CN111103403B - 一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统及方法 - Google Patents

一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统及方法，气体交叉干扰修正系统包括云平台、若干个现场通信主机、若干个分布式监测终端；云平台通过TCP/IP或者UDP协议与若干个现场通信主机网络连接；一个现场通信主机与多个分布式监测终端通过有线或无线局域网连接；分布式监测终端包括虚拟分布式监测终端、现场分布式监测终端；现场分布式监测终端是部署在监测点附近的气体监测设备；虚拟分布式监测终端是其所属的现场通信主机虚拟出来的。气体交叉干扰修正方法包括以下步骤：S1、现场分布式监测终端上电和初始化；S2、现场通信主机上电和初始化；S3、气体采集和检测；S4、交叉干扰修正；S5、实时修正和上传至云平台；S6、系统校准。

Description

一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统及方法
技术领域
本发明涉及环境保护领域，尤其涉及一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统及方法。
背景技术
在通常的大气环境监测领域，气体传感器在进行气体检测时总会有不同程度的交叉干扰出现，具体表现为当一种气体传感器在检测该特定气体的含量时，其他种类气体的存在会导致该气体传感器检测数据发生偏差，最终导致检测准确度降低。
通常的解决办法是通过设备监测的几种不同气体类型的数据与当前检测的气体数据进行修正计算，消除或者减少交叉干扰，这种方法很有效，但是不同的系统拓扑结构，执行效率有所不同，响应时间也不同，交叉干扰参数也随着不同区域的大气环境变化而有所不同。另外，当前对气体交叉干扰的处理仅仅局限于某一个设备中，如果该设备监测气体种类比较少，会导致该设备无法消除其他气体的交叉干扰影响，严重影响了大气环境监测中气体监测数据的准确性。
发明内容
本发明目的是针对上述问题，提供一种利用分布式网络解决大气环境监测中气体交叉干扰影响监测数据准确性的气体交叉干扰修正系统及方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统，包括云平台、若干个现场通信主机、若干个分布式监测终端；所述云平台通过TCP/IP或者UDP协议与若干个现场通信主机网络连接并将现场通信主机传输过来的监测数据进行接入、分析、展示和存储；所述若干个现场通信主机均布置在不同的监测点，一个现场通信主机与多个分布式监测终端通过有线或无线局域网连接并将分布式监测终端传输过来的监测数据传输给云平台；所述分布式监测终端包括虚拟分布式监测终端、现场分布式监测终端；现场分布式监测终端是部署在监测点附近的气体监测设备，用于实时采集监测点附近的特定气体含量并通过有线或者无线局域网与其他分布式监测终端、现场通信主机进行数据交互；虚拟分布式监测终端是其所属的现场通信主机虚拟出来的，其采集的数据为现场通信主机通过广域网从云平台获取的附近分布式监测终端测得的特定气体数据，用于参与气体交叉干扰计算。
进一步的，所述现场通信主机与分布式监测终端通过RS485总线、WiFi、蓝牙、Lora、或ZigBee通信连接。
进一步的，所述虚拟分布式监测终端，是指现场通信主机根据其局域网内现场分布式监测终端监测的气体类型和所需的交叉干扰气体类型，确定该现场通信主机局域网内的分布式监测终端进行气体交叉干扰修正所缺少的气体类型数据，然后从云平台获取附近其他现场通信主机局域网内分布式监测终端采集的对应气体数据，最后虚拟化为虚拟分布式监测终端，其用于为现场分布式监测终端提供交叉干扰修正所需的气体数据。
一种气体交叉干扰修正方法，包括以下步骤：
S1、现场分布式监测终端上电和初始化；现场分布式监测终端上电后，首先从非易失存储中读取其所监测的气体类型、干扰气体类型及对应的气体交叉干扰参数，然后将其作为初始化参数，开始在局域网中进行传输；
S2、现场通信主机上电和初始化；现场通信主机上电后，实时监测其局域网内每个分布式监测终端的传输数据，并得到该局域网中进行交叉干扰计算所缺少的气体种类，然后从云平台获取对应的气体数据，并虚拟出对应缺少气体的虚拟分布式监测终端；
S3、气体采集和检测；每个分布式监测终端，开始对监测点的气体数据进行采集和检测，并将得到的气体数据在局域网中进行传输，同时接收局域网中其他分布式监测终端的传输数据；
S4、交叉干扰修正；每个现场分布式监测终端通过交叉干扰修正公式对实时采集的气体数据进行交叉干扰修正，得到交叉干扰修正的气体数据并传输给其所属局域网内的现场通信主机；
S5、实时修正和上传至云平台；随着气体交叉干扰修正系统持续运行，现场通信主机将不断获取经过交叉干扰修正的气体数据，并传送到云平台；
S6、系统校准；气体交叉干扰修正系统正常运行后，在每个监测点附近使用标准设备对现场分布式监测终端进行校准，将气体交叉干扰参数进行特定环境下的修正。
进一步的，所述步骤S1中现场分布式监测从非易失存储中读取的气体交叉干扰参数是现场分布式监测终端在进行气体传感器校准时写入的预设参数，该预设参数是气体传感器对特定浓度的气体检测后得到的通用经验值；当气体交叉干扰修正系统正常运行后，将与标准设备读数进行比对，并修正气体交叉干扰参数，最终可实现交叉干扰参数在不同地区或者大气环境下的校准。
进一步的，所述步骤S2中虚拟分布式监测终端是由现场通信主机模拟现场分布式监测终端的数据通信协议，在现场通信主机程序中设计的软件模块，该软件模块可从云平台获取监测点附近的气体数据作为该虚拟终端的检测数据，并通过局域网传输给其他分布式监测终端使用。
进一步的，所述步骤S3中分布式监测终端在局域网内传输和接收数据采用分时复用信道实现实时效果。
进一步的，所述步骤S4中交叉干扰修正公式为：
a0＝(b*k1+b1)+(c*k2+b2)+a；
其中，a为当前现场分布式监测终端采集的气体含量数据；B、C为，(k1，b1)、(k2，b2)分别为不同干扰气体B、C所对应的气体交叉干扰参数，b、c分别为不同干扰气体B、C所对应的气体含量数据，a0为经过交叉干扰修正后的气体数据。
进一步的，所述步骤S4中当现场通信主机监测到某个现场分布式监测终端出现故障时，现场通信主机自动生成该故障现场分布式监测终端的虚拟分布式监测终端，并在该故障现场分布式监测终端恢复正常后，注销该虚拟分布式监测终端。
进一步的，所述步骤S6中使用标准设备对现场分布式监测终端的气体交叉干扰参数进行校准时，通过比对气体交叉干扰修正系统长时间运行时，标准设备采集的气体数据曲线和监测点的现场分布式监测终端采集的气体数据曲线，根据每种气体的特点微调既定的气体交叉干扰参数，逐步提高气体交叉干扰修正系统对气体交叉干扰修正的准确性。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
1、实时性高；通过多级分布式网络，每个现场分布式监测终端可独立修正其所监测的气体数据，并通过现场通信主机实时将数据上传到云平台，可实现更快速的对监测点气体数据进行响应。
2、气体修正种类全面；通过多级网络获取监测点附近必要的气体数据，用于现场分布式监测终端的气体交叉干扰计算，弥补了监测气体种类较少的监测设备的固有缺陷，同时可以通过两个相邻监测点使用一个多种类气体监测终端，在一定程度上减少了系统部署成本。
3、系统稳定性高；当监测点有现场分布式监测终端故障时，现场通信主机可通过虚拟终端的方式在局域网中补齐该监测点气体的监测数据，避免系统监测数据出现较大的偏差。
4、干扰修正准确性高；本发明可通过与标准设备对比，持续修正交叉干扰参数，实现较高准确度的气体交叉干扰修正操作，提高了大气环境监测中气体检测数据的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为气体交叉干扰修正系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本实施例提出了一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统及方法，其可以最大程度保障监测点气体数据测量的实时性和准确性。
所述基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统(简称系统)，由三级设备组成：主要包括云平台、多个现场通信主机、多个分布式监测终端(如图1所不)。
一般一个现场通信主机及其所管理的多个分布式监测终端，部署在某一个监测点。
所述云平台，主要用于连接和管理系统中所有的现场通信主机，对系统中的监测数据进行接入、分析、展示和存储。
所述现场通信主机(简称通信主机)，主要用于连接和管理特定监测点附近的所有分布式监测终端，并可通过TCP/IP或者UDP协议接入广域网，连接到系统云平台进行数据交互。另外，通信主机可根据其管理的监测终端子节点的种类，对缺少的部分必要气体种类进行虚拟化，从云平台获取距离该监测点较近的这些气体的数据，形成虚拟监测终端，并通过有线或者无线局域网与其他监测终端进行数据交互。
所述分布式监测终端(简称监测终端)，包括两种类型：虚拟分布式监测终端(简称虚拟监测终端)、现场分布式监测终端(简称现场监测终端)；虚拟分布式监测终端是其所属的现场通信主机虚拟出来的，是现场通信主机通过广域网从云平台获取的附近其他监测设备测得的特定气体数据，用于参与交叉干扰计算。现场分布式监测终端是部署在监测点附近的气体监测设备，可实时采集监测点附近的特定气体含量，并通过有线或者无线局域网与附近的监测终端、通信主机进行数据交互。
其中，所述有线或者无线局域网，通常为RS485总线、WiFi、蓝牙、Lora、ZigBee等通信方式，可通过传输或者分时单播方式在所有分布式网络设备之间进行数据通信。
所述通信主机的虚拟监测终端，是指通信主机根据其现场监测终端子节点监测的气体类型和所需的交叉干扰气体类型，确定该通信主机所管理的分布式监测终端进行气体交叉干扰修正所缺少的气体类型的数据，从云平台端获取附近其他通信主机下的监测终端采集的对应气体数据，虚拟化为虚拟分布式监测终端，用于为其他现场分布式监测终端提供交叉干扰修正所需的气体数据。
所述气体交叉干扰修正方法的步骤如下：
(1)监测终端上电和初始化：现场监测终端上电后，首先从非易失存储中读取其所监测的气体类型、干扰气体类型及对应的干扰参数(如，干扰气体类型I为B，干扰参数为(k1，b1)；干扰气体类型II为C，干扰参数为(k2，b2))，然后将其作为初始化参数，开始在局域网中进行传输。
(2)通信主机上电和初始化：通信主机上电后，实时监测其管理的每个监测终端的传输数据，并得到在由该主机和其管理的终端组成的局域网中，进行交叉干扰计算所缺少的气体种类。然后虚拟出对应缺少气体的虚拟监测终端，并从云平台获取对应的气体数据。
(3)气体采集和检测：每个监测终端，开始对监测点的气体数据进行采集和检测，并将得到的气体数据在局域网中进行传输，同时接收局域网中其他监测终端的传输数据。
(4)交叉干扰修正：每个现场监测终端，实时对最新采集的气体数据进行交叉干扰修正，公式如下，若当前终端采集的气体类型为A，采集的气体含量数据为a，其干扰气体分别为B、C，对应的干扰参数分别为(k1，b1)、(k2，b2)，局域网中气体B、C对应的气体含量数据分别为b、c，则当前终端经过修正后的气体数据为a0＝(b*k1+b1)+(c*k2+b2)+a；
(5)实时修正和上传至云平台：随着系统持续运行，通信主机将不断获取最新的经过交叉干扰修正的气体数据，并传送到云平台。
(6)系统校准：系统正常运行后，需要在每个监测点附近使用标准设备对监测终端进行校准，将干扰参数进行特定环境下的修正。
步骤(1)中，所述从监测终端非易失存储中读取的预设参数，是监测终端在进行气体传感器校准时写入的，该参数是传感器通过对特定浓度的气体检测得到的通用经验值；当系统在正常运行后，可与附近的标准设备读数进行比对，并修正气体交叉干扰参数，最终可实现交叉干扰参数在不同地区或者大气环境下的校准。
步骤(2)中，所述虚拟监测终端，是由通信主机模拟现场监测终端的数据通信协议，在通信主机程序中设计的软件模块，该模块可从云平台获取监测点附近的气体数据，作为该虚拟终端的检测数据，通过局域网通信提供给其他监测终端使用(主要用于交叉干扰的计算)。
步骤(3)中，所述传输和接收，可根据局域网类型，通过分时复用信道或其他技术手段实现相对实时的效果。
步骤(4)中，所述交叉干扰修正计算公式，在系统运行初期是不够准确的，因为不同地区、不同的气候环境，气体交叉干扰参数均有所不同，该步骤中得到的气体交叉干扰修正数据只是在实验室理想环境下准确，因此需要步骤(6)进行系统校准和交叉干扰参数的修正。
步骤(4)中，当通信主机监测到某个监测终端故障时，通信主机自动生成该故障设备的虚拟终端，并在设备恢复正常后，注销该虚拟终端。
步骤(6)中，所述将干扰参数进行修正，主要是通过比对系统长时间运行时，标准设备采集的气体数据曲线和监测点的监测终端采集的气体数据曲线，根据每种气体的特点及相关经验，微调既定的干扰参数，逐步提高系统交叉干扰修正的准确性。
本发明具有以下效果：
1、实时性高；通过多级分布式网络，每个现场分布式监测终端可独立修正其所监测的气体数据，并通过现场通信主机实时将数据上传到云平台，可实现更快速的对监测点气体数据进行响应。
2、气体修正种类全面；通过多级网络获取监测点附近必要的气体数据，用于现场分布式监测终端的气体交叉干扰计算，弥补了监测气体种类较少的监测设备的固有缺陷，同时可以通过两个相邻监测点使用一个多种类气体监测终端，在一定程度上减少了系统部署成本。
3、系统稳定性高；当监测点有现场分布式监测终端故障时，现场通信主机可通过虚拟终端的方式在局域网中补齐该监测点气体的监测数据，避免系统监测数据出现较大的偏差。
4、干扰修正准确性高；本发明可通过与标准设备对比，持续修正交叉干扰参数，实现较高准确度的气体交叉干扰修正操作，提高了大气环境监测中气体检测数据的准确性。

Claims (7)

1.一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统的方法，其特征在于：所述气体交叉干扰修正系统包括云平台、若干个现场通信主机、若干个分布式监测终端；所述云平台通过TCP/IP或者UDP协议与若干个现场通信主机网络连接并将现场通信主机传输过来的监测数据进行接入、分析、展示和存储；所述若干个现场通信主机均布置在不同的监测点，一个现场通信主机与多个分布式监测终端通过有线或无线局域网连接并将分布式监测终端传输过来的监测数据传输给云平台；所述分布式监测终端包括虚拟分布式监测终端、现场分布式监测终端；现场分布式监测终端是部署在监测点附近的气体监测设备，用于实时采集监测点附近的特定气体含量并通过有线或者无线局域网与其他分布式监测终端、现场通信主机进行数据交互；虚拟分布式监测终端是其所属的现场通信主机虚拟出来的，其采集的数据为现场通信主机通过广域网从云平台获取的附近分布式监测终端测得的特定气体数据，用于参与气体交叉干扰计算；所述现场通信主机与分布式监测终端通过RS485总线、WiFi、蓝牙、Lora或ZigBee通信连接；
基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统的气体交叉干扰修正方法，包括以下步骤：
S1、现场分布式监测终端上电和初始化；现场分布式监测终端上电后，首先从非易失存储中读取其所监测的气体类型、干扰气体类型及对应的气体交叉干扰参数，然后将其作为初始化参数，开始在局域网中进行传输；
S2、现场通信主机上电和初始化；现场通信主机上电后，实时监测其局域网内每个分布式监测终端的传输数据，并得到该局域网中进行交叉干扰计算所缺少的气体种类，然后从云平台获取对应的气体数据，并虚拟出对应缺少气体的虚拟分布式监测终端；
S3、气体采集和检测；每个分布式监测终端，开始对监测点的气体数据进行采集和检测，并将得到的气体数据在局域网中进行传输，同时接收局域网中其他分布式监测终端的传输数据；
S4、交叉干扰修正；每个现场分布式监测终端通过交叉干扰修正公式对实时采集的气体数据进行交叉干扰修正，得到交叉干扰修正的气体数据并传输给其所属局域网内的现场通信主机；
S5、实时修正和上传至云平台；随着气体交叉干扰修正系统持续运行，现场通信主机将不断获取经过交叉干扰修正的气体数据，并传送到云平台；
S6、系统校准；气体交叉干扰修正系统正常运行后，在每个监测点附近使用标准设备对现场分布式监测终端进行校准，将气体交叉干扰参数进行特定环境下的修正。
2.如权利要求1所述的一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统的方法，其特征在于：所述步骤S1中现场分布式监测终端从非易失存储中读取的气体交叉干扰参数是现场分布式监测终端在进行气体传感器校准时写入的预设参数，该预设参数是气体传感器对特定浓度的气体检测后得到的通用经验值；当气体交叉干扰修正系统正常运行后，将与标准设备读数进行比对，并修正气体交叉干扰参数，最终可实现交叉干扰参数在不同地区或者大气环境下的校准。
3.如权利要求2所述的一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统的方法，其特征在于：所述步骤S2中虚拟分布式监测终端是由现场通信主机模拟现场分布式监测终端的数据通信协议，在现场通信主机程序中设计的软件模块，该软件模块可从云平台获取监测点附近的气体数据作为该虚拟分布式监测终端的检测数据，并通过局域网传输给其他分布式监测终端使用。
4.如权利要求1所述的一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统的方法，其特征在于：所述步骤S3中分布式监测终端在局域网内传输和接收数据采用分时复用信道实现实时效果。
5.如权利要求1所述的一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统的方法，其特征在于：所述步骤S4中交叉干扰修正公式为：
a0=(b*k1+b1)+(c*k2+b2)+a；
其中，a为当前现场分布式监测终端采集的气体含量数据；（k1，b1）、（k2，b2）分别为不同干扰气体b、c所对应的气体交叉干扰参数，b、c分别为不同干扰气体b、c所对应的气体含量数据，a0为经过交叉干扰修正后的气体数据。
6.如权利要求3所述的一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统的方法，其特征在于：所述步骤S4中当现场通信主机监测到某个现场分布式监测终端出现故障时，现场通信主机自动生成该故障现场分布式监测终端的虚拟分布式监测终端，并在该故障现场分布式监测终端恢复正常后，注销该虚拟分布式监测终端。
7.如权利要求1所述的一种基于分布式网络的气体交叉干扰修正系统的方法，其特征在于：所述步骤S6中使用标准设备对现场分布式监测终端的气体交叉干扰参数进行校准时，通过比对气体交叉干扰修正系统长时间运行时，标准设备采集的气体数据曲线和监测点的现场分布式监测终端采集的气体数据曲线，根据每种气体的特点微调既定的气体交叉干扰参数，逐步提高气体交叉干扰修正系统对气体交叉干扰修正的准确性。
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