CN201813483U - 基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端 - Google Patents

基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端 Download PDF

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张福生
刘俊娜
沈军英
蒋安波
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基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端,涉及移动式安全生产监控终端。它解决了现有的安全生产监控方式采用的有线组网方式导致的在出现网络故障时短时间内难以定位故障点、采集的数据信息由于受到邻近大功率设备影响造成准确性较低,以及信息反馈的实时性差、可靠性低、安全性差的问题。它的无线通信单元的二号无线信号输入或输出端与中央处理器的无线信号输入或输出端连接;触摸式显示器的控制信号输入或输出端与中央处理器的控制信号输出或输入端连接;GPS单元的GPS信号输出端与中央处理器的GPS信号输入端连接;摄像机的影像信号输出端与中央处理器的影像信号输入端连接。本实用新型适用于油田、矿井、大型工业安全生产的终端监控。

Description

基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端技术领域[0001] 本实用新型涉及一种移动式安全生产监控终端。 背景技术[0002] 随着现代安全生产的客观要求,人们对各种生产信息的管理日趋数字化,对生 产现场各种资源信息的获取和控制倾向于自动化、智能化,特别是具有危险性、人力不 方便触及、数量巨大的设备参数控制等方面。例如:人们对石油的需求日益增大,石油 资源又是一种不可再生的天然资源,加之油田企业各岗位原则上不增编的用人机制,在 此种条件下如何确保油田企业安全、高效稳产是油田企业所面临的严峻现实。油田采油 通常由油井、中转站、联合站、原油外输系统、油罐、天然气罐以及油田的其它设施组 成,整个采油厂、矿、站各种生产设施的工作状态及其产品(如水、油、气等)的相应 数据(如温度、压力、流量等)就直接关系到油田生产的稳定及安全,而这些重要数据 目前大多由人工方式每日定时检查设备运行情况并测量、统计相关各生产数据,这种客 观条件必然使工人劳动强度加重,并且影响了设备监控与生产数据的实时性,甚至准确 性,同时存在疏漏、笔误和作假等隐患。目前,我国一些油田企业也采取一些通过诸如 RS485总线形式的局域有线网、便携式采集设备的方式或以GSM短信息的方式达到对油 井部分生产数据监测和统计之目的,一定程度上解决了上述问题,但这些技术有较大的 局限性。首先,油田各采油厂、矿、站需要监测的设备量较大,并相对分散,有线组网 方式布线困难,灵活性差,建设成本高,而且出现网络故障时短时间内很难定位和排除 故障点;其次,油田各采油厂、矿、站内通常都有大功率的电机、泵机甚至变电站,这 些设备工作时所产生的干扰可直接侵入网络而导致有线网络瘫痪,严重时周边设备都不 能正常工作;第三,有线网络对油田各设备的检修产生一定程度的障碍,一旦维修人员 维修时不小心可能导致有线网络的物理连接失效,使有线网络不能正常工作。至于便携 式采集设备,其只能解决部分生产设备或数据的采集和监测问题,但需要经常拆装,其 与生产设备的接口部分磨损严重,常出现接触不良或无法连接的问题,并且将采集来的 生产数据需要人工方式再上传至生产监测分析系统,仍然存在数据的实时性差和便携式 设备丢失等问题;采用短消息的方式也存在上述问题;基于全球通(GSM)的短消息(SMS)或无线分组网(GPRS)或3G通信方式实现了仅是对油井设备的监控,虽然解 决了油田井口一些设备的监控问题,但仍然存在短消息滞后、丢失、GPRS上网掉线等通 信受阻问题,其通信设备相对于SgBee模块成本高、还需长期缴纳信息服务费,该系统 的实时性、可靠性和控制的安全性差。[0003] 传感器技术是一种自动检测技术,被广泛应用于工业自动检测领域;以ZigBee (802.15.4协议)无线技术为例,通过无线方式实现数据实时通信,其是一种新一代的短距离双向无线通信技术,具有低成本(免执照频段、免专利协议)、低功耗(省电)、 网络容量大、安全性高、抗干扰力强、网络自愈力强的特点,二者融合并辅以相应控制 器可克服以上组网方式或系统的局限性,辅以高优先级的安全生产监控终端,可彻底实现油田生产故障信息和巡井人员的智能化定位、参数调试和监控。 实用新型内容[0004] 本实用新型是为了解决现有的安全生产监控方式采用的有线组网方式导致的在 出现网络故障时短时间内难以定位故障点、采集的数据信息由于受到邻近大功率设备影 响造成准确性较低,以及信息反馈的实时性差、可靠性低、安全性差的问题,从而提供 一种基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端。[0005] 基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端,它包括中央处理器、天线、 无线通信单元、触摸显示器、GPS单元和摄像机,所述无线通信单元的一号无线信号输 入或输出端与天线的无线信号输入或输出端连接,所述无线通信单元的二号无线信号输 入或输出端与中央处理器的无线信号输入或输出端连接;触摸式显示器的控制信号输入 或输出端与中央处理器的控制信号输出或输入端连接;GPS单元的GPS信号输出或输入 端与中央处理器的GPS信号输入或输出端连接;摄像机的影像信号输出端与中央处理器 的影像信号输入端连接。[0006] 本实用新型实现了对油田等工业生产各重要设备或环节的监测与管理,实现了 对生产信息的实时、自动监测与控制。能够在出现网络故障时短时间内快速定位故障 点;本实用新型的抗干扰能力较强,采集的数据信息受邻近大功率设备影响较小,准确 性高;并且信息反馈的实时性强、可靠性高、安全性好。附图说明[0007] 图1是本实用新型的结构示意图;图2是具体实施方式三的结构示意图;图3是 具体实施方式六的结构示意图;图4是具体实施方式七的结构示意图;图5是具体实施 方式十的结构示意图。具体实施方式[0008] 具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式,基于无线传感器网络的移动 式安全生产监控终端,它包括中央处理器1、天线2、无线通信单元3、触摸显示器4、 GPS单元5和摄像机6,所述无线通信单元3的一号无线信号输入或输出端与天线2的无 线信号输入或输出端连接,所述无线通信单元3的二号无线信号输入或输出端与中央处 理器1的无线信号输入或输出端连接;触摸式显示器4的控制信号输入或输出端与中央处 理器1的控制信号输出或输入端连接;GPS单元5的GPS信号输出或输入端与中央处理 器1的GPS信号输入或输出端连接;摄像机6的影像信号输出端与中央处理器1的影像 信号输入端连接。[0009] 本实施方式中,对于未集成相应的信号转换单元的中央处理器1,则在无线通信 单元3、GPS单元5和摄像机6与中央处理器1进行输入或输出时,通过相应的信号转换 模块对信号进行模/数或数/模转换。[0010] 本实施方式中,中央处理器1为单片机,它包括运算器、存储器和控制器,通 过内部和外部总线与其他外设连接,是本实用新型的核心部件。[0011] 触摸显示器4具有两个功能,一是作为本实用新型的输入键盘,通过手写的方式输入相关信息或指令;二是用于显示经中央处理器1处理过的结果,包括数字、位置 和图表信息。[0012] 微型摄像机6用于拍摄生产现场,特别是拍摄故障现场的图像或视频,便于后 端监控中心人员根据传回的现场信息指导或指挥现场人员进行决策或操作。[0013] GPS单元5用于对持此监控终端的人员定位,使后台监控中心管理者能够在既定 的时间内查找并定位到相关故障信息和人员。[0014] 本实施方式中,可以采用锂电池、燃料电池等为各部件供电。[0015] 本实施方式将油田的采油厂、矿、站中的中转站、联合站、原油外输系统、油 罐、天然气罐以及油田的其它设施的生产工况、工作状态等监测数据或信息,利用传感 器技术和无线通信技术构建无线传感器网络,并实时、安全、低成本地将监测和控制信 息通过本地监控中心的油田信息监控管理系统软件接入油田企业现有的各级网络中,实 现对油田企业各相关生产设备、生产数据、安全指标等信息的监测、定位、分析处理、 显示、警示和控制;同时增加了移动安全生产监控终端,将本地固定监控中心变为便携 式的移动监控中心,实现对各生产设备、生产数据、安全指标等信息的现场即时监测、 定位、校对、显示、警示和监控。[0016] 具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于无线传感器网 络的移动式安全生产监控终端的区别在于,无线通信单元3为基于ZigBee技术的无线通 信单元。[0017] 本实施方式中,无线通信单元3是将本实用新型所述的监控终端以最高优先级 自适应接入基于ZigBee的无线传感器网络,并成为ZigBee监控节点,能够通过超级命 令实现对周边设备数据或技术参数的调测、收发和监控,将接收到的故障设备的报警信 息进行定位并根据管理人员下达的指令。将相关信息发送给被监控设备的执行器组件执 行。[0018] 本实用新型是利用单片机技术实现对油田等工业生产各重要设备或环节的监测 与管理,结合ZigBee技术组建无线通信网络,利用ZigBee组网的自适应性,使该移动 监控终端实现对油田各生产信息的实时、自动监测与控制。具有低成本(ZigBee免执 照频段且免专利协议)、工作时间长、安全性高、抗干扰力强、组网灵活(拆装方便) 网络自愈力强的特点,并通过该安全生产监控终端内嵌的系统软件实现对各种生产信息 的监控,本终端可有效降低油田工人的劳动强度,彻底解决了人工巡检方式、短消息方 式以及其他方式采集和监控油田生产数据的不足和局限性。本终端的监控方法可最大限 度地利用油田现有的系统或网络,变革油田信息系统原有分散、独立的集合式监管为以 各级监控终端为核心的集成式监管,真正做到油田信息的智能化、实时化、网络化、系 统化,特别是对重大突发事件的实时分析、决策和解决发挥不可替代的作用。本实用新 型还可应用于市政、军事、电力、水利、能源矿业、家庭自动化、遥测遥控、监狱、交 通、汽车自动化、农业自动化、物流管理和医疗护理等领域,另外随着ZigBee芯片技术 的完善或其他无线通信技术的应用,其可以对局部区域内的移动目标进行跟踪和高精度 定位。[0019] 具体实施方式三、结合图2说明本具体实施方式,本具体实施方式与具体实施 方式一或二所述的基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端的区别在于,它还包括移动通信模块9,所述移动通信模块9的通信信号输入或输出端与中央处理器1的通信 信号输入或输出端连接。[0020] 对于未集成相应的信号转换单元的中央处理器1,则在移动通信模块9与中央处 理器1进行信号输入或输出时,通过相应的信号转换模块对信号进行模/数或数/模转 换。[0021] 具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的基于无线传感器网 络的移动式安全生产监控终端的区别在于,移动通信模块9是GSM移动通信模块。[0022] 具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式三所述的基于无线传感器网 络的移动式安全生产监控终端的区别在于,移动通信模块9是CDMA移动通信模块。[0023] 具体实施方式六、结合图3说明本具体实施方式,本具体实施方式与具体实施 方式一、二、四或五所述的基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端的区别在 于,它还包括扬声器7和麦克风8,所述扬声器7的声音信号输入端与中央处理器1的声 音信号输出端连接,麦克风8的声音信号输出端与中央处理器1的声音信号输入端连接。[0024] 本实施方式中麦克风8用于收集语音信息,所述信息经中央处理器1处理后通过 移动通信模块9处理发给接收方。[0025] 扬声器7用于发出监控终端所接收到的语音信息或报警信息。对于未集成相应 的信号转换单元的中央处理器1,则在中央处理器1通过扬声器7进行信号输出时,首先 通过相应的信号转换模块对信号进行数/模转换;在中央处理器1通过麦克风8进行信号 输入时,首先通过相应的信号转换模块对信号进行模/数转换。[0026] 具体实施方式七、结合图4说明本具体实施方式,本具体实施方式与具体实施 方式六所述的基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端的区别在于,它还包括扩 展卡10,所述扩展卡10的数据信号输入或输出端与中央处理器1的数据信号输出或输入 端连接。[0027] 具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式七所述的基于无线传感器网 络的移动式安全生产监控终端的区别在于,扩展卡10为SD扩展卡。[0028] 本实施方式中的SD扩展卡可以根据需要,扩展监控终端的内存容量。[0029] 具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施方式八所述的基于无线传感器网 络的移动式安全生产监控终端的区别在于,扩展卡10为容量为小于或等于32G的SD扩 展卡。[0030] 具体实施方式十、结合图5说明本具体实施方式,本具体实施方式与具体实施 方式一、二、四、五、七、八或九所述的基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终 端的区别在于,它还包括USB接口单元11,所述USB接口单元11的信号输入或输出端 与中央处理器1的信号输入或输出端连接。[0031] 本实施方式中的USB接口单元具有两个功能:一是作为监控终端的充电连接接 口 ; 二是作为数据线接口,用于监控终端的软件升级、数据打印等。[0032] 本实施方式的监控终端在工作时,当无线通信单元3接收到远端设备发来的报 警信息,通过数据总线传给中央处理器1,中央处理器1对收到的报警信息进行分析,通 过ZigBee无线网络对报警点进行定位,再与GPS单元5的定位信息进行位置比较,判断 故障点具体位置和距离,经中央处理器1处理发给触摸显示器4,以图文的形式显示在屏幕上,并提示终端使用者做出处理决策,处理决策指令可通过触摸显示器4输入,经中 央处理器1处理后由无线通信单元3发出;若持此终端的使用者无法现场定度处理办法, 可通过触摸显示器4输入上级监控中心管理人员手机号码,经中央处理器1和移动通信模 块9呼叫监控中心管理人员,由摄像机6拍摄故障现场信息给监控中心管理人员并通过麦 克风8和扬声器7进行语音交流,指导或指挥现场决策、应急预案部署和相应处理等。[0033] 在本实施方式中,移动式安全生产监控终端的作用相当于一台简化的手持式电 脑,内嵌相关操作软件,实现对生产现场的信息和设备参数的调整、定位和监控,类似 于一个在生产现场设置的一个移动式的监控中心;[0034] 在实际应用中,为实现油田各相关信息的共享,本监控终端将搭建的无线传感 器网络与油田现有的信息网络相连,通过各监控中心的GIS监控软件,用逐级授权的方 式安全实现油田信息的实时共享和交互。[0035] 本实施方式所述的监控终端与最近的任意一个ZigBee节点模块间的最远距离应 小于45米。ZigBee模块无线通信的有效通信半径是100米左右,在实际复杂的工业环境 中一旦相邻的一个ZigBee模块失效,则相隔此失效模块的两个ZigBee模块仍能通过自动 搜寻而进行通信,从而实现网络的自愈和自恢复,确保了系统的稳定性和可靠性。[0036] 本实施方式所述的监控终端的嵌入式软件是运用嵌入式开发系统、GIS技术、 GPS技术、三维浏览技术、手写输入技术相结合的架构实现,集信息采集、监测、定 位、控制、指挥(调度)为一体的嵌入式软件平台。

Claims (10)

1.基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端,其特征是:它包括中央处理器 (1)、天线(2)、无线通信单元(3)、触摸显示器(4)、GPS单元(5)和摄像机 (6),所述无线通信单元(3)的一号无线信号输入或输出端与天线(2)的无线信号输入或输出端连接,所述无线通信单元(3)的二号无线信号输入或输出端与中央处理器 (1)的无线信号输入或输出端连接;触摸式显示器(4)的控制信号输入或输出端与中 央处理器(1)的控制信号输出或输入端连接;GPS单元(5)的GPS信号输出或输入 端与中央处理器(1)的GPS信号输入或输出端连接;摄像机(6)的影像信号输出端与 中央处理器(1)的影像信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端,其特征在 于无线通信单元(3)为基于ZigBee技术的无线通信单元。
3.根据权利要求1或2所述的基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端,其特 征在于它还包括移动通信模块(9),所述移动通信模块(9)的通信信号输入或输出端 与中央处理器(1)的通信信号输入或输出端连接。
4.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端,其特征在 于移动通信模块(9)是GSM移动通信模块。
5.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端,其特征在 于移动通信模块(9)是CDMA移动通信模块。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终 端,其特征在于它还包括扬声器(7)和麦克风(8),所述扬声器(7)的声音信号输 入端与中央处理器(1)的声音信号输出端连接,麦克风(8)的声音信号输出端与中央 处理器(1)的声音信号输入端连接。
7.根据权利要求6所述的基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端,其特征 在于它还包括扩展卡(10),所述扩展卡(10)的数据信号输入或输出端与中央处理器(1)的数据信号输出或输入端连接。
8.根据权利要求7所述的基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端,其特征在 于扩展卡(10)为SD扩展卡。
9.根据权利要求8所述的基于无线传感器网络的移动式安全生产监控终端,其特征在 于扩展卡(10)为容量为小于或等于32G的SD扩展卡。
10.根据权利要求1、2、4、5、7、8或9所述的基于无线传感器网络的移动式安全生 产监控终端,其特征在于它还包括USB接口单元(11),所述USB接口单元(11)的 信号输入或输出端与中央处理器(1)的信号输入或输出端连接。
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