CN112637319A - 一种基于物联网的虚拟多通道安全监测系统及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于物联网的虚拟多通道安全监测系统及其监测方法，其至少包括：多个不同监测地点的现场部署含A/D转换器及数据采集器设施；一个远程监测中心；连接现场和监测中心的网路层。上述本发明的一种虚拟多通道安全监测系统，在不同地点的多个传感换能元件共享远程物理通道，大幅度减少了高性能传感器的使用，技术经济显著优于现有同类系统，单一现场安监系统成本被极大降低。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于物联网的虚拟多通道安全监测系统及其监测方法，属于传感器技术、物联网技术和安全监测技术领域。
背景技术
伴随高速物联网发展与人工智能的兴起，一幅现代信息化社会的蓝图越发清晰：家庭、办公室、工厂、实验室等各场所的设备设施，都将是一个巨型网络的智能化终端。传感器作为信息产业的重要神经触角，是上述技术革命和信息社会的三大基础之一，我国在内的世界领先国家，目前都大力布局传感技术产业。从全球来看：一方面，尽管我国的感器研发制造水平已有长足进步，但与顶尖国家的差距仍然明显；另一方面，在传感器市场规模上，美日德三国占据全球70％的市场份额，而中国仅占～10％,即我国的传感器人均消费规模仅为上述三国的～1/25。
从我国内部看：2018年，传感器产业分布情况如下，华东传感器企业占全国的～60％，珠三角占～15.5％，京津地区占～16％，中西部广大地区仅占～8.5％。
上述传感器发展好坏与区域经济水平密切相关，清楚地揭示了一个事实：就我国而言，技术经济因素是高性能传感器发展和广泛应用的唯一主要的障碍。对于安全监测系统，如实验室安全监测必然希望采用高性能的传感器设备。而所述传感器的技术经济因素，除指其本身价格高昂外，也包括传感精度及精度长期可靠性这两方面，上述三点是严重的系统性问题。
以超声流量传感器为例，由于从壁面到充分湍流区中间的过渡区域，不存在线性流速分布区，因此现有超声流量传感器精度可靠性缺乏理论依据；而仪器寿命依赖的长期精度可靠性，一项耗时三年的跟踪实验表明，雨水明渠流量的超声传感器长期测量错误率达68％(指误差>5％),可预期寿命仅三年。因此，发展一种高性能且低成本的传感器技术，是解决上述传感器技术经济缺陷的根本性解决方案。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于物联网的虚拟多通道安全监测系统及其监测方法，从而能够实现在不同地点的多个传感换能元件共享远程物理通道，减少大量传感器的使用，极大降低了生产成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于物联网的虚拟多通道安全监测系统，包括换能元件、数据采集器、A/D转换器、路由器或具DHCP功能的三层交换机以及网络层模块；所述路由器一侧连接A/D转换器；所述A/D转换器一侧连接有数据采集器；所述数据采集器一侧连接有换能元件；所述网络层模块包括物联网技术架构的局域网系统，实验室的现场设施由所述局域网系统连接远程监测中心；所述远程监测中心包括路由器或三层交换机，虚拟多通道模块，物理通道以及服务器模块；所述服务器模块包括监测中心服务器；所述虚拟多通道模块包括虚拟多通道器；所述虚拟多通道器连接有多个物理通道；所述路由器或三层交换机连接虚拟多通道器；所述多个物理通道一侧连接有监测中心服务器；所述监测中心服务器与路由器或三层交换机采用人机交互方式进行数据传输，反馈与控制。
进一步的，所述物理通道为硬件组成的真实仪器，或为运行虚拟仪器软件的计算机；所述物理通道包含三种类型：一,真实仪器架构的某一类型传感器专用通道；二，真实仪器架构的兼容数种传感器的集成通道；三，虚拟仪器实现的各类传感器的通用通道。
进一步的，所述换能元件部署于实验室内，所述路由器或具DHCP功能的三层交换机给每个换能元件分配IP，换能元件信号携带其IP，经网路传输至监测中心服务器。
进一步的，所述换能元件为气体、温湿度或烟雾传感器。
进一步的，所述虚拟多通道模块还包括换能器信号传输控制装置和换能器信号存储器；所述换能器信号传输控制装置，按照各信号到达时间的先后，依次且逐批地将数据传输至物理通道，每批含α个数据，1≤α≤β，β为搭载所述虚拟仪器通用通道的计算机的处理器核心总数；换能器信号全部存入所述换能器信号存储器。
一种基于物联网的虚拟多通道安全监测方法，包含以下监测步骤：
步骤一：对于N个测量现场之中的任意一间实验室，各换能器可单独设置测量间隔，单次测量值为P次采样均值，路由器给各换能器分配IP地址；该实验室有多通道信号采集器，统一采集各换能器测量信号；信号采集器输出模拟信号给A/D转换器转为数字信号；最后由路由器，将携带换能器IP地址数字信号以及其他信号传输到网路层；
步骤二：网路层将携带换能器IP地址数字信号以及其他信号传输至远程监测中心，由交换机接收；
步骤三：远程监测中心，交换机将携带换能器IP地址数字信号以及其他信号分流，其他信号直接交给服务器等设备处理，携带换能器IP地址的数字信号全部分流至所述虚拟多通道模块，所述多通道模块先将数据存储在其内部存储器，再依次逐批交给物理通道处理，最后携带IP地址的测量结果交给服务器，服务器和网路层根据IP地址，将结果传回给对应实验室的对应换能器的显示设备；
步骤四：在一个时间段内，所有测量数据都会保存在远程的服务器上，供各实验室的有权限人员访问和调用。
进一步的，所述步骤一中换能器采用无损采样及时均采样方法，以获得无损的、瞬时稳定的测量性能。
进一步的，所述无损采样具体为基于奈奎斯特–香农采样定理的无损采样方法；所述时均采样具体为根据吉布斯系综理论，以连续多次采样的算术平均值来近似所测现场的系综平均值。
本发明的有益效果是：本发明基于物联网技术，提出一种虚拟多通道安全监测系统及其监测方法，不同地点测量现场的多个传感换能元件共享远程物理通道。本发明系统，极大降低单一现场的架设成本，技术经济显著优于现有同类系统，有极大的市场化潜力。
附图说明
图1为本发明安监系统基本结构框架示意图；
图2为本发明一种实施例的基于物联网的虚拟多通道安全监测系统拓扑结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
如图1、图2所示，一种基于物联网的虚拟多通道安全监测系统，其特征在于，包括换能元件、数据采集器、A/D转换器、路由器或具DHCP功能的三层交换机以及网络层模块；所述路由器一侧连接A/D转换器；所述A/D转换器一侧连接有数据采集器；所述数据采集器一侧连接有换能元件；所述网络层模块包括物联网技术架构的局域网系统，实验室的现场设施由所述局域网系统连接远程监测中心；所述远程监测中心包括路由器或三层交换机，虚拟多通道模块，物理通道以及服务器模块；所述服务器模块包括监测中心服务器；所述虚拟多通道模块包括虚拟多通道器；所述虚拟多通道器连接有多个物理通道；所述路由器或三层交换机连接虚拟多通道器；所述多个物理通道一侧连接有监测中心服务器；所述监测中心服务器与路由器或三层交换机采用人机交互方式进行数据传输，反馈与控制。
本实施例优选的，物理通道为硬件组成的真实仪器，或为运行虚拟仪器软件的计算机；所述物理通道包含三种类型：一,真实仪器架构的某一类型传感器专用通道；二，真实仪器架构的兼容数种传感器的集成通道；三，虚拟仪器实现的各类传感器的通用通道。
本实施例优选的，换能元件部署于实验室内，所述路由器或具DHCP功能的三层交换机给每个换能元件分配IP，换能元件信号携带其IP，经网路传输至监测中心服务器。
本实施例优选的，换能元件为气体、温湿度或烟雾传感器。
本实施例优选的，虚拟多通道模块还包括换能器信号传输控制装置和换能器信号存储器；所述换能器信号传输控制装置，按照各信号到达时间的先后，依次且逐批地将数据传输至物理通道，每批含α个数据，1≤α≤β，β为搭载所述虚拟仪器通用通道的计算机的处理器核心总数；换能器信号全部存入所述换能器信号存储器。
一种基于物联网的虚拟多通道安全监测方法，包含以下监测步骤：
步骤一：对于N个测量现场之中的任意一间实验室，各换能器可单独设置测量间隔，单次测量值为P次采样均值，路由器给各换能器分配IP地址；该实验室有多通道信号采集器，统一采集各换能器测量信号；信号采集器输出模拟信号给A/D转换器转为数字信号；最后由路由器，将携带换能器IP地址数字信号以及其他信号(人机交互等)传输到网路层；
步骤二：网路层将携带换能器IP地址数字信号以及其他信号传输至远程监测中心，由交换机接收；
步骤三：远程监测中心，交换机将携带换能器IP地址数字信号以及其他信号分流，其他信号直接交给服务器等设备处理，携带换能器IP地址的数字信号全部分流至所述虚拟多通道模块，所述多通道模块先将数据存储在其内部存储器，再依次逐批交给物理通道处理(实施例为搭载虚拟设备的计算机)，最后携带IP地址的测量结果交给服务器，服务器和网路层根据IP地址，将结果传回给对应实验室的对应换能器的显示设备(如果存在)；
步骤四：在一个时间段内，所有测量数据都会保存在远程的服务器上，供各实验室的有权限人员访问和调用。
本实施例优选的，步骤一中换能器采用无损采样及时均采样方法，以获得无损的、瞬时稳定的测量性能。
本实施例优选的，无损采样具体为基于奈奎斯特–香农采样定理的无损采样方法；所述时均采样具体为根据吉布斯系综理论，以连续多次采样的算术平均值来近似所测现场的系综平均值。
参照图1，示出了本发明安监系统基本结构框架示意图，图中包含一个现场，展示了本发明的发明思想。
附图2为本发明一种实施例的实验室安全监测系统拓扑结构示意图。所述实施例系统，其结构包括：1)N间实验室的测量现场，其至少包括气体、温湿度、烟雾等传感器的换能元件，一个信号采集器，一个A/D转换器和一个路由器或具DHCP功能的三层交换机；一个网路层，其至少包括一个物联网技术架构的局域网系统，所述N间实验室的现场设施由所述局域网连接监测中心；一个远程监测中心，其包括d；
所述实施例的现场换能器采样，采用无损采样及时均采样方法，以获得无损的、瞬时稳定的测量性能。所述的无损采样，具体为基于奈奎斯特–香农采样定理的无损采样方法。所述时均采样，根据吉布斯系综理论，以连续多次采样的算术平均值来近似所测现场的系综平均值；本实施例，时均采样为连续P个(P≥3)采样值的平均，目的在于抑制或消除传感器测量的瞬时波动。
所述实施例的物理通道，为运行虚拟仪器的计算机，所述虚拟仪器在虚拟仪器编程环境LabVIEW下开发的一套软件系统，由于软件代码的灵活性、可扩展性，该虚拟仪器可兼容所有类型传感器；其以软件模拟其兼容传感器的除了换能器的所有元件。借助前置的虚拟多通道器，本实施例仅用一个物理通道，即为N个实验室所有的换能器共享。
所述的虚拟仪器技术，是美国国家仪器公司(NI公司)1986年提出的概念，并同时推出了图形化的虚拟仪器编程环境LabVIEW，这是最早的虚拟仪器软件设计平台，使得虚拟仪器从概念构思变为了工程师可实现的具体对象，从而引发了传统仪器领域的一场重大变革了传统仪器领域的一场重大变革。目前，虚拟仪器技术已经市场化，但全球市场规模不到10亿美元，仍是十分前沿的技术，在可预见的未来，虚拟传感器设备很可能彻底取代现有物理传感器设备。
除了实施例的虚拟仪器技术的通用通道，本发明的系统的物理通道还有另两种形式：1)真实仪器架构的某一类型传感器专用通道；2)真实仪器架构的兼容数种传感器的集成通道。
本实施例的所述虚拟多通道模块，至少包括：一个换能器信号传输控制装置；一个换能器信号存储器。其具体工作流程为：第一、包括换能器信号等数据信号，从实验室经网路层传输至监测中心，其中换能器信号全都存入所述换能器信号存储器；第二、所述换能器信号传输控制装置，按照各信号到达时间的先后，依次且逐批地将数据传输至物理通道，每批含α个数据，1≤α≤β，β为搭载所述虚拟仪器通用通道的计算机的处理器核心总数；第三、当物理通道将上一批数据处理完，就反馈信号给所述传输控制装置，触发其从所述存储器调用下一批数据，并传输给物理通道处理。
上述传感器设备包含：换能器元件(探头)，以及支持探头工作的通道。所述通道具体为：微芯片、存储器、信号调理器(含放大器、滤波器等)、激励信号发生器等仪器设施。其中，所述通道构成传感器成本的主要部分。
本发明基于物联网技术，提出一种虚拟多通道安全监测系统，不同地点测量现场的多个传感换能元件共享远程物理通道。本发明系统，极大降低单一现场的架设成本，技术经济显著优于现有同类系统，有极大的市场化潜力。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于物联网的虚拟多通道安全监测系统，其特征在于，包括换能元件、数据采集器、A/D转换器、路由器或具DHCP功能的三层交换机以及网络层模块；所述路由器一侧连接A/D转换器；所述A/D转换器一侧连接有数据采集器；所述数据采集器一侧连接有换能元件；所述网络层模块包括物联网技术架构的局域网系统，实验室的现场设施由所述局域网系统连接远程监测中心；所述远程监测中心包括路由器或三层交换机，虚拟多通道模块，物理通道以及服务器模块；所述服务器模块包括监测中心服务器；所述虚拟多通道模块包括虚拟多通道器；所述虚拟多通道器连接有多个物理通道；所述路由器或三层交换机连接虚拟多通道器；所述多个物理通道一侧连接有监测中心服务器；所述监测中心服务器与路由器或三层交换机采用人机交互方式进行数据传输，反馈与控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的虚拟多通道安全监测系统，其特征在于，所述物理通道为硬件组成的真实仪器，或为运行虚拟仪器软件的计算机；所述物理通道包含三种类型：一,真实仪器架构的某一类型传感器专用通道；二，真实仪器架构的兼容数种传感器的集成通道；三，虚拟仪器实现的各类传感器的通用通道。
3.根据权利要求1所述的一种基于物联网的虚拟多通道安全监测系统，其特征在于，所述换能元件部署于实验室内，所述路由器或具DHCP功能的三层交换机给每个换能元件分配IP，换能元件信号携带其IP，经网路传输至监测中心服务器。
4.根据权利要求1所述的一种基于物联网的虚拟多通道安全监测系统，其特征在于，所述换能元件为气体、温湿度或烟雾传感器。
5.根据权利要求1所述的一种基于物联网的虚拟多通道安全监测系统，其特征在于，所述虚拟多通道模块还包括换能器信号传输控制装置和换能器信号存储器；所述换能器信号传输控制装置，按照各信号到达时间的先后，依次且逐批地将数据传输至物理通道，每批含α个数据，1≤α≤β，β为搭载所述虚拟仪器通用通道的计算机的处理器核心总数；换能器信号全部存入所述换能器信号存储器。
6.一种基于物联网的虚拟多通道安全监测方法，其特征在于，包含以下监测步骤：
步骤一：对于N个测量现场之中的任意一间实验室，各换能器可单独设置测量间隔，单次测量值为P次采样均值，路由器给各换能器分配IP地址；该实验室有多通道信号采集器，统一采集各换能器测量信号；信号采集器输出模拟信号给A/D转换器转为数字信号；最后由路由器，将携带换能器IP地址数字信号以及其他信号传输到网路层；
步骤二：网路层将携带换能器IP地址数字信号以及其他信号传输至远程监测中心，由交换机接收；
步骤三：远程监测中心，交换机将携带换能器IP地址数字信号以及其他信号分流，其他信号直接交给服务器等设备处理，携带换能器IP地址的数字信号全部分流至所述虚拟多通道模块，所述多通道模块先将数据存储在其内部存储器，再依次逐批交给物理通道处理，最后携带IP地址的测量结果交给服务器，服务器和网路层根据IP地址，将结果传回给对应实验室的对应换能器的显示设备；
步骤四：在一个时间段内，所有测量数据都会保存在远程的服务器上，供各实验室的有权限人员访问和调用。
7.根据权利要求1所述的一种基于物联网的虚拟多通道安全监测方法，其特征在于，所述步骤一中换能器采用无损采样及时均采样方法，以获得无损的、瞬时稳定的测量性能。
8.根据权利要求7所述的一种基于物联网的虚拟多通道安全监测方法，其特征在于，所述无损采样具体为基于奈奎斯特–香农采样定理的无损采样方法；所述时均采样具体为根据吉布斯系综理论，以连续多次采样的算术平均值来近似所测现场的系综平均值。
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| PB01 | Publication | ||
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