CN214748097U - 一种远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，由智能监测管控终端、雾端服务器设备两部分组成，具体包括：微处理器设备、终端无线通讯接收器、A/D转换器、模拟量传感器、模拟量接口、数字量采集接口、数字量接口、终端电子标签处理单元、终端电子标签天线、设备控制器、设备控制接口、设备状态信息采集器、生产设备、终端电源管理单元、核心处理器、雾端无线通信设备、雾端有线通信设备、生产信息显示设备、生产信息输入设备、雾端电子标签处理单元、雾端电子标签天线、现场调试设备、雾端电源管理单元、外接电源接口。

Description

一种远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备

技术领域

本实用新型是一种远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，涉及云计算、雾计算、物联网通信技术领域，特别是提供了一种远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备。

背景技术

沼气工程中需对沼气的流量、浓度、pH值、压力、设备温度等运行参数和沼气生产设备的运转状况进行监控，并通过对这些数据的分析整合进一步优化生产过程，提高生产效率。这样的生产要求使得管控系统需具备实时监测和实时存储监测数据的功能，需要数据分析整合的功能，还需要具备对生产设备(13)的控制能力。为进一步挖掘数据信息，还需要管控系统具备远程通信数据传输功能，为及时了解生产信息，管控中心和智能监测管控终端(25)还需具备人机交互功能。

现阶段，沼气工程相关系统的建设一般只能完成监控工作，且一般由相关工作人员持检测设备巡回检测，数据由采集到最终检测中心需经多重步骤。现有监测设备大致由专用传感器、数据处理器、人机交互设备、通讯设备、电源设备等组成。缺陷在于数据的收集上传周期过长，数据需由人工采集，存在漏报瞒报的可能，数据可信度低；监测系统所收集的数据无法实现动态连续的采集，无法及时了解生产设备(13)的运转生产状况，不易对生产过程及时更变等。

实用新型内容

本本实用新型所要解决的问题是提供一种远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，使其在基于云计算的远程实时沼气运行参量监测系统运行条件下，克服现有监测系统存在的弊病。

本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是一种远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，其中，智能监测管控终端(25)包括微处理器设备(1)、多种物理量采样模拟量传感器(4)、多种数字量采集接口(6)、通讯单元、现场调试单元和终端设备机壳以及终端电子标签处理单元。雾端服务器设备(26)包括雾端核心处理器(15)、通信设备、生产信息显示设备(18)、生产信息输入设备(19)、现场调试单元、雾端电源管理单元(23)、外接电源接口(24)、雾端设备机壳以及雾端电子标签处理单元。所有设备都配备相应的电源管理单元及电源接口。所有单元之间根据不同设备的需求相应配备无线或有线连接方式连接，所有设备单元与机壳之间都采用机械连接。设备机壳包裹的所有单元与电子标签处理单元之间的信息是通过短距离无线通讯连接的，两者间无结构连接。

所述的多种物理量采样模拟量传感器单元(4)是根据沼气监测需要配置的各种传感器和A/D转换器(3)，其中传感器用于将物理量转变为电信号，传感器包括CH4浓度传感器、CO2浓度传感器等气体探测传感器，以及气体温度传感器、气液压力传感器、pH值传感器、液位传感器等。

A/D转换器(3)用于将由模拟量传感器(4)转换而成的电信号转变为微处理器设备(1)可接受的数字信号，然后将A/D转换器(3)和数字量采集接口(6)中的数据进行读取上传，并负责处理与相关无线通讯单位之间网络的组建。

相关无线通讯单元按照微处理器设备(1)中的程序要求实现智能监测管控终端(25)与雾端服务器设备(26)的数据通信。

所述的多种数字量采集接口单元(6)是根据监测需要配置的各种数字信号采集接口，其中包括流量计、液位计、转速计、计数器、电子标签读写器、GPS定位等。

所述的微处理器设备(1)是通用或专用嵌入式MCU和数据存储器，用于采集、处理由采样单元获取的数据，并将结果上传至雾端服务器设备(26)。微处理器设备(1)还负责处理与其他终端电子标签处理单元(8)之间的数据交换。

根据本实用新型的远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备可以监测的设备包括大中型规模集中式沼气工程生产设备。

根据本实用新型的一种远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备可以作为基于云雾协同计算和物联网通信技术的沼气工程生产监测管控系统构架的终端监测设备。

由于技术进步和集成度提高，有些新型微型处理器设备芯片集成了无线通讯功能和电子标签读写功能，可以将微型处理器、无线通讯单元及电子标签处理功能整合为一个单元，有些微型处理器设备还集成了多路A/D转换器，这使得智能终端中的A/D转换器(3)可以省略。例如，在本实用新型的一个变型中，可以将微处理器设备(1)、相应无线通讯设备以及数字量采集接口(6)均可按需合理组合集成为嵌入式MCU。

所述的终端无线通讯接收器(2)是指各种可接入无线通信网络的远程无线通讯模块，现阶段为GSM/GPRS等标准的3G或4G，以及Wi-Fi、ZigBee等和无线通讯收发器，用于按照处理器中的程序要求实现智能监测管控终端(25)和雾端服务器设备(26)的数据通信。

所述的终端电源管理单元(14)由电源管理芯片组、内置电池和外接电源组成，用于提供智能监测管控终端(25)运行所需的电力供应。

所述的智能监测管控终端(25)机壳应满足沼气设备现场工况要求，是具备防爆、防火、防水、抗冲击、抗腐蚀的机壳。智能监测管控终端(25)机壳固定于被管控设备上。

所述的雾端核心处理器(15)是服务器级别处理器芯片，可选用x86核心构架的处理器，用于分析并存储由智能监测管控终端(25)的上传数据，该处理器还负责与云端服务器(28)之间的数据交换，具备自主学习功能，可对云端服务器(28)的回执结果以及工作人员的操作流程进行学习，以便用于日后的设备控制工作。

所述的雾端无线通信设备(16)是指各种可接入无线通信网络的远程无线通讯模块，现阶段为GSM/GPRS等标准的3G或4G，以及Wi-Fi、ZigBee等和无线通讯收发器，用于按照处理器中的程序要求实现智能监测管控终端(25)、云端服务器(28)以及相关人员的数据通信。

所述的雾端有线通信设备(17)是指各种可接入有线通信网络的远程有线通讯模块，现阶段为Internet等通信手段，用于按照处理器中的程序要求实现与智能监测管控终端(25)、云端服务器(28)的数据通信工作。

所述的生产信息显示设备(18)是可将生产信息、运行参数、设备状态等参数进行实时通告的设备，一般以LED或LCD屏幕为载体进行显示。

所述的生产信息输入设备(19)是工作人员用于输入生产操作指令的键盘、鼠标等输入设备。

所述的雾端服务器设备(26)机壳应满足沼气设备现场工况要求，是具备防火、防水、抗冲击的机壳。雾端服务器设备(26)机壳固定在雾端服务器设备(26)上。

所述的电子标签处理单元均采用非接触式射频电子标签。智能监测管控终端(25)、雾端服务器设备(26)与其对应电子标签处理单元之间的距离不能超过该电子标签标准许可的识别范围。电子标签以设备铭牌的形式固定于智能监测管控终端(25)或雾端服务器设备(26)上并与设备机壳保持一定距离，用于标识相应设备的唯一性，电子标签中的数字序列号UID为针对该设备的身份认证和数据加密的编码、解码提供特征。

所述的现场调试设备(22)可在相应调试程序下分别对智能监测管控终端(25)中的微处理器设备(1)和雾端服务器设备(26)中的核心处理器(15)由相关工作人员操作实现现场调试和设备检修维护。

附图说明

图1为本实用新型结构及内部连接关系示意图。

图1中，微处理器设备(1)、终端无线通讯接收器(2)、A/D转换器(3)、模拟量传感器(4)、模拟量接口(5)、数字量采集接口(6)、数字量接口(7)、终端电子标签处理单元(8)、终端电子标签天线(9)、设备控制器(10)、设备控制接口(11)、设备状态信息采集器(12)、生产设备(13)、终端电源管理单元(14)、核心处理器(15)、雾端无线通信设备(16)、雾端有线通信设备(17)、生产信息显示设备(18)、生产信息输入设备(19)、雾端电子标签处理单元(20)、雾端电子标签天线(21)、现场调试设备(22)、雾端电源管理单元(23)、外接电源接口(24)、智能监测管控终端(25)、雾端服务器设备(26)。

图2为采用本实用新型所构建的基于云雾协同计算和物联网通信技术的沼气工程生产监测管控系统构架。

图2中，终端电子标签处理单元(8)、智能监测管控终端(25)、雾端电子标签处理单元(20)、雾端服务器设备(26)、雾端监测数据备份中心(27)、云端服务器(28)、云雾端访问设备(29)、广域网(30)、局域网(31)、云端备份中心(32)。

具体实施方式

下面结合说明书附图对实施例加以详述。

图1中在智能监测管控终端(25)微处理器设备(1)的程序存储器中安装该嵌入式MCU的操作系统相应单元的管控程序，系统启动后，终端电源管理单元(14)首先为微处理器设备(1)供电，并在微处理器设备(1)的控制下分别为各设备单元供电，整个系统在微处理器设备(1)的控制下完成初始化。

采用本实用新型所构成的设备工作可分为以下若干流程

1、智能监测管控终端(25)状态检测流程

此流程用于对智能监测管控终端(25)及与之对应的电子标签进行身份认证，由此判断智能监测管控终端(25)是否被移动(以避免发生谎报和瞒报)。智能监测管控终端(25)依据协议，通过终端电子标签处理单元(8)、终端电子标签天线(9)向电子标签发送控制命令，电子标签接到控制命令后自动返回本电子标签中的序列号UIDN，经终端电子标签处理单元(8)读出并送达微处理器设备(1)，微处理器设备(1)将设备生产时预存储在其中的该电子标签序列号UIDN与从电子标签读出的序列号UIDN进行比较，如UIDN≠UIDM，表明智能监测管控终端(25)被移动，则微处理器设备(1)通过终端无线通讯接收器(2)向雾端服务器设备(26)发出报错信息，中断后续操作。如UIDN＝UIDM，说明该智能监测管控终端(25)的身份认证通过，可进行后续操作，在后续全部数据传输过程中，UIDN均作为数据加密的密钥。

2、雾端设备状态检测流程

此流程用于对雾端服务器设备(26)及与之雾端电子标签处理单元(20)进行身份认证，由此确定雾端设备操作人员的登录信息(即身份)是否正确(以避免发生违规操作)。具体过程与智能监测管控终端(25)状态检测流程中相同。

3、被监测物理量采集流程

智能监测管控终端(25)的模拟量接口(5)和数字量接口(7)分别与被监测沼气工程生产设备(13)连接，被监测模拟量经传感器转变为连续电信号送至A/D转换器(3)，在微处理器设备(1)控制下，连续电信号转换成离散的数字序列，并送至微处理器设备(1)；被监测的数字量经数字量采集接口(6)在微处理器设备(1)的控制下送达微处理器设备(1)定时对数字量采集接口(6)采集的数据进行读取，并将数据上传并存储于雾端服务器设备(26)中，由此完成一次物理量采集。

4、数据通讯流程

微处理器设备(1)启动无线通讯程序，控制无线通讯单元使智能监测管控终端(25)与雾端服务器设备(26)建立通讯，智能监测管控终端(25)将采集到且已经数字化的监测数据传送到雾端服务器设备(26)，雾端服务器设备(26)对智能监测管控终端(25)上传的数据进行解码，并进行防伪判断和数据安全分析，将结果输入雾端服务器设备(26)中的监测数据库，同时以浏览器、邮件、即时信息、短信等表现层软件作为公布监测数据和提交监测服务的界面，并将这些数据实时显示在生产信息显示设备(18)上。

5、数据备份流程

为确保监测数据安全可靠，系统配置了雾端监测数据备份中心(27)，可将智能监测管控终端(25)上传的所有数据信息实时完整的进行备份。当云端服务器(28)每进行一次数据更新时，也会将传递数据在云端备份中心(32)中进行备份。

6、远程监测流程

对本监测系统的访问和数据服务是通过各种具有Internet网络功能的云端服务器(28)或雾端服务器设备(26)实现的。每处沼气工程单位均配备雾端服务器设备(26)，单位内生产人员、管理人员可通过广域网(30)或局域网(31)访问雾端服务器设备(26)，根据登录人员访问权限，查阅即时或历史生产信息、工程设备运行情况、生产计划资料等，也可通过广域网(30)访问云端服务器(28)，根据登录人员访问权限，从云端服务器(28)获取数据二次分析结果、生产优化方案、生产资源调配情况等信息。

7、管控流程

云端服务器(28)可对采集数据进行深度解析，根据不同雾端服务器设备(26)所在生产单元的情况分别发放固件更新数据以供生产需要，并对生产单元的设备故障提出修正方案，通过网页公告或手机短信的方式通知生产管理人员进行合理规划调配，是一种集服务器托管、数据库、呼叫中心、短信中心、网站内容服务以及网络安全功能于一体的第三方网络服务提供者。

雾端服务器设备(26)将智能监测管控终端(25)上传的监测数据结果经简单分类整理后上传至云端服务器(28)，云端服务器(28)利用其强大数据分析计算能力，对生产过程步骤、生产资源分配情况、生产设备故障信息、沼气运输使用效率等进行分析计算并将结果进行回执。

智能监测管控终端(25)将接收生产优化方案、设备故障分析方案，更新操作信息，并将信息下载至智能监测管控终端(25)中的微处理器设备(1)，进一步做出生产设备(13)上的动作调整，最终达到不需人为干预即能完成生产设备(13)管理控制的目的。生产资源供给地将接受资源调配信息，生产资源供给地的工作人员即可根据信息将生产资料分配给需求生产单元。沼气运输供给单元将接受沼气使用效率信息，及时调整供气流量以提高沼气使用效率。所有回执信息的实行结果也会被再次上传至云端服务器(28)，由云端服务器(28)继续计算，智能监测管控终端(25)与雾端服务器设备(26)也将进一步完成相应管控工作。

实施例

一个由本实用新型所述的智能监测管控终端(25)、雾端服务器设备(26)和云端服务器(28)构建的远程实时沼气运行参量监测管控系统，对大中型规模集中式沼气工程进行管控。

系统启动后，智能监测管控终端(25)中的微处理器设备(1)首先通过识别电子标签对沼气设备进行身份认证，如认证未通过，微处理器设备(1)即通过无线通讯单元向雾端服务器设备(26)发送报错信息。如认证通过，微处理器设备(1)启动被监测物理量采集流程，数据采集流程结束后，微处理器设备(1)启动数据通讯流程，数据被传送到雾端服务器设备(26)中，雾端服务器设备(26)中的数据库管理软件自动处理该数据，内容处理软件自动生成监测数据报表，如发生智能监测管控终端(25)报错现象，雾端服务器设备(26)根据预设的报错处理规则，利用浏览器、邮件、即时信息对云雾端访问设备(29)、相关工作人员发出报警信息。

县、市、省和国家沼气项目主管部门、所有沼气设备使用单位和沼气用户均可利用云雾端访问设备(29)在自身权限下访问云端服务器(28)、雾端服务器与智能监测管控终端(25)，例如某市沼气主管部门即可以通过云端服务器(28)网页查询本市沼气设备的整体运行状况，也可以访问查询某处生产单位的详细监测数据。

沼气工程单位内工作人员也可根据来自雾端服务器设备(26)信息及时了解沼气池的温度、压力、pH值、产气量等数据，并结合云端服务器(28)相关回执信息，及时对沼气生产设备(13)进行维护检修，采取调整酸碱度、调整沼气池温度、检查沼气池气密性等措施。

再例如某集中沼气供应商为客户提供沼气能源，沼气供应商便可利用云雾端访问设备(29)访问雾端服务器设备(26)或云端服务器(28)，查询任意时间段沼气的累计流量，定制详细的沼气供给方向并做出沼气供气服务计费的依据的合理调整。

本实用新型的有益效果

1、使用本实用新型所构建的远程实时沼气运行参量监测管控系统工作状况为全天候、全自动、定点、无需过多人工干预，可有效杜绝人工监测的漏测瞒报问题，数据加密技术屏蔽了人工篡改数据的可能性，做到连续、实时的数据监测，提高了系统运行效率；设备的维护、调整工作可达到有据可寻、设备正常运转时间和使用寿命都会得到延长；沼气的生产及使用情况变得清晰，可根据不同时间空间做出合理调整；生产资源也会得到合理利用，避免资源分配不均的问题。

2、采用嵌入式的处理单元使智能监测管控终端(25)具有低成本、低功耗，体积小的特点，可以实现沼气设备的全面监测管控；雾端服务器设备(26)的使用，可在大量智能监测管控终端(25)投入使用的时候有效减轻云端服务器(28)计算压力及数据流量信息，雾端服务器设备(26)具备学习功能，随着信息量的增加完全能胜任生产单元的终端设备管控工作；云端服务器(28)具有巨大的系统计算分析能力，可实现监测数据的二次分析计算，得出生产优化方案，预测生产前景，完成资源的合理分配，整体过程中全部执行命令、操作步骤、原始信息、优化配置信息等都会备份于云端备份中心(32)。

3、由于智能监测管控终端(25)、雾端服务器设备(26)和云端服务器(28)几乎支持所有智能设备，因此本系统对于监管机构、相关使用人员均可提供数据信息查询服务，在沼气工程生产设备管理和日常使用维护中发挥着积极作用。

Claims (10)

1.一种远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，其特征在于，所述雾端管控设备，由智能监测管控终端(25)、雾端服务器设备(26)两部分组成，具体包括微处理器设备(1)、终端无线通讯接收器(2)、A/D转换器(3)、模拟量传感器(4)、模拟量接口(5)、数字量采集接口(6)、数字量接口(7)、终端电子标签处理单元(8)、终端电子标签天线(9)、设备控制器(10)、设备控制接口(11)、设备状态信息采集器(12)、生产设备(13)、终端电源管理单元(14)、核心处理器(15)、雾端无线通信设备(16)、雾端有线通信设备(17)、生产信息显示设备(18)、生产信息输入设备(19)、雾端电子标签处理单元(20)、雾端电子标签天线(21)、现场调试设备(22)、雾端电源管理单元(23)、外接电源接口(24)；其中：智能监测管控终端(25)中的微处理器设备(1)对A/D转换器(3)、数字量采集接口(6)的数据进行读取并上传至核心处理器(15)进行分析、存储，完成各智能监测管控终端(25)之间的通信网络组建工作，其中A/D转换器(3)用于将被模拟量传感器(4)转变成的电信号转变为微处理器设备(1)可接受的数字信号；核心处理器(15)将从智能终端接受的数据分析、存储后经雾端无线通信设备(16)或雾端有线通信设备(17)完成与云端服务器(28)的数据通信并等待其的回执信息。

2.按照权利要求1所述的远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，其特征在于，被管控设备为沼气工程中的生产设备。

3.按照权利要求1所述的远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，其特征在于，所述远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备可以作为基于云雾协同计算和物联网通信技术的沼气工程生产监测管控系统的雾端管控设备。

4.按照权利要求1所述的远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，其特征在于，核心处理器(15)根据云端服务器(28)回执结果完成沼气生产设备(13)的管控工作。

5.按照权利要求1所述的远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，其特征在于，所述的模拟量传感器(4)有多种检测功能，每种功能允许有多个冗余。

6.按照权利要求1所述的远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，其特征在于，所述数字量采集接口(6)允许有多个功能。

7.按照权利要求1所述的远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，其特征在于，所述智能监测管控终端(25)中的微处理器设备(1)、雾端无线通信设备(16)以及数字量采集接口(6)均可按需合理组合集成为嵌入式MCU。

8.按照权利要求1所述的远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，其特征在于，所述电子标签(8、20)均采用非接触式射频电子标签。

9.按照权利要求1所述的远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，其特征在于，所述电子标签处理单元(8、20)与雾端内各设备的距离不能超过电子标签许可的识别范围。

10.按照权利要求1所述的远程实时沼气工程运行参量雾端监测管控设备，其特征在于，所述雾端核心处理器(15)可接入多个智能监测管控终端(25)，且生产过程所有生产信息可按需显示在生产信息显示设备(18)上。

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