CN114302363A

CN114302363A - 基于无线通信的室内空气质量远程监测方法及监测系统

Info

Publication number: CN114302363A
Application number: CN202210217686.4A
Authority: CN
Inventors: 曾凡伟
Original assignee: Jiangxi Quansen Technology Co ltd
Current assignee: Jiangxi Quansen Technology Co ltd
Priority date: 2022-03-08
Filing date: 2022-03-08
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2042-03-08
Also published as: CN114302363B

Abstract

本发明公开了一种基于无线通信的室内空气质量远程监测方法及监测系统。本发明的监测方法包括节点布置、信号提取、重新组网以及监测协助等步骤。该监测方法利用布置在无干扰位置的感应终端预测监测终端的通信状态，确定监测终端重新组网是否有意义，并且在重启后重新组网的期间，请求虚拟组中的其他监测终端协助补包。本发明的监测系统包括多个监测终端、感应终端、节点协调器以及数据集中器。

Description

基于无线通信的室内空气质量远程监测方法及监测系统

技术领域

本发明涉及室内无线信号传输技术，尤其涉及基于无线通信的室内空气质量远程监测方法及监测系统。

背景技术

无线通信组网简单，适用于室内空间的空气质量监测，如《智能家居室内空气质量监测系统的研究与实现》，该文献公开了采用无线传感器监测CO等有害气体的方法。在室内空间中，无线传感器通常布置在特殊区域，可能产生移动或路径损伤导致信号低效率。通常无线传感器丢失连接后，可以重启再组网。现有技术可以通过传感器的RSSI信号判断信号低效率以及是否需要重新组网。例如，CN202110654770.8公开了一种节点组网方法，该方法用于解决节点信号强度过低的问题，该方案在整体路径受到干扰时，仍会指示重新组网，无法排除系统性的信号损失。

室内空间通常还会布置其他电气设备，在常见的智能监测系统中，用感应终端监测电气设备的工作状况，感应终端通常可以并入无线传感网络，例如《基于室内环境监测数据的人行为识别方法研究》。现有技术希望通过开关感应终端的RSSI信号解决监测终端的非系统性信号低效率问题。进一步的，在监测终端重新组网期间，现有技术还希望解决监测数据的替代手段。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于无线通信的室内空气质量远程监测方法，通过感应终端的RSSI信号判断监测终端是否重新组网。进一步的，本发明还可以解决重新组网前的数据丢失的问题。本发明还提供了一种用于该室内空气质量远程监测方法的监测系统。

本申请的发明目的可通过以下技术方案实现：

一种基于无线通信的室内空气质量远程监测方法，包括以下步骤：

步骤1：在多个室内检测区布置用于监测有害气体的监测终端、用于监测电力设备状态的感应终端以及节点协调器；

步骤2：节点协调器发出组网广播信号，监测终端和感应终端扫描至少一个节点协调器，并向其中一个节点协调器发送组网请求信号；

步骤3：节点协调器根据组网请求信号建立与该监测终端和感应终端的无线网络，节点协调器在每一监听周期向监测终端发送一次监测请求信号；

步骤4：监测终端将一监测信号和第一RSSI信号发送至节点协调器，节点协调器生成一包含该监测信号和第一RSSI信号的事件表；

步骤5：节点协调器周期性查询多个感应终端的状态信号和第二RSSI信号，并生成包含该状态信号和第二RSSI信号的状态表；

步骤6：数据集中器读取节点协调器的多个事件表和状态表，并根据状态表的多个第二RSSI信号生成节点协调器的信号传播参数和信号衰减参数；

步骤7：若一目标监测终端的第一RSSI信号小于由信号传播参数和信号衰减参数确定的强度阈值，数据集中器经节点协调器向该目标监测终端发送重新组网信号；

步骤8：数据集中器根据多个事件表定义包含该目标监测终端的虚拟组，在每一监听周期，数据集中器指示节点协调器向该虚拟组中的多个监测终端发送监测协助信号；

步骤9：数据集中器收到目标监测终端的监测信号后，指示节点协调器关闭监测协助信号。

在本发明中，用于监测有害气体的监测终端为CO监测器，电力设备为继电器开关或按钮开关。

在本发明中，在步骤4中，事件表由多组事件日志组成，每一事件日志由终端标识、监测信号和第一RSSI信号组成，在步骤5中，状态表由多组状态日志组成，每一状态日志由终端标识、状态信号和第二RSSI信号组成。

在本发明中，在步骤6中，采用线性归回算法生成信号传播参数A和信号衰减参数B，

，

，

其中，k为连接至节点协调器的感应终端的数量，d_i为感应终端i与节点协调器的距离，RSSI_i为感应终端i的第二RSSI信号。

在本发明中，在步骤7中，强度阈值=

，A为信号传播参数，B为信号衰减参数，d₀为目标监测终端与对应节点协调器的距离。

在本发明中，在步骤8中，数据集中器存储一位置表，该位置表定义多个监测终端的位置协同集合，数据集中器根据监测信号生成多个监测终端的数据协同集合，同时位于同一位置协同集合和数据协同集合的多个监测终端定义为一虚拟组。

在本发明中，步骤8包括如下步骤：

步骤81：数据集中器在每一监听周期向至少一个的节点协调器发送丢包指示信号，丢包指示信号由目标终端标识、请求协同的终端标识组成；

步骤82：节点协调器根据该丢包指示信号唤醒请求协同的监测终端，监测终端向节点协调器反馈监测信号；

步骤83：节点协调器生成一补包表，补包表包括目标终端标识、多个请求协同的监测终端的监测信号；

步骤84：数据集中器根据补包表生成目标监测终端的预测信号，并将该预测信号补入节点协调器的事件表。

在本发明中，还包括步骤10，目标监测终端根据重新组网信号断电重启，并重新扫描至少一个节点协调器，若目标监测终端经该节点协调器重新发送的第一RSSI信号仍小于由信号传播参数和信号衰减参数确定的强度阈值，数据集中器输出一报警信号。

一种用于实现所述室内空气质量远程监测方法的监测系统，包括：多个监测终端、感应终端、节点协调器以及数据集中器，监测终端布置在室内检测区，感应终端布置在电力设备上，数据集中器经节点协调器从监测终端和感应终端获得数据。

在本发明中，还包括服务器，数据集中器经Ethernet网络将多个事件表和状态表发送至服务器。

实施本发明的这种室内空气质量远程监测方法和监测系统，具有以下有益效果：利用布置在无干扰位置的感应终端预测监测终端的通信状态，因器件发生移动或阻挡等因素导致监测终端与节点协调器间通信路径意外衰减时，可以指示监测终端重新入网。本发明将多个监测终端分割为多个虚拟组，在监测终端休眠或重启期间，请求虚拟组中的其他监测终端协助补包，提高监测数据的连贯性。

附图说明

图1为星型结构的无线传感网络的示意图；

图2为本发明的室内空气质量远程监测方法的流程图；

图3为本发明的监测终端、感应终端以及节点协调器的RSSI信号收发示意图；

图4为本发明的CO监测器优选实施例的框图；

图5为图4的CO监测器的采样流程图；

图6为本发明的事件表的数据结构示意图；

图7为本发明的状态表的数据结构示意图；

图8为本发明的RSSI信号与距离拟合关系图；

图9为本发明的位置表的数据结构示意图；

图10为本发明的数据集中器补包的流程图；

图11为节点协调器与目标监测终端的通信过程示意图；

图12为节点协调器与请求协同的监测终端的通信过程示意图；

图13为本发明的室内空气质量监测系统的框图；

图14为本发明的数据集中器优选实施例的框图。

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。

如图1，现有技术的无线传感网络参照通常采用星型网络，主要包括数据集中器、节点协调器以及监测终端。根据预定监测区域（地下矿井、公寓楼）的尺寸划分多个室内检测区，对应设置多组网络单元，分置于不同的室内检测区。节点协调器及与其连接的监测终端构成一个网络单元。节点协调器可以是SN节点，监测终端为CN节点。节点之间采用zigbee通信协议传输数据，数据集中器通过RS485总线接收来自多个节点协调器的数据。zigbee具有自由组网的特性。入网时，CN节点选择信号强度符合要求的未满载SN节点。CN节点定时向SN节点发送同步帧或者在线通知信息，用于确定节点的通信路径是否正常。CN节点丢失网络后，可以申请重新入网。

在智能公寓等领域中，除了要求集中监测空气质量外，还要求实时监测公寓各空间的电力设备的状态，以便预测空气的流通、温度以及设备开启状态。电力设备例如空调的继电器开关、光源的按钮开关等等。在这些设备上安装感应终端，用于检测设备运行情况和居住者的操作情况，如《基于室内环境监测数据的人行为识别方法研究》。感应终端作为CN节点并入最近的网络单元。

监测终端的使用环境较差，被移动、信号干扰或屏蔽可能使得监测终端丢失连接。在部分技术方案中，监测终端丢失连接后自动重新入网，这种方案导致数据集中器缺少监测终端的部分数据。若监测终端重启并网时间长或者长时间无法找到合适的网络时，数据丢包明显。在另一部分技术方案中，通过监测终端的RSSI信号判断通信路径是否受到影响。这种方案可以通过修改通信协议实现，解决通信路径低效率问题，但是若通信路径发生系统性的损伤，例如高强度的辐射干扰、介质改变，监测终端重新入网不能解决路径低效率问题，需要及时排出这一操作。

如图2至图12所示的本发明的室内空气质量远程监测方法，利用布置在无干扰位置的感应终端预测监测终端的通信状态，确定监测终端重新组网是否有意义，并且在重启后重新组网的期间，请求虚拟组中的其他监测终端协助补包。在本实施例中，这种远程监测方法包括10个步骤。

步骤1：待监测区域具有多个多个室内检测区，在每一室内检测区布置用于监测有害气体的监测终端、用于监测电力设备状态的感应终端以及节点协调器。监测终端为CO监测器，CO监测器用于检测室内监测区的CO含量。在另一实施例中，监测终端可以是瓦斯探测器。感应终端为开关型感应器，感应终端用于监测电力设备的运行状态。当电力设备切换工作状态，例如空调设备的风速调整、光源的开关调整，感应终端将相应的信号经SN节点发送至数据集中器。参照图3，三个感应终端发送给节点协调器的信号强度分别为RSSI1、RSSI2、RSSI3，目标监测终端对应的信号强度为RSSI4。受工作环境的影响，RSSI4可能远小于RSSI1至RSSI3。本发明的一个目的是通过对RSSI4的校验判断监测终端的通信路径是否受到影响。

CO监测器的结构参照图4，主要由CPU、ROM、RAM、数模转换模块、信号调理模块、CO传感模块、以及Zigbee模块组成。CO监测器的工作流程例如图5所示。CO监测器定义采样周期，例如1s。在每一采样周期，系统唤醒CO传感模块，CO传感模块获取电压信号，经降噪、转换后存储至ROM。本实施例中ROM存储一项空气质量数据，每次采样覆盖前次的数据，最新的数据发送至节点协调器。

步骤2：节点协调器发出组网广播信号，监测终端和感应终端扫描至少一个节点协调器，并向其中一个节点协调器发送组网请求信号。通常，监测终端和感应终端会选择信号最佳且链路空闲的节点协调器，该节点协调器可以位于同一室内检测区或不同室内检测区。

步骤3：节点协调器根据组网请求信号向监测终端和感应终端分配网络地址，建立与该监测终端和感应终端的无线网络。网络地址用于监测终端和感应终端与节点协调器的通信、对象识别。网络地址通常由节点协调器根据网络中的节点数量定义，监测终端并入不同的节点协调器，可以具有不同的网络地址。节点协调器在每一监听周期向监测终端发送一次监测请求信号，每一监听周期完成一次信号检测。监听周期由系统预设，其数值决定系统能耗。通常检测瓦斯、CO时需要较短的监听周期，例如5s，检测甲醛时可以采用较长的检测周期，例如1min。每次监听周期获得的数据是CO监测器最近一次的采样数据。

步骤4：监测终端将一监测信号和第一RSSI信号发送至节点协调器，节点协调器生成一包含该监测信号和第一RSSI信号的事件表。监测信号为CO浓度值，例如0.5mg/m³。第一RSSI信号为接收端的信号强度值，例如-70dBm。参照图6，事件表由多组事件日志组成，监测终端的一次信号收发在节点协调器中存储为一个事件日志。事件日志由终端标识、监测信号和第一RSSI信号组成。本发明定义与监测终端和感应终端对应的唯一终端标识，监测终端并入不同的网络单元，终端标识保持不变。

步骤5：节点协调器周期性查询多个感应终端的状态信号和第二RSSI信号，并生成包含状态信号和第二RSSI信号的状态表。通常查询周期为0.5min至10min，在具体实施例中可以修改节点协调器的查询周期。参照图7，状态表由多组状态日志组成，每一状态日志由终端标识、状态信号和第二RSSI信号组成。

步骤6：数据集中器读取多个节点协调器的事件表和状态表，并根据状态表的多个第二RSSI信号生成节点协调器的信号传播参数和信号衰减参数。通常RSSI信号与收发端的距离相关，与传播介质的属性相关，并受温度、湿度等因素的影响。在典型的室内环境中，RSSI信号拟合为对数函数，如图8所示。函数形如：f（x）=lgx，在信号传播过程中，环境参数（传播介质）和距离参数（传播距离）是影响函数值（信号强度）的两个因素。并且对于相同监测环境和节点协调器，函数参数相同。本实施例采用归回算法拟合函数。即根据现有的多例RSSI信号与距离的关系，拟合对数曲线，获得信号传播参数A和信号衰减参数B。

本实施例中，

，

。k为感应终端的数量，d_i为第i个感应终端与节点协调器的距离，d_i通常存储在数据集中器的非临时性存储单元中。RSSI_i为感应终端i的第二RSSI信号。信号传播参数A和信号衰减参数B由用户使用环境决定，例如在砖混空间，A=-44.0~48.8dBm，B=2.1~3.0（无量纲）。另外，在本实施例中，预设监测终端和感应终端的坐标并存储在数据集中器的位置表中，参照图9。位置数据可以确定监测终端和感应终端与不同节点协调器的距离。在另一实施例中，可以通过系统初始化时的三角质心算法估计监测终端的位置数据。

步骤7：若一目标监测终端的第一RSSI信号小于由信号传播参数和信号衰减参数确定的强度阈值，数据集中器经节点协调器向该目标监测终端发送重新组网信号。强度阈值=

，A为信号传播参数，B为信号衰减参数，d₀为目标监测终端与节点协调器的距离。通过感应终端计算参数，根据第一RSSI信号与参数的关系，确定除环境因素外，是否还存在其他因素影响节点协调器与监测终端的通信路径。若第一RSSI信号显著下降（低于30%），则要求监测终端重新组网。相对于现有技术的监测终端丢失与SN节点通信后再请求组网，本申请可以提前请求监测协助，避免数据丢包。

步骤8：数据集中器定义包含该目标监测终端的虚拟组。在每一监听周期，数据集中器指示节点协调器向该虚拟组的多个监测终端发送监测协助信号。

在本实施例中，步骤8由四个具体步骤组成，参照图10。步骤81：数据集中器通过丢包指示信号请求其他终端信号协助。数据集中器在每一监听周期向至少一个的节点协调器发送丢包指示信号，丢包指示信号由目标终端标识、请求协同的终端标识组成。步骤82：节点协调器根据该丢包指示信号唤醒请求协同的监测终端（同一虚虚拟组的其他监测终端），监测终端向节点协调器反馈监测信号。步骤83：节点协调器生成一补包表，补包表包括目标终端标识、多个请求协同的监测终端的监测信号。步骤84：数据集中器根据补包表生成目标监测终端的预测信号。数据集中器可以根据补包表的多个监测信号的均值计算目标监测终端的预测信号，再将该预测信号补入节点协调器的事件表。在另一实施例中，可以赋予补包表的多个监测信号不同权重，根据加权平均值计算目标监测终端的预测信号。

现有技术中，可以通过信号链路收发关系定义虚拟簇。区别于虚拟簇，本申请中的虚拟组是指多个监测信号数值的协同。虚拟组满足：因位置关系产生检测信号的可能协同和因历史数据产生检测信号的可能协同。

数据集中器存储一位置表，该位置表定义多个监测终端的位置协同集合，如图9。同一位置协同集合的多个监测终端的监测信号可能相同或近似。例如位于同一管道区间的多个监测终端，或者位于同一独立片区的多个监测终端。

另外借助历史数据的训练，数据集中器统计多个监测终端的监测信号，通过数值分析获得监测信号在数值上长期相同或近似的多个监测终端，生成多个监测终端的数据协同集合。同时位于同一位置协同集合和数据协同集合的多个监测终端定义为一虚拟组。

步骤9：数据集中器收到目标监测终端的监测信号后，指示节点协调器关闭监测协助信号。目标监测终端重新组网后，经另一节点协调器向数据集中器发送监测信号，数据集中器随即撤销监测协助。

步骤10：目标监测终端根据重新组网信号断电重启，并重新扫描至少一个节点协调器。监测终端再次向其中一个节点协调器发送组网请求信号，节点协调器根据组网请求信号向监测终端分配网络地址，建立与该监测终端的无线网络。监测终端重新进入正常监测周期，在每一监测周期内向网络单元中的节点协调器发送监测信号和第一RSSI信号。作为本申请进一步改进，监测终端的信号衰减可能是设备硬件、使用环境的客观变化引起。若目标监测终端经该节点协调器重新发送的第一RSSI信号仍小于由信号传播参数和信号衰减参数确定的强度阈值，监测终端的重新入网不能解决信号过度衰减的问题，因此数据集中器输出一报警信号，请求外部人工协助。

参照图11、图12，节点协调器与监测终端的通信过程包括两种。正常一个监听周期具有一个通信期，通信完毕后进入休眠。节点协调器在发送信号前通知监测终端准备接收文件，完成时钟同步，例如先发送数据请求帧，监测终端回复接收就绪帧。监测终端就绪后，节点协调器发送监测请求信号，监测终端读取上一采样周期中的监测值生成监测信号（以及第一RSSI信号）并反馈至节点协调器，节点协调器再反馈ACK信号表示信号接收完毕。节点协调器请求监测终端监测协助时，一个监听周期内需要两个通信期。第一个通信期为本监测终端的信号收发，第二个通信期为监测协助。由于两个通信期的起始时间不同，获得的监测信号反应当前的空气质量状态。此外，还可以采用RTS/CTS完成收发端的通信准备。

如图13，本发明的这种用于实现所述室内空气质量远程监测方法的监测系统，包括：多个监测终端、感应终端、节点协调器以及数据集中器、服务器。监测终端布置在室内检测区，感应终端布置在电力设备上，数据集中器经节点协调器从监测终端和感应终端获得数据。监测终端、感应终端采用zigbee网络与节点协调器连接，节点协调器通过RS485总线与数据集中器连接。数据集中器经Ethernet网络将事件表和状态表等监测结果发送至服务器，服务器存储并分析监测对象的全部数据，提供不同的读取、修改权限。此外，本实施例的数据集中器主要由CPU、RAM、ROM、LCD、RS485总线以及RMII接口组成，如图14。LCD用于显示监测数据，RMII接口用于接通Ethernet网络。

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，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于无线通信的室内空气质量远程监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于无线通信的室内空气质量远程监测方法，其特征在于，用于监测有害气体的监测终端为CO监测器，电力设备为继电器开关或按钮开关。

3.根据权利要求1所述的基于无线通信的室内空气质量远程监测方法，其特征在于，在步骤4中，事件表由多组事件日志组成，每一事件日志由终端标识、监测信号和第一RSSI信号组成，在步骤5中，状态表由多组状态日志组成，每一状态日志由终端标识、状态信号和第二RSSI信号组成。

4.根据权利要求1所述的基于无线通信的室内空气质量远程监测方法，其特征在于，在步骤6中，采用线性归回算法生成信号传播参数A和信号衰减参数B，

，

，

5.根据权利要求4所述的基于无线通信的室内空气质量远程监测方法，其特征在于，在步骤7中，强度阈值=

6.根据权利要求1所述的基于无线通信的室内空气质量远程监测方法，其特征在于，在步骤8中，数据集中器存储一位置表，该位置表定义多个监测终端的位置协同集合，数据集中器根据监测信号生成多个监测终端的数据协同集合，同时位于同一位置协同集合和数据协同集合的多个监测终端定义为一虚拟组。

7.根据权利要求6所述的基于无线通信的室内空气质量远程监测方法，其特征在于，步骤8包括如下步骤：

8.根据权利要求1所述的基于无线通信的室内空气质量远程监测方法，其特征在于，还包括步骤10，目标监测终端根据重新组网信号断电重启，并重新扫描至少一个节点协调器，若目标监测终端经该节点协调器重新发送的第一RSSI信号仍小于由信号传播参数和信号衰减参数确定的强度阈值，数据集中器输出一报警信号。

9.一种用于实现权利要求1所述室内空气质量远程监测方法的监测系统，其特征在于，包括：多个监测终端、感应终端、节点协调器以及数据集中器，监测终端布置在室内检测区，感应终端布置在电力设备上，数据集中器经节点协调器从监测终端和感应终端获得数据。

10.根据权利要求9所述的监测系统，其特征在于，还包括服务器，数据集中器经Ethernet网络将多个事件表和状态表发送至服务器。