CN114296379A - 基于移动平台便携式ftir的灾害现场气体远程检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于移动平台便携式FTIR的灾害现场气体远程检测系统，包括：移动平台，其上安装有视频监控模块、相机云台模块、GPS定位模块、移动平台运动控制模块、FTIR红外光谱仪及工控机、嵌入式微处理器树莓派，监控客户端电脑，通过局域网连接到所述移动平台；或者通过云服务器利用4G无线通信连接到所述移动平台的4G无线通信模块；嵌入式处理器树莓派上的linux系统运行的四个分别关于视频监控，相机云台，GPS定位，小车运动通信的web微服务应用，FTIR红外光谱仪内含工控机上的光谱气体数据web微服务应用，树莓派和工控机上还含有ssh反向隧道shell脚本，web微服务应用自启动shell脚本，云服务器含Nginx反向代理服务器的配置。
Description
技术领域
本发明涉及大气环境监测领域，特别是一种灾害现场污染气体的FTIR快速远程检测系统。
背景技术
随着经济的快速发展，人类的自然活动越来越广泛，人们对自己的生存环境提出了越来越高的要求，然而由人类活动和自然灾害造成的突发灾害屡见不鲜，例如石油化工泄露，森林火灾等突发危险现场，这些危险现场产生的有毒有害气体对人们的生命和生产活动造成了巨大威胁，当灾害发生时，有毒有害气体的快速精准检测很有必要，为人们及时预警或解决灾害提供了数据支撑。然而人们无法及时安全携带测量设备的到达灾害现场获取有效数据，一种能在灾害现场远程操作的灾害气体检测装置将极大的解决这种需求。
现有的远程检测手段单一不能系统化整合各个外围设备，只能在局域网内控制或者近程控制，不能满足现实中灾害现场的需求，更不能融合灾害气体关键检测设备FTIR傅里叶红外光谱仪。现有的设备大部分需要开机后手动启动web微服务程序，无法做到开机后自启动。在局域网代理到公网的过程中，市面上大部分都采用了现有的付费代理转发软件实现，实现成本大，信息安全也无法保证。
基于移动平台便携式FTIR的灾害现场气体检测装置是当前最有效的方法之一。装置主要由便携式FTIR光谱仪，树莓派控制器，外围设备，移动平台和必要的web服务应用软件组成。FTIR红外光源输出波段为2～20μm，分辨率为0.5cm-1，扫描速度1Hz，气体池光程为10m，采用斯特林探测器，其光谱响应范围为600～6000cm-1。FTIR光谱仪检测技术有很好的信噪比，检测气体种类多，检测准确率高。将云服务器和树莓派微控制器的优势相结合实现远程操作移动平台小车，将搭载便携式FTIR和各种外围设备的移动平台小车远程操作驶入灾害现场，并及时通过4G/5G传回现场位置数据，视频数据和气体浓度等有效数据，为人们进一步处置灾害提供了数据与理论支撑。
树莓派是一款信用卡大小的微控制器，它是一款基于ARM的微型电脑主板，有4个usb串口，多个UART串口，SPI总线和蓝牙等功能。最主要的是树莓派可搭载linux操作系统，可以在上面部署各种web微服务应用，web服务是一种应用程序，它使用标准的互联网协议，像超文本传输协议HTTP和XML，主要功能是提供网上信息浏览服务。最新的树莓派4b还自带网卡，可以自己开启热点构成局域网，极大的方便了局域网内的设备调试和控制。使用树莓派和各种外围设备连接构成了一个高效完整的系统装置，为灾害气体远程检测提供了有效方法和手段。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于移动平台便携式FTIR的灾害现场气体远程检测系统，移动平台小车和FTIR红外光谱仪融为一体，移动平台上搭载各种需要的外围设备，使用树莓派或其他处理器作为核心控制器，充当中心大脑作用。当灾害发生，人们可以在监控室远程遥控移动平台进入灾害现场，摄像头返回视频流信息，GPS返回位置数据信息，FTIR光谱仪返回各种组份气体浓度数据。解决了现有平台系统单一只能在近程局域网内控制，没有融合FTIR气体光谱仪，开机无法自动化启动web微服务程序，需手动设置和启动等各种问题。
本发明的技术方案为：一种基于移动平台便携式FTIR的灾害现场气体远程检测系统，包括：
移动平台，其上安装有视频监控模块、相机云台模块、GPS定位模块、移动平台运动控制模块、FTIR红外光谱仪及工控机、嵌入式微处理器；
监控客户端电脑，通过局域网连接到所述移动平台；或者通过云服务器利用4G无线通信连接到所述移动平台的4G无线通信模块；
嵌入式处理器的linux系统上运行有四个分别关于视频监控，相机云台，GPS定位，小车运动通信的web微服务应用；工控机上设置有FTIR红外光谱仪的光谱气体数据web微服务应用，ssh反向隧道shell脚本，web微服务应用自启动shell脚本和云服务器Nginx反向代理服务器的配置数据。
将树莓派和工控机连上局域网IP后，通过shell自动执行脚本将树莓派和工控机上的web微服务应用程序设置为开机自启动。通过访问局域网IP+端口号的形式就可以访问到相应的web页面获取相关的信息。整个装置可以在局域网内运行，可满足大部分应急灾害的应用。
为了让整个装置在公网情况下也能运行，满足任何距离远程遥控与检测，将树莓派连接4G模块，树莓派网卡开启热点，让工控机也连入4G网络，树莓派和工控机即可连入互联网。理论上公网客户端即可直接访问树莓派和工控机上的web服务。但由于运行商SIM卡分配的IP都是局域网IP，公网无法直接访问。所以可以利用一台位于公网的云服务器进行中转。树莓派连接的4G模块通过基站连接到云服务器，在云服务器上部署Nginx反向代理服务器，通过Nginx服务器反向代理和ssh反向隧道技术打通局域网和公网的屏障，即可通过公网访问部署在树莓派和工控机上的web服务应用。这样，在公网即可客户端即可通过公网IP+端口号访问web微服务应用。
有益效果：
现有的移动平台单一，不能系统的集成各个模块，无法实现远程网络控制和信息速传，也不能融合FTIR气体光谱仪模块，检测气体时只能人工背负FTIR气体光谱仪进入灾害现场进行检测，具有很大的生命安全隐患。本发明将各个模块系统集合，同时也融合了FTIR傅里叶红外光谱仪，通过4G模块实现远程网络控制和信息速传，并通过shell脚本实现开机后web微服务程序自启动。
附图说明
图1是整个装置在局域网整体流程结构示意图；
图2是整个装置在4G公网整体流程结构示意图；
图3是树莓派控制器和它之间的外围整体电路设计；
图4是Nginx反向代理和ssh隧道端口转发示意图；
图5是本发明的操作显示界面。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步做详细说明。
本发明整个装置图如图1所示，硬件上主要包括移动平台(车架，双电机和电机)，视频监控模块，相机云台模块，GPS定位模块，移动平台运动通信模块，FTIR红外光谱仪(内含工控机)，嵌入式微处理器树莓派，4G通信模块，云服务器，监控客户端电脑。软件上主要包括嵌入式处理器树莓派上的linux系统运行的四个分别关于视频监控，相机云台，GPS定位，小车运动通信的web微服务应用，分别用于驱动视频监控模块，相机云台模块，GPS定位模块和移动平台运动通信模块。FTIR红外光谱仪内含工控机上的光谱气体数据web微服务应用，用于驱动红外光谱仪数据传输。ssh反向隧道shell脚本，web微服务应用自启动shell脚本和云服务器Nginx反向代理服务器的配置。本发明也可以使用其它能搭载linux系统的控制器或Windows系统的工控机，本发明选用树莓派为例。
视频监控模块和相机云台模块分别使用USB无驱动摄像头和双舵机相机云台组成，摄像头usb直接插入树莓派usb口实现串口数据通信。云台由两个舵机组成，分别是水平舵机和垂直舵机，云台能上下90度，左右90度旋转，舵机连上arduino驱动板，arduino驱动板连接树莓派串口。在树莓派上启动web视频流微服务应用和web云台控制应用，这样就有了相应的IP和端口号，在局域网内通过电脑浏览器访问IP+端口号就可以网页显示视频信息和操控有水平舵机和垂直舵机的相机云台了。这样在监控客户端就能直接控制相机头云台和查看远程视频流。
GPS定位模块选用的usb免驱GPS，连上树莓派的usb串口，树莓派串口接收到GPS模块的数据后，树莓派上搭载的GPS定位web微服务启动，处理传来的数据，选取$GPGGA行数据，读取第2个，第3个，第5个和第10个数字，分别代表时间，纬度，经度和海拔。并能通过浏览器网页IP+端口号访问看到这些数据。
移动平台运动通信模块，移动平台主要适各包含车架，双电机，和电机控制器。将电机控制器与树莓派串口经过转换器连接，开启搭载在树莓派上的电机控制web微服务应用。同样采取IP+端口号的方式，通过网页向树莓派微服务发出运动指令，树莓派接收运动指令后通过串口传给电机控制器，电机控制器即可控制轮子前会运动，左右转弯和急停。
FTIR光谱仪模块是一款能快速测量各种组分的气体浓度的仪器，内含工控机，FTIR光谱仪运行后会将气体浓度数据存储在工控机的文件夹里，在FTIR光谱仪工控机上搭载气体浓度数据web服务应用。Web服务开启后，监控客户端浏览器即可采取IP+端口号访问各组分气体浓度数据。整个前后端采用vue+node.js架构，后端根据输入web页面输入的存储路径定位到FTIR光谱仪测得的气体浓度数据，并将这些数据持续地传给前端web页面，实时更新的显示在web页面上。
树莓派上通过指令开启了USB(ttyACM0)串口和UART串口(ttyAMA0，ttyAMA1，ttyAMA2，ttyAMA3，ttyAMA4，ttyAMA5)，这些串口与外设视频监控模块，相机云台模块，GPS定位模块，移动平台运动通信模块相连接实时通信。本案例采用的是树莓派4b，树莓派4b搭载着raspbian系统，基于Debian GNU/Linux的免费操作系统，将web前后端服务应用部署在上面，可高效及时处理各种繁杂任务，所以选用树莓派4b作为装置的核心控制器。
由于树莓派自带网卡功能，可以连上局域网WiFi。在树莓派和监控客户端在同一个局域网下，树莓派和工控机上的各个web服务器应用启动后，无需拨号连入4G网络，即可通过监控客户端浏览器访问各个服务器的传回来的网页数据和通过网页下发指令给树莓派的服务器端，以控制移动平台运动和相机的舵机云台转动。整个示意图如图1所示。这种应用场景多应用于各种应急灾害导致现场通讯中断或无通讯的场所，救援人员临时搭建起来局域网用于救援通信。
除了以上应用场所，本案例还满足在4G网络情况下的远程控制通讯，整体结构如图2所示。
在树莓派串口上加上4G LTE通信模块，4G通信模块里插入可以正常使用的SIM卡，树莓派通过串口连接4G通信模块即可绑定IP，这样树莓派通过这个IP就可以实现联网的功能。
但由于运营商SIM卡分配的都是局域网IP，无法公网直接访问，需要Nginx反向代理和ssh隧道端口转发技术。
Nginx反向代理和ssh隧道端口转发打通局域网和公网之间的通道。整个反向代理流程如图4所示。4G通信模块通过当地的基站连接到云服务器，在云服务器上部署Nginx反向代理服务器。在公网客户端，根据不同IP和访问端口，Nginx反向代理服务器会将此转发到相应IP地址和端口上，ssh隧道转发会将该公网端口转发的局域网端口上，实现公网访问局域网的功能。这样就能通过公网IP+端口号的方式访问在局域网内的各个web微服务应用，实现远程控制和远程监控。
为了让各个web微服务应用开机自启动，需要写shell自启动脚本，并配置到树莓派linux系统/etc/rc.local文件中实现自启动。例如GPS定位模块的脚本如下：
#！/bin/bash
cd/home/pi/node/gps
/usr/bin/nohup/usr/bin/node server.js&
第一行用#！/bin/bash来解释执行，第二行cd/home/pi/node/gps转到对应的目录下，第三行/usr/bin/nohup/usr/bin/node server.js&后台不间断执行server.js程序。
为了让ssh隧道端口转发打通局域网和公网的通道，需要写shell自启动脚本，并配置到树莓派linux系统/etc/rc.local文件中实现自启动。例如把局域网的8080端口反向ssh隧道代理到8000端口的部分脚本如下：
为了方便查看所有web微服务的应用，用H5和javascript语言将以上5个web微服务应用的IP和端口号集成到一个H5页面中，该H5页面自行请求所有的IP和端口号。这样在一个网页上即可直观的查看所有的web服务的网页。如图5所示，左上角是视频监控模块和相机云台模块的web页面，按下鼠标左键即可显示控制云台的虚拟摇杆；右上角是GPS定位数据；左下角是FTIR光谱仪气体浓度数据；右下角是移动平台运动通信模块的web页面，按下鼠标左键即可显示虚拟摇杆。
通过以上整个装置的联机组网，实现了一个系统的功能，在灾害发生时，人们可以远程遥控移动平台进入灾害现场，摄像头不仅可以帮助移动平台探路，还能通过转动摄像头云台查看现场状况。GPS定位模块传回位置数据到监控客户端，帮助人们准确的锁定灾害发生地点，FTIR光谱仪模块及时的检测出灾害现场的各组分气体浓度，并将数据传回监控客户端，人们在远程的监控客户端就能知晓各种现场情况和数据，为科学的减灾除灾提供了保障，人们就无需冒着生命危险进入灾害现场，避免了各种安全事故。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种基于移动平台便携式FTIR的灾害现场气体远程检测系统，其特征在于，包括：
移动平台，其上安装有视频监控模块、相机云台模块、GPS定位模块、移动平台运动控制模块、FTIR红外光谱仪及工控机、嵌入式微处理器；
监控客户端电脑，通过局域网连接到所述移动平台；或者通过云服务器利用4G无线通信连接到所述移动平台的4G无线通信模块；
嵌入式处理器的linux系统上运行有四个分别关于视频监控，相机云台，GPS定位，小车运动通信的web微服务应用，ssh反向隧道shell脚本和web微服务应用自启动shell脚本；工控机上设置有FTIR红外光谱仪的光谱气体数据web微服务应用，ssh反向隧道shell脚本和web微服务应用自启动shell脚本；云服务器上有Nginx反向代理服务器的配置数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于移动平台便携式FTIR的灾害现场气体远程检测系统，其特征在于，
视频监控模块包括USB无驱动摄像头，相机云台模块包括双舵机相机云台，无驱动摄像头USB口直接插入树莓派USB口实现串口数据通信；
相机云台包括两个舵机，分别是水平舵机和垂直舵机，云台能上下90度，左右90度旋转，舵机连上arduino驱动板，arduino驱动板连接树莓派串口；
在树莓派上启动web视频流微服务应用和web云台控制应用，得到相应的IP和端口号，在局域网内通过电脑浏览器访问IP+端口号网页显示视频信息和操控有水平舵机和垂直舵机的相机云台，在监控客户端直接控制相机头云台和查看远程视频流。
3.根据权利要求1所述的一种基于移动平台便携式FTIR的灾害现场气体远程检测系统，其特征在于，
GPS定位模块选用的usb免驱GPS，连上树莓派的usb串口，树莓派串口接收到GPS模块的数据后，树莓派上搭载的GPS定位web微服务启动，处理传来的数据，选取$GPGGA行数据，读取第2个，第3个，第5个和第10个数字，分别代表时间，纬度，经度和海拔，并能通过浏览器网页IP+端口号访问看到这些数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于移动平台便携式FTIR的灾害现场气体远程检测系统，其特征在于，
移动平台运动控制模块，移动平台包含车架，双电机，和电机控制器；将电机控制器与树莓派串口经过转换器连接，开启搭载在树莓派上的电机控制web微服务应用；同样采取IP+端口号的方式，通过网页向树莓派微服务发出运动指令，树莓派接收运动指令后通过串口传给电机控制器，电机控制器即可控制轮子前会运动，左右转弯和急停。
5.根据权利要求1所述的一种基于移动平台便携式FTIR的灾害现场气体远程检测系统，其特征在于，
在FTIR光谱仪的工控机上搭载气体浓度数据web服务应用，Web服务开启后，监控客户端浏览器即可采取IP+端口号访问各组分气体浓度数据。
6.根据权利要求1所述的一种基于移动平台便携式FTIR的灾害现场气体远程检测系统，其特征在于，
树莓派上通过指令开启了USB串口和UART串口，这些串口与外设视频监控模块，相机云台模块，GPS定位模块，移动平台运动控制模块相连接实时通信；
在树莓派和监控客户端在同一个局域网下，树莓派和工控机上的各个web服务器应用启动后，无需拨号连入4G网络，即可通过监控客户端浏览器访问各个服务器的传回来的网页数据和通过网页下发指令给树莓派的服务器端，以控制移动平台运动和相机的舵机云台转动。
7.根据权利要求1所述的一种基于移动平台便携式FTIR的灾害现场气体远程检测系统，其特征在于，
在树莓派串口上加上4G LTE通信模块，4G通信模块里插入SIM卡，树莓派通过串口连接4G通信模块即可绑定IP，这样树莓派通过这个IP实现联网的功能，采用Nginx反向代理和ssh隧道端口转发技术进行通信，Nginx反向代理和ssh隧道端口转发打通局域网和公网之间的通道；整个反向代理流程为：4G通信模块通过当地的基站连接到云服务器，在云服务器上部署Nginx反向代理服务器；在公网客户端，根据不同IP和访问端口，Nginx反向代理服务器会将此转发到相应IP地址和端口上，ssh隧道转发会将该公网端口转发的局域网端口上，实现公网访问局域网的功能，从而通过公网IP+端口号的方式访问在局域网内的各个web微服务应用，实现远程控制和远程监控。
8.根据权利要求1所述的一种基于移动平台便携式FTIR的灾害现场气体远程检测系统，其特征在于，
将5个web微服务应用的IP和端口号集成到一个H5页面中，该H5页面自行请求所有的IP和端口号，这样在一个网页上即可直观的查看所有的web服务的网页。
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