污染程度不同，从而出现检测不准确、报警不及时、评估不全面的缺陷；同时，在污染物扩散后期，污染物很有可能会逐渐沉积并富集到水底，如果水质监测采集终端安装在河水的中上层，一旦污染物沉积到水中的下层，就会由于导致检测无污染而解除警报，这会严重破坏生态环境和威胁人们的生命安全。
河道水质采集终端一般安装在河道的拐角处、交汇处以及排污口，对于同一条河道一般有多处监测断面，传统的方法是对多个断面的水质状态数据进行同时采集，也就是各采集终端长时间都处于工作状态，这往往会增大功耗的损失和缩短各断面的硬件寿命。对于采集终端的传感器来说，由于长期工作会导致发生故障，针对传感器的故障检测，传统解决方法是当传感器没有返回数据时诊断为故障，如果只是以这种方式检测故障，往往会导致故障漏报的情况即传感器出现故障但数据超值却没被检测出故障。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
本发明的主要目的是克服现有技术的缺点，提供一种远程监测系统，采用API接口技术实现网络对接并进行数据交互，管理人员使用PC和手机作为终端可实现远程监测(例如应用于河道水质的远程监测)，系统可实现对河道水质状态的远程实时监测、超值报警、历史数据查询、河道水情记录、断面切换和传感器故障报警；同时还可远程调控主控制单元、子控制单元的监测参数或设置相关参数，方便管理人员即时关注水情，有效地防止江河湖泊的污染。
技术方案：本发明可采用以下技术方案：
一种远程监测系统，其特征在于：包括感知层、网络层和应用层，所述的感知层包括供电单元、主控制单元和子控制单元，所述供电单元为主控制单元和子控制单元提供电源；所述主控制单元包括主控制器、NB-IoT模块和警示灯，主控制器与NB-IoT模块通过串口通信；所述子控制单元包括子控制器、信号调理电路和采集终端，主控制单元与子控制单元通过RS485通信实现数据传输。所述网络层包括物联网平台；应用层包括客户端和移动终端；所述感知层与网络层基于LwM2M协议通过蜂窝网络建立数据传输通道，网络层与应用层通过API接口技术实现网络对接后进行数据交互，感知层中的供电单元与主控制单元和子控制单元相连，即供电单元、NB-IoT模块、警示灯、子控制器、信号调理电路、采集终端与主控制器相连。
所述的感知层中的供电单元包括太阳能电池板、太阳能控制器、太阳能蓄电池和降压模块。
进一步的，所述的采集终端包括温度传感器、PH传感器、水位传感器和溶解氧传感器，用于采集河道水质状态数据。
进一步的，采集终端采集河道水质状态数据后传输给信号调理电路进行信号除噪处理，再传输给子控制器进行AD转换，最终获取采集到的河道水质状态数据；所述的感知层中的子控制单元安装在可上下移动的滚珠丝杠上，通过周期性地对河水中垂直方向上的水质进行逐层巡航检测，获取河水中不同深度的水质状态信息。
进一步的，主控制单元安装在河边，其中，NB-IoT模块与主控制器通过串口连接；警示灯与主控制器通过IO口连接控制。
进一步的，所述的感知层由NB-IoT模块上报数据给网络层中的物联网平台时，感知层工作在PSW省电模式状态；当用户发送控制指令经物联网平台向感知层下发时，感知层工作在DRX不连续接收模式。
进一步的，所述的网络层物联网为OneNET中国移动物联网开放平台，该系统基于OneNET平台开发，OneNET平台依据时间顺序将蜂窝网络上传过来的河道水质状态数据经解析后存储起来使管理人员通过存储数据查看河道水质变化情况的历史记录，为河道的水情监测和分析提供数据支持。
进一步的，所述客户端为PC，移动终端为手机APP，管理人员通过PC和手机实现对河道水质状态的远程实时监测、超值报警、历史数据查询、河道水情记录、断面切换和传感器故障报警；同时远程调控主控制单元、子控制单元的监测参数，方便管理人员即时关注水情；即管理人员通过管理软件自由设置感知层的数据采集频率，并使感知层的主控制单元和子控制单元在不采集数据的时间段中工作在休眠模式；同时，对于同一河流多个断面的监测，管理人员在管理软件设置一个采集周期，在监测数据正常的情况下只有一个断面值班并上报监测数据，然后使得多个河道断面依序轮流值班循环上报数据，只有当某个断面监测数据出现异常时，才使得所有断面同时工作并上报监测数据，以便进一步定位污染源和跟踪受污情况。
进一步的，所述的应用层的传感器故障报警功能是指感知层可以自动检测采集终端中的传感器是否出现故障，若故障，自动发送故障信息到应用层上进行传感器故障报警；传感器故障报警原理在于当某个河道断面中的某个传感器采集回来的数据一直处于超值报警状态并且不发生变化，同时，该断面的其他传感器参数却保持基本不变，并且其上下断面即相邻断面的所有河道水质状态数据都处于正常无明显变化时，通过综合所有断面数据分析判断出该断面的传感器出现故障。
进一步的，主控制器选用STM32单片机、51单片机或Arduino单片机；子控制器选用STM32单片机、51单片机或Arduino单片机；物联网平台选用OneNET中国移动物联网开放平台、中国电信IoT平台或华清IoT平台。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有下列有益效果：支持管理人员通过使用PC和手机实现对河道水质状态的远程实时监测、超值报警、历史数据查询、河道水情记录、断面切换和传感器故障报警；同时还可远程调控主控制单元、子控制单元的监测参数，方便管理人员即时关注水情。通过让感知层在PSW省电模式和DRX不连续接收模式下工作，可大大降低感知层硬件的功耗和延长其使用寿命；通过感知层中的主控制单元和子控制单元设计，可以保证数据长距离传输的可靠性和稳定性；通过将感知层中的子控制单元安装在可上下移动的滚珠丝杠上，周期性地对河水中垂直方向上的水质进行逐层巡航检测，获取河水中不同深度的水质状态信息，解决了由于污染物在河水中扩散不均匀使得河水不同深度的水污染情况不同，造成对河水水质的检测和评估污染程度不准确的难题，上下移动子控制单元对河水进行巡航检测可大大提高河水检测的准确性和可靠性；通过在应用层中设置采集频率，使得多个断面间断工作，其他时间都处于休眠模式；进一步，通过设置较大的采集周期，使得同一河道的多个断面依序轮流循环上报数据，可大大降低系统功耗，延长硬件的使用寿命；通过综合多个断面的数据分析，实现传感器故障报警，解决管理人员到现场对传感器进行反复检查确定的麻烦，既防止误报，又能及时更换传感器，极大地提高了便利性；通过在感知层设置警示灯，一旦有人排污，现场警示灯会立即双闪警告，对排污者起到警示和威慑的作用，使其终止该违法行为，并且过路群众也可选择报警处理；该系统不仅具有优秀的交互性，并且具有低功耗、低成本、广覆盖、大连接、运行稳定可靠的优点；同时可大大减少管理人员(如河长)的巡航工作强度并提高监测效率，对江河湖泊的生态保护具有极高的应用和推广价值。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1所示，一种远程监测系统，包括感知层、网络层和应用层，所述的感知层包括供电单元、主控制单元和子控制单元，感知层在PSW省电模式和DRX不连续接收模式下工作，可大大降低感知层硬件的功耗和延长其使用寿命，其中，所述供电单元包括太阳能电池板、太阳能控制器、太阳能蓄电池和降压模块，为主控制单元和子控制单元提供电源；所述主控制单元包括STM32单片机主控制器、NB-IoT模块和警示灯，主控制单元安装在河边，其中，STM32单片机主控制器与NB-IoT模块通过串口通信；所述子控制单元包括STM32单片机子控制器、信号调理电路和采集终端，子控制单元安装在可上下移动的滚珠丝杠上，通过周期性地对河水中垂直方向上的水质进行逐层巡航检测，提高河水检测的准确性和可靠性，其中，主控制单元与子控制单元通过RS485通信实现数据传输。所述网络层包括OneNET中国移动物联网开放平台。所述客户端为PC，移动终端为手机APP。所述感知层与网络层基于LwM2M协议通过蜂窝网络建立数据传输通道，网络层与应用层通过API接口技术实现网络对接后进行数据交互，感知层中的供电单元与主控制单元和子控制单元相连，即供电单元、NB-IoT模块、警示灯、STM32单片机子控制器、信号调理电路、采集终端与STM32单片机主控制器相连。
在系统运行时，感知层中的子控制单元通过各种传感器采集河道水质的状态数据后，STM32单片机子控制器将这些数据通过RS485通信传输给主控制单元中的STM32单片机主控制器，STM32单片机主控制器基于LwM2M协议将采集到的河道水质状态数据经NB-IoT模块经蜂窝网络上传到Internet上，再由Internet上传到网络层中的OneNET中国移动物联网开放平台(简称OneNET平台)，OneNET平台依据时间顺序将蜂窝网络上传过来的河道水质状态数据经解析后自动存储起来，然后利用API接口技术，管理人员通过PC和手机实现远程访问OneNET平台获取河道水质的状态信息，进一步，管理人员根据这些数据实现对河道水质状态的远程实时监测、超值报警、历史数据查询、河道水情记录、断面切换和传感器故障报警，有效做好河道污染防治；同时还可远程调控主控制单元、子控制单元的监测参数或设置相关参数，方便管理人员即时关注水情。即管理人员可通过应用层中的客户端和移动终端来设置感知层中各传感器的采集频率以及较大的采集周期，从而降低系统功耗，延长硬件使用寿命。
所述的感知层中的供电单元是由太阳能电池板、太阳能控制器、太阳能蓄电池和降压模块组成，它们用于给主控制单元和子控制单元供电。首先，太阳能电池板将光能转换成电能，然后由太阳能控制器稳定电流电压后将电能存储到12V的太阳能蓄电池中，进一步用降压模块将太阳能蓄电池12V电压降压成3.3V给主控单元和子控单元进行供电。通过使用太阳能供电能保证系统的正常运行，无需外接电源，使用方便。
所述的采集终端是由温度传感器、PH传感器、水位传感器和溶解氧传感器等组成，它们用于采集河道水质状态数据。温度、PH、水位和溶解氧等是检测河道水质的几项重要指标，也是衡量河道水质生态环境的主要参数。其中，温度传感器采用DS18B20数字式温度传感器，通过单总线通信方式将采集的数字信号直接传输给STM32单片机子控制器；PH传感器、水位传感器和溶解氧传感器分别采用在线污水PH电极、投入式水位计和JYD-2溶解氧电极，它们将采集回来的模拟信号通过信号调理电路进行信号调整，然后传输给STM32单片机子控制器的AD模块进行转换，最后获取河道中PH、水位和溶解氧的数据，采集过程简单方便。
所述的感知层中的子控制单元安装在可上下移动的滚珠丝杠上，整个子控制单元周期性地对河水中垂直方向上的水质进行逐层巡航检测，以便获取河水中不同深度的水质状态信息，解决了由于污染物在河水中扩散不均匀使得河水不同深度的水污染情况不同，造成对河水水质的检测和评估污染程度不准确的难题。通过上下移动子控制单元对河水进行巡航检测可大大提高河水检测的准确性和可靠性。
所述的感知层中的主控制单元包括STM32单片机主控制器、NB-IoT模块和警示灯，主控制单元安装在河边，其中，NB-IoT模块与STM32单片机主控制器通过串口连接，简单方便，板间传输可靠；警示灯与STM32单片机主控制器通过IO口连接控制，控制容易。
所述的感知层中的警示灯有现场报警功能，通过在现场显眼的位置设置警示灯，当某河道断面监测数据发生异常时，现场警示灯会立即双闪警告，对排污者起到警示和威慑的作用，使其终止该违法行为，并且过路群众也可选择报警处理；解除异常后，警示灯关闭。
所述的感知层中的主控制单元和子控制单元通过RS485通信获取采集到河道水质状态数据后，主控制单元中的STM32单片机主控制器基于LwM2M协议经NB-IoT模块通过蜂窝网络将数据发送到网络层(OneNET平台)上。通过主控制单元和子控制单元的设计能够解决数据长距离传输的不可靠性和不稳定性，利用RS485通信使得主控制单元和子控制
所述网络层由OneNET中国移动物联网开放平台组成，首先，需要在该云平台上创建产品和设备，并将NB-IoT模块对应唯一的IMEI号(International Mobile EquipmentIdentity，国际移动设备识别码)进行绑定，然后感知层中的NB-IoT模块基于LwM2M协议通过AT指令连接该云平台，连接成功后，网络层中的OneNET平台便会显示NB-IoT登录成功，这时，感知层便可进行数据的上报，网络层的OneNET平台接收到数据后通过解析便会自动进行存储，方便了管理人员日后查看河道水质变化情况的历史记录；同时，OneNET平台可对感知层发送下行控制指令，感知层中的NB-IoT模块经指令解析后执行控制命令。当感知层进行数据上报时，感知层工作在PSW省电模式状态；当网络层对感知层进行数据下行控制时，感知层工作在DRX不连续接收模式。通过让感知层在PSW和DRX两种省电模式下工作，可大大降低感知层硬件的功耗和延长其使用寿命。
所述客户端为PC，移动终端为手机APP，管理人员可以通过PC和手机实现对河道水质状态的远程实时监测、超值报警、历史数据查询、河道水情记录、断面切换和传感器故障报警；同时还可远程调控主控制单元、子控制单元的监测参数或设置相关参数，方便管理人员即时关注水情。首先，采用API接口技术实现网络对接后进行数据交互，PC和作为OneNET平台的客户端，通过创建Socket客户端主动连接OneNET平台并进入登录界面，完成登录后，通过数据交互实时查看河道水质的变化情况等功能。另外，管理人员可对感知层发出控制指令，首先，管理人员在管理软件中完成相关参数设置后，PC或手机将控制指令发送到网络层的OneNET平台中，然后再通过网络下发到感知层执行；具体来说，管理人员可通过管理软件自由设置感知层的数据采集频率，并使感知层的主控制单元和子控制单元在不采集数据的时间段中工作在休眠模式；同时，对于同一河流多个断面的监测，管理人员可以在管理软件设置一个较大的采集周期，在监测数据正常的情况下只有一个断面值班并上报监测数据，然后使得多个河道断面依序轮流值班循环上报数据，只有当某个断面监测数据出现异常时，才使得所有断面同时工作上报监测数据，以便进一步定位污染源和跟踪受污情况。通过设置采集频率和较大的采集周期，可以进一步降低系统功耗，大大延长硬件的使用寿命。
所述的应用层的传感器故障报警功能是指感知层可以自动检测采集终端中的传感器是否出现故障，若传感器发生故障，感知层将自动发送故障信息到应用层上进行传感器故障报警。传感器故障报警原理在于当某个河道断面中的某个传感器采集回来的数据一直处于超值报警状态并且不发生变化，同时，该断面的其他传感器参数却保持基本不变，并且其上下断面(即相邻断面)的所有河道水质状态数据都处于正常无明显变化时，通过综合所有断面数据分析，可判断出该断面的传感器出现故障。通过传感器故障报警，管理人员可以很快地获知传感器出现故障并及时更换，无需到现场反复检查确定，既防止误报，又极大提高了便利性。
最后所应说明的是，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精髓和范围，这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种远程监测系统，其特征在于：包括感知层、网络层和应用层，所述的感知层包括供电单元、主控制单元和子控制单元，所述供电单元为主控制单元和子控制单元提供电源；所述主控制单元包括主控制器、NB-IoT模块和警示灯，主控制器与NB-IoT模块通过串口通信；所述子控制单元包括子控制器、信号调理电路和采集终端，主控制单元与子控制单元通过RS485通信实现数据传输；所述网络层包括物联网平台；应用层包括客户端和移动终端；所述感知层与网络层基于LwM2M协议通过蜂窝网络建立数据传输通道，网络层与应用层通过API接口技术实现网络对接后进行数据交互，感知层中的供电单元与主控制单元和子控制单元相连，即供电单元、NB-IoT模块、警示灯、子控制器、信号调理电路、采集终端与主控制器相连。
2.根据权利要求1所述的远程监测系统，其特征在于：所述的感知层中的供电单元包括太阳能电池板、太阳能控制器、太阳能蓄电池和降压模块。
3.根据权利要求1所述的一种远程监测系统，其特征在于：所述的采集终端包括温度传感器、PH传感器、水位传感器和溶解氧传感器，用于采集河道水质状态数据。
4.根据权利要求1所述的一种远程监测系统，其特征在于：采集终端采集河道水质状态数据后传输给信号调理电路进行信号除噪处理，再传输给子控制器进行AD转换，最终获取采集到的河道水质状态数据；所述的感知层中的子控制单元安装在可上下移动的滚珠丝杠上，通过周期性地对河水中垂直方向上的水质进行逐层巡航检测，获取河水中不同深度的水质状态信息。
5.根据权利要求1所述的远程监测系统，其特征在于：主控制单元安装在河边，其中，NB-IoT模块与主控制器通过串口连接；警示灯与主控制器通过IO口连接控制。
6.根据权利要求1所述的一种远程监测系统，其特征在于：所述的感知层由NB-IoT模块上报数据给网络层中的物联网平台时，感知层工作在PSW省电模式状态；当用户发送控制指令经物联网平台向感知层下发时，感知层工作在DRX不连续接收模式。
7.根据权利要求1所述的远程监测系统，其特征在于：所述的网络层物联网为OneNET中国移动物联网开放平台，该系统基于OneNET平台开发，OneNET平台依据时间顺序将蜂窝网络上传过来的河道水质状态数据经解析后存储起来使管理人员通过存储数据查看河道水质变化情况的历史记录，为河道的水情监测和分析提供数据支持。
8.根据权利要求1所述的远程监测系统，其特征在于：所述客户端为PC，移动终端为手机APP，管理人员通过PC和手机实现对河道水质状态的远程实时监测、超值报警、历史数据查询、河道水情记录、断面切换和传感器故障报警；同时远程调控主控制单元、子控制单元的监测参数，方便管理人员即时关注水情；即管理人员通过管理软件自由设置感知层的数据采集频率，并使感知层的主控制单元和子控制单元在不采集数据的时间段中工作在休眠模式；同时，对于同一河流多个断面的监测，管理人员在管理软件设置一个采集周期，在监测数据正常的情况下只有一个断面值班并上报监测数据，然后使得多个河道断面依序轮流值班循环上报数据，只有当某个断面监测数据出现异常时，才使得所有断面同时工作并上报监测数据，以便进一步定位污染源和跟踪受污情况。
9.根据权利要求8所述的远程监测系统，其特征在于：所述的应用层的传感器故障报警功能是指感知层可以自动检测采集终端中的传感器是否出现故障，若故障，自动发送故障信息到应用层上进行传感器故障报警；传感器故障报警原理在于当某个河道断面中的某个传感器采集回来的数据一直处于超值报警状态并且不发生变化，同时，该断面的其他传感器参数却保持基本不变，并且其上下断面即相邻断面的所有河道水质状态数据都处于正常无明显变化时，通过综合所有断面数据分析判断出该断面的传感器出现故障。
10.根据权利要求1所述的远程监测系统，其特征在于：主控制器选用STM32单片机、51单片机或Arduino单片机；子控制器选用STM32单片机、51单片机或Arduino单片机；物联网平台选用OneNET中国移动物联网开放平台、中国电信IoT平台或华清IoT平台。
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