CN110647119A - 一种工业数据无线监测及融合系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业数据无线监测及融合系统，包括多个终端监测仪表、数据融合网关、数据控制中心以及数据显示中心，其中，终端监测仪表用于实时采集工业数据，并将采集的工业数据传输给数据融合网关或数据控制中心；数据融合网关则对接收或获取的工业数据进行融合处理，并将融合后的工业数据上传至数据控制中心；数据控制中心用于存储并分析融合后的工业数据，以实现工业数据的远程监测；数据显示中心用于显示来自数据控制中心分析后的工业数据。与现有技术相比，本发明的现场布线简单，利用终端监测仪表采集工业数据、基于无线传输数据，并在网关侧进行数据融合处理，实现了数据边缘侧的处理、数据传输的广域覆盖及远程监测。

Description

一种工业数据无线监测及融合系统

技术领域

本发明涉及工业自动化技术领域，尤其是涉及一种工业数据无线监测及融合系统。

背景技术

随着工业自动化水平的不断提高，工业仪表被广泛应用于工业生产中，通过实时监测工业设备的工作状态及工作环境，以提高企业生产效率和核心竞争力，当前传统的工业仪表都是离线的单一数据监测，不具备数据融合处理的功能，如在对厂房环境、仪表运转温度、设备工作电流等数据进行监测时，需要工作人员定时查看，一旦发生异常数据将无法及时进行处理。

总的来说，传统的工业数据监测主要存在以下问题：

不能够对同一区域或同一设备的多种参数进行监控，且多为本地数据显示；

对于多种参数的采集与监控，不能将数据在边缘侧或中端进行融合处理；

传输方式单一，大多只有一种传输方式或者传输距离有限；

监控仪表在现场部署安装的时候比较复杂，对现场环境要就较高，有时还需现场布线；

无法对突发异常状况进行及时的告警，容易造成不必要的损失。

中国专利CN102970278B提出了一种用于工业信息系统间处理和推送报警信息的系统，通过设置报警输入、数据融合、网络监测和信息推送等模块，基于以太网络，实现报警处理、网络监视以及工业信息系统之间的通讯，从而传递各种报警配置和数据，以共同完成数据的采集、融合、处理和推送一系列工作。但该专利仅通过以太网络传输数据，其传输距离有限、且现场安装复杂；此外，该专利解决的是独立的工业信息系统之间的数据传输问题，没有解决独立的工业信息系统内部工业数据的监测与融合。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工业数据无线监测及融合系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种工业数据无线监测及融合系统，包括多个终端监测仪表、数据融合网关、数据控制中心以及数据显示中心，所述终端监测仪表分别与数据融合网关的第一端、数据控制中心的第一端双向连接，所述数据融合网关的第二端与数据控制中心的第二端双向连接，所述数据控制中心的第三端与数据显示中心双向连接，所述终端监测仪表用于实时采集工业数据，并将采集的工业数据传输给数据融合网关或数据控制中心，所述工业数据包括工业环境数据、工业设备运行数据和工业设备电源数据；

所述数据融合网关用于接收或获取采集的工业数据、对工业数据进行融合处理，并将融合后的工业数据上传至数据控制中心；

所述数据控制中心用于存储并分析融合后的工业数据，以实现工业数据的远程监测；

所述数据显示中心用于显示来自数据控制中心分析后的工业数据。

进一步地，所述终端监测仪表设有内置备用电源、数据传感器、仪表通信单元、处理单元、按键、电源检测单元和液晶显示屏，所述仪表通信单元包括LoRa通信模块和WiFi通信模块，所述内置备用电源用于提供备用电能给数据传感器、仪表通信单元、处理单元、电源检测单元和液晶显示屏；

所述数据传感器与处理单元连接，以将采集的工业环境数据和工业设备运行数据传输给处理单元；

所述按键与处理单元连接，以设置工业环境数据报警阈值、工业设备运行数据报警阈值和数据通信模式；

所述电源检测单元与工业设备电源连接，以检测工业设备电源的工作状态，即工业设备电源数据；

所述电源检测单元与处理单元连接，以将工业设备电源数据传输给处理单元；

所述处理单元连接至仪表通信单元，以控制仪表通信单元传输采集的工业数据；

所述液晶显示屏与处理单元连接，用于本地显示采集的工业数据。

进一步地，所述终端监测仪表通过LoRa通信模块将采集的工业数据传输给数据融合网关，所述终端监测仪表通过WiFi通信模块将采集的工业数据传输给数据控制中心。

进一步地，所述LoRa通信模块包括依次连接的LoRa数据传输电路、功率放大电路、滤波电路和LoRa天线；

所述WiFi通信模块包括依次连接的WiFi数据传输电路和WiFi天线。

进一步地，所述终端监测仪表配置有设备ID，所述数据融合网关通过分时轮询设备ID的方式获取终端监测仪表采集的工业数据。

进一步地，所述数据融合网关包括主控芯片、网关电源、蓝牙单元、通讯接口、WiFi接收单元和LoRa接收单元，所述通讯接口包括485接口和232接口，所述网关电源与主控芯片连接，用于提供电能给主控芯片；

所述蓝牙单元与主控芯片双向连接，所述蓝牙单元内配置有数据融合处理参数；

所述通讯接口、WiFi接收单元和LoRa接收单元分别与主控芯片双向连接，以实现与终端监测仪表之间工业数据的传输；

所述主控芯片结合接收的工业数据以及数据融合处理参数，利用预设的工业数据融合算法进行工业数据融合处理，得到工业数据报警信息。

进一步地，所述数据控制中心包括相互连接的服务器和工业物联网平台，所述服务器用于接收并存储融合后的工业数据，并将融合后的工业数据发送给工业物联网平台；

所述工业物联网平台用于分析处理来自融合后的工业数据，并生成工业数据变化曲线、判断工业数据的异常，实现工业数据的远程监测。

进一步地，所述工业物联网平台为kepware工业物联网平台。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明通过设置数据融合网关，解决了在边缘侧对工业数据进行融合计算的问题，并结合数据融合处理参数和对应的融合算法，能够对工业数据的敏感参数进行融合分析及处理，从而产生相应的报警提示。

二、本发明在终端监测仪表上设置了LoRa和WiFi两种数据通信方式，且在数据融合网关设置了相应的接收单元，从而解决了工业数据传输距离有限、传输方式单一的问题，实现了工业数据监测的广域覆盖。

三、本发明结合工业物联网平台，以实现工业数据的远程监测及控制，此外，通过在终端监测仪表上设置备用电源及电源检测单元，进一步保证了工业数据监测的可靠性与及时性，结合数据融合网关对工业数据的融合处理，能够及时发现工业数据的异常情况，避免不必要的损失。

四、本发明采用无线的数据传输方式，且在无WiFi条件下，依然能够通过LoRa无线传输监测的工业数据，大大降低了现场布线的复杂程度。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明数据融合网关的架构示意图；

图3为实施例中将本发明应用于化工厂的系统结构示意图；

图4为实施例中终端温湿度监测仪表的结构示意图；

图5为实施例中终端监测仪表的工作流程示意图；

图6为实施例中数据融合网关的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种工业数据无线监测及融合系统，包括多个终端监测仪表、数据融合网关、数据控制中心以及数据显示中心，其中，终端监测仪表分别与数据融合网关的第一端、数据控制中心的第一端双向连接，数据融合网关的第二端与数据控制中心的第二端双向连接，数据控制中心的第三端与数据显示中心双向连接，

终端监测仪表用于实时采集工业数据，并将采集的工业数据传输给数据融合网关或数据控制中心，工业数据包括工业环境数据、工业设备运行数据和工业设备电源数据；

数据融合网关用于接收或获取采集的工业数据、对工业数据进行融合处理，并将融合后的工业数据上传至数据控制中心；

数据控制中心用于存储并分析融合后的工业数据，以实现工业数据的远程监测；

数据显示中心用于显示来自数据控制中心分析后的工业数据。

数据融合网关的架构示意如图2所示，包括主控芯片、网关电源、蓝牙单元、通讯接口、WiFi接收单元和LoRa接收单元，其中，通讯接口包括485接口和232接口，网关电源与主控芯片连接，用于提供电能给主控芯片；

蓝牙单元与主控芯片双向连接，且蓝牙单元内配置有数据融合处理参数；

通讯接口、WiFi接收单元和LoRa接收单元分别与主控芯片双向连接，以实现与终端监测仪表之间工业数据的传输；

主控芯片结合接收的工业数据以及数据融合处理参数，利用预设的工业数据融合算法进行工业数据融合处理，得到工业数据报警信息。

本实施例是在化工厂应用本发明的工业数据无线监测及融合系统，具体系统结构如图3所示，数据控制中心包括相互连接的服务器和工业物联网平台，服务器用于接收并存储融合后的工业数据，并将融合后的工业数据发送给工业物联网平台；

工业物联网平台用于分析处理来自融合后的工业数据，并生成工业数据变化曲线、判断工业数据的异常，实现工业数据的远程监测，实施例中的工业物联网平台采用kepware工业物联网平台；

终端监测仪表包括多台终端温湿度监测仪表、终端有害气体监测仪表和终端特殊物质监测仪表，该化工厂工业数据无线监测及融合系统可支持65535台终端仪表，终端监测仪表通过LoRa或WiFi将采集到的工业数据传输到数据融合网关，数据融合网关对工业数据进行融合处理，另一方面，数据融合网关内搭建特有协议，将工业数据上传至工业物联网平台kepware，以实现数据远程监测，并在后台对数据进行深度分析处理，在系统中，每台终端监测仪表均配置有设备ID，利用数据融合网关分时轮询设备ID可获取终端监测仪表采集的工业数据。

本实施例中终端温湿度监测仪表的结构如图4所示，终端温湿度监测仪表可实时监测环境的温度和湿度数据，并能通过液晶显示屏进行本地显示；

该终端温湿度监测仪表具有报警功能，能通过按键设置工业数据报警阈值；

该终端温湿度监测仪表集成LoRa和WiFi两种远距离无线通信方式，可将工业数据通过LoRa实时传输到数据融合网关侧进行融合分析，或者直接通过WiFi将数据传输到服务器，以满足客户不同场景的需求，具体的，采用的LoRa是工作在410～441MHz频段的LoRa扩频技术，空中传输速率可达19.2kbps，发射功率高达30dBm，传输距离实测可达到8km，LoRa工作温度符合-40℃～85℃的工业级要求，能够在复杂的环境中进行稳定工作；

采用的WiFi支持标准的IEEE802.11b/g/n协议和完整的TCP/IP协议栈，可以在AP与STA模式之间自由切换，WiFi的工作温度同样符合工业级的要求；

在有WiFi环境的厂区，该终端温湿度仪表通过WiFi直接将数据上传，WiFi支持AP和STA两种模式，可通过按键设置WiFi的模式，在AP模式下，可利用移动终端的APP配置WiFi的参数，配置完成后，WiFi自动重启并进入STA模式进行数据传输；

无线连接方式选择取决于监测仪表上次工作时的连接方式，若监测仪表上次电前工作在WiFi模式，则上电后，自动选择WiFi进行数据传输，否则会采用LoRa的方式进行传输；

该终端温湿度监测仪表还具有内置备用电源，以对监测仪表提供备用电源。当被监测物品需要恒温保存时，工业设备冰箱的稳定工作显得尤为重要，如化工厂的某些试剂需要恒温保存，如果试剂在非正常环境温度下超过2小时即会损坏。如果厂房电源出现意外情况导致冰箱长时间停止工作，则会给企业造成不可挽回的损失；而派人实时监控冰箱运作情况，则又会花费大量的人力。通过内置备用电源，在厂房电源断电的情况下，该监测仪表仍然可以通过LoRa进行数据传输，结合监测仪表内的电源检测单元，以实时监测厂房电源是否正常输入，如果厂房电源突然断开，则监测仪表会立刻将厂房电源数据上传至数据融合网关，数据融合网关则将该厂房电源数据信息第一时间传输到办公区的工作人员，以便工作人员对这一突发状况及时处理。

本实施例中终端监测仪表的工作流程如图5所示，包括以下步骤：

A1、终端监测仪表上电之后，通过按键可设置工业数据报警阈值，若不设置，则终端监测仪表保留并使用上次设置的工业数据报警阈值，否则保留新设置的工业数据报警阈值；

A2、通过按键继续选择无线传输方式，若选择WiFi模式，则终端监测仪表自动连接WiFi网络，若选择LoRa模式，则终端监测仪表直接通过LoRa进行工业数据传输；

A3、终端监测仪表实时采集工业环境数据、工业设备运行数据并检测工业设备电源数据，等待数据融合网关的分时查询指令；

A4、终端监测仪表将采集的工业数据上传至数据融合网关。

在本实施例化工厂的产品生产过程中，需要实时监测工业设备中的臭氧浓度与pH值，而这两种物质在不同的温度和湿度环境中，所需要的成分量是不同的。如果在不同的温湿度环境中，使用相同浓度的臭氧和固定的pH值，会极大地降低产品的合格率。所以这就需要对四种参数(温度、湿度、臭氧浓度、PH值)进行融合分析处理。本实施例中的终端温湿度监测仪表会实时监测工业设备的温湿度数据，并将这一数据通过LoRa上报到数据融合网关，同时数据融合网关会收集其他终端监测仪表上报的工业设备中的臭氧浓度与pH值。

当数据融合网关收集到这四种参数之后，会根据采集到的温湿度数据计算产品最合适的臭氧浓度与pH值，并将计算结果传输到客户的监测终端，从而指导产品的生产。融合处理算法中的重要参数通过数据融合网关内置的蓝牙进行配置，用以适应不同产品参数要求不同的场景。利用网关侧数据融合算法能够极大地提高产品的质量，从而提高企业的核心竞争力。本实施例中数据融合网关的工作流程具体如图6所示，包括以下步骤：

B1、数据融合网关实时收集设备内的实际臭氧浓度和PH值，若收集得到臭氧浓度和PH值的相关数据，则继续查询获取设备所处环境的温室度数据，否则继续收集获取设备内的实际臭氧浓度和PH值；

B2、若收集得到设备内的臭氧浓度和PH值，则结合预设的融合处理参数以及获取的温湿度数据，计算得到理想臭氧浓度和PH值；

B3、对比于理想臭氧浓度和PH值，判断实际臭氧浓度和PH值是否适合产品生产，若判断为是，则数据融合网关上报相关工业数据并提示当前生产环境良好，否则数据融合网关上报相关工业数据并提示当前生产环境不适合产品生产的报警提示。

其中，在步骤B1中继续收集获取设备内的实际臭氧浓度和PH值的获取次数阈值为K，当获取次数超过K时，数据融合网关会上报该终端检测仪表故障的报警信息，本实施例中，K＝3。

综上所述，本发明设计了一种广域覆盖的工业数据无线监测及融合系统，能够实现如下功能：

数据的实时采集与远距离的无线传输，摆脱了地域的限制，且支持LoRa和WiFi两种无线传输方式；

能够监测工业设备异常情况，并及时将这一异常上报，极大降低了设备异常工作造成的损失；

本系统在数据融合网关内实现多个协议，能够与工业物联网平台kepware实现无缝对接，数据可在后台进行分析处理，提高了数据背后所带来的价值；

在数据融合网关侧实现了数据融合处理，提高了对环境有特殊要求的产品的质量，降低了生产环节的风险。

这种广域覆盖的工业数据无线监测及融合系统的现场部署也十分简单，主要步骤如下：

1.部署生产检测所需的各类终端监测仪表，并根据现场情况设置终端监测仪表数据传输方式。

2.在厂区的合适位置(如一座厂区的中间)布置数据融合网关，并可利用户移动端APP配置现场WiFi；

3.在工业物联网平台端将终端监测仪表与其对应的区域进行绑定；

4.上电后，即可对工业数据进行实时监测、融合、分析及报警等处理。

Claims (8)

1.一种工业数据无线监测及融合系统，其特征在于，包括多个终端监测仪表、数据融合网关、数据控制中心以及数据显示中心，所述终端监测仪表分别与数据融合网关的第一端、数据控制中心的第一端双向连接，所述数据融合网关的第二端与数据控制中心的第二端双向连接，所述数据控制中心的第三端与数据显示中心双向连接，所述终端监测仪表用于实时采集工业数据，并将采集的工业数据传输给数据融合网关或数据控制中心，所述工业数据包括工业环境数据、工业设备运行数据和工业设备电源数据；

所述数据融合网关用于接收或获取采集的工业数据、对工业数据进行融合处理，并将融合后的工业数据上传至数据控制中心；

所述数据控制中心用于存储并分析融合后的工业数据，以实现工业数据的远程监测；

所述数据显示中心用于显示来自数据控制中心分析后的工业数据。

2.根据权利要求1所述的一种工业数据无线监测及融合系统，其特征在于，所述终端监测仪表设有内置备用电源、数据传感器、仪表通信单元、处理单元、按键、电源检测单元和液晶显示屏，所述仪表通信单元包括LoRa通信模块和WiFi通信模块，所述内置备用电源用于提供备用电能给数据传感器、仪表通信单元、处理单元、电源检测单元和液晶显示屏；

所述数据传感器与处理单元连接，以将采集的工业环境数据和工业设备运行数据传输给处理单元；

所述按键与处理单元连接，以设置工业环境数据报警阈值、工业设备运行数据报警阈值和数据通信模式；

所述电源检测单元与工业设备电源连接，以检测工业设备电源的工作状态，即工业设备电源数据；

所述电源检测单元与处理单元连接，以将工业设备电源数据传输给处理单元；

所述处理单元连接至仪表通信单元，以控制仪表通信单元传输采集的工业数据；

所述液晶显示屏与处理单元连接，用于本地显示采集的工业数据。

3.根据权利要求2所述的一种工业数据无线监测及融合系统，其特征在于，所述终端监测仪表通过LoRa通信模块将采集的工业数据传输给数据融合网关，所述终端监测仪表通过WiFi通信模块将采集的工业数据传输给数据控制中心。

4.根据权利要求2所述的一种工业数据无线监测及融合系统，其特征在于，所述LoRa通信模块包括依次连接的LoRa数据传输电路、功率放大电路、滤波电路和LoRa天线；

所述WiFi通信模块包括依次连接的WiFi数据传输电路和WiFi天线。

5.根据权利要求1所述的一种工业数据无线监测及融合系统，其特征在于，所述终端监测仪表配置有设备ID，所述数据融合网关通过分时轮询设备ID的方式获取终端监测仪表采集的工业数据。

6.根据权利要求1所述的一种工业数据无线监测及融合系统，其特征在于，所述数据融合网关包括主控芯片、网关电源、蓝牙单元、通讯接口、WiFi接收单元和LoRa接收单元，所述通讯接口包括485接口和232接口，所述网关电源与主控芯片连接，用于提供电能给主控芯片；

所述蓝牙单元与主控芯片双向连接，所述蓝牙单元内配置有数据融合处理参数；

所述通讯接口、WiFi接收单元和LoRa接收单元分别与主控芯片双向连接，以实现与终端监测仪表之间工业数据的传输；

所述主控芯片结合接收的工业数据以及数据融合处理参数，利用预设的工业数据融合算法进行工业数据融合处理，得到工业数据报警信息。

7.根据权利要求1所述的一种工业数据无线监测及融合系统，其特征在于，所述数据控制中心包括相互连接的服务器和工业物联网平台，所述服务器用于接收并存储融合后的工业数据，并将融合后的工业数据发送给工业物联网平台；

所述工业物联网平台用于分析处理来自融合后的工业数据，并生成工业数据变化曲线、判断工业数据的异常，实现工业数据的远程监测。

8.根据权利要求7所述的一种工业数据无线监测及融合系统，其特征在于，所述工业物联网平台为kepware工业物联网平台。

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