CN107395378A - 一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测***和方法。***包括采集器，中继器和服务器及客户终端。采集器有12个数据通道，可从6个数字和6个模拟传感器采集数据，然后通过无线方式将信号传给中继器。中继器通过无线通讯管理采集器，把信号通过互联网或局域网传给服务器。服务器将数据解析还原并分析处理，并且把原始和分析结果数据存到数据库。客户端是客户通过互联网或局域网看设备状态的平台。本发明的方法包括有线和无线相结合，采集器和中继器采用6LowPAN协议的无线单跳通讯，中继器和服务器之间用IPV6通讯协议，服务器和客户端用IPV4互联网协议。采集器和中继器主从式管理，二者间采用簇式拓扑结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测的传感网络技术，尤其涉及其中的数据采集器、数据中继器、数据服务器和客户终端之间的通讯软硬件和相关方法。
背景技术
设备运行状态监测与故障诊断的基本思想源于生物医学诊断，它是以机械动力学、电子学、信息论为基础，多学科交叉，多学科融合的工程技术。故障诊断的方法、手段和内容不断丰富, 现已发展成为一门新的综合***叉学科。设备实时监控和故障智能诊断***是将先进的电子传感技术、数据通讯传输技术、大型数据库应用技术、机械***故障诊断技术及计算机技术等有机地集成运用于一系列相关的重要生产设备上而建立的一种能在全方位为生产和设备维护人员提供实时、准确、高效的设备管理***。
目前， 有两类远程监测技术：其一，通过生产设备的DCS***采集设备的运行状态参数进行远程监测；其二，通过安装无线传感网络来远程监测设备的运行状况。这两种方法存在极大的局限性，不能够满足当前生产设备远程监测和故障诊断的需求。DCS***在工业生产中对设备状态的采集是采用有线通讯，基本上采用485或HART通讯协议。其主要的目的是保证生产的工艺的实施，而不是对设备维护和故障诊断。 因为采用有线方式传输数据，安装的传感器（观测点）非常有限，现场安装复杂，安装的成本也很高。而且，由于采用双线数据传输，数据传输速度有限。 因此采用工业中常用的DCS***技术来实现对设备运行状态的远程监测并不合适。常见的无线传感网络，包括采用Zigbee和Wireless HART协议的技术，可以避免上述DCS模式监测***的现场安装和成本问题，但是，常见的无线传感网络存在致命的缺陷：实时性差、数据传输量小、可调控性差，基本不能满足真正意义上的设备运行状态监测，更无法提供设备故障诊断通常所需要的大量数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于设备运行状态进行远程实时监测的***和方法。
本发明要解决的是现有远程设备运行状态监测***中存在的DCS***现场安装复杂、成本高和数据传输速度慢，以及无线传感网络的实时性差、数据量小等问题。
在本发明所述的远程实时监测***，包括前端数据采集器，中间数据中继器，后端服务器，以及远程客户端。其中前端数据采集器提供12个数据输入接口与传感器相连接（6个数字信号输入接口，6个模拟信号输入接口），采集器的电路设计具有本质安全防爆的功能，其供电电源既可以采用自供电（比如电池供电）也可以采用安全栅现场供电。数据中继器电路采用无火花防爆和隔爆设计；数据中继器有两个通讯模块：一个无线通讯模块和一个有线通讯模块；其无线通讯模块用于与前端的采集器通讯，其有线通讯模块用于与后端服务器通讯。后端服务器至少具有三个功能：数据解析和处理， 数据库的更新和维护，数据库访问请求的处理。客户端是客户在自己的电脑上通过访问服务器提供的访问接口界面，客户通过它能够实时查询和再现远程设备的运行状况。
本发明所述的物联网智能监测方法，至少包括：数据采集器的工作和休眠管理以及与数据中继器之间的无线通讯，中继器对采集器的时序安排和管理，中继器与服务器之间的通讯，用户终端与服务器之间的数据通讯和信息处理。
在本发明所述的远程实时监测方法中，数据采集器与中继器的通讯中采用基于6LowPAN协议的无线通讯方式。采集器和中继器之间采用无线单跳的连接方式，既方便现场采集器的安装，又能保证采集器采集的大数据被快速送到中继器。中继器和服务器通过以太网/局域网连接，采用IPV6 UDP通讯协议， 使得中继器上的数据可以大量快速地从远距离的设备上传递给服务器。
本发明所述的远程实时监测方法中，使用中继器对采集器进行动态排序和管理，从而实现采集器的最大休眠和节能，同时保证中继器对采集器的主从控制。采集器采用它的MAC地址转化为IPV6地址用来作为该采集器的唯一标示。中继器在和采集器建立联系后，中继器将建立一个路由表来记录各个采集器的多种属性，包括初始化状态和当前状态等。中继器在收到采集器的通讯信息时将检查采集器的各种特征，包括无线信号的强弱，当前的网络工作状态等来判断采集器应该执行的任务是什么，并将指令传给此节点。
本发明所述的远程实时监测方法中，中继器采用MAC地址转换而来的IPV6地址和指定服务器之间的通讯，报头比较短，为数据传送节省更多的可用字节长度。 采集器中的数据包的长度不大于以太网中各种路由器允许一次发送最大数据包中的最小长度，因此中继器或者后面路由器都可以避免数据包过大而需要重新打包的需求，提高数据传输的速度。本通讯采用UDP协议，避免了TCP协议在数据传输时不具备实时性的缺点。 同时在本发明中，终端用户可以通过终端程序或者服务器控制程序远程对某一个采集器发出指令更改数据的上传频率，而不影响其他的采集器的正常数据上传。本发明所述的远程实时监测方法中，通过采用定义采集器优先级别的方法来确定采集器的数据上传频率。所有采集器的缺省优先级别均为1，即：在中继器的一个扫描周期内，采集器上传一次数据。 当采集器的级别为2或3，表明采集器在中继器的一个扫描周期内，应该上传2或3次数据。以此类推。 每个采集器在与中继器建立通讯时，被记录在中继器的注册表中，并且在扫描周期中分配一个固定的时段给采集器用于数据上传。当增加采集器上传频率时， 必须在中继器的固定扫描周期内添加相应的上传时间段开放给次采集器。 下面的方程用来确定采集器在每个扫描周期内的上传数据的时间段
Ct =mod{[tn +round(i×m/p)], m}, 或 Ct =mod{[tn +1+round(i×m/p)], m}
其中Ct, tn, i, m, p,分别为采集器上传频率更改后的上传数据的时间段位置，采集器上传频率更改前缺省的上传数据的时间段位置，计算参数(i =1,…., n), 中继器在一个扫描周期内应该访问采集器的最多数量，优先级别，采集器设置的最高优先级别。round() 是取整函数, mod（x, y）是整除取余函数。
本发明所述的远程实时监测方法中, 服务器解析程序按照一定规律将数据包解析并存放到数据库的相关表中，同时分析数据是否触发报警信息。 如果是触发报警信息，报警信息将通过文字，短信，邮件和声音在服务器上传递给操作人员，同时产生的报警信息被存入数据库中以被远程终端用户的查询。
本发明的优点：本发明基于前端无线单跳和后端以太网的方式进行通讯，可以增强数据传输的速率，提高***的实时监测能力；而且能够在简化现场安装的同时，增强***的抗干扰能力。 在通信过程中，采集器直接对中继器工作，节省采集器的能耗。在信息处理中， 设备的故障预警信息可以自动产生并传递给相关操作人员，并且给用户提供接口来更改***前端的采集器的设置。
附图说明
图1是远程监测传感网应用示意图。
图2，图3和图4是本发明中继器维护无线网络通讯流程应用示意图。
图5是本发明数据采集器收到指令后的处理流程应用示意图。
图6是本发明服务器收到上传数据后的基本处理流程应用示意图。
图7是本发明使用更改采集器上传采集数据频率指令后,服务器收到上传数据应用实例图。
具体实施方式
下面结合附图及实例，对本发明作进一步说明。
图1示出的无线传感网络，其中包括中继器为簇首、采集器为节点的单跳无线网络，中继器和服务器以及其他的终端用户等之间的有线网络。 每一个中继器采用某个特定的通讯频率（信道）与其簇内采集器进行无线通讯。 相邻的簇采用互不干扰的信道，互异的簇ID和密码字从而保证各个簇内信息的准确传输。
图2所示为本发明的中继器无线网络维护过程流程示意图，中继器每隔一段时间就无线广播包含中继器IP地址等通讯信息，等待数据采集器的应答加入。当中继器接收到采集器的应答或通知时, 即刻判断此采集器的状态并且确定相关指令发给采集器。首先判断采集器是否已经加入无线网络, 未曾加入的新采集器将被中继器注册在登记表中,按照采集器的编号,中继器确定此采集器在登记表中的位置和采样周期内的休眠时间，并且初始化它的其他特征参数; 图3作为一个样例展示中继器收到采集器的信息后, 将它们按照一定的顺序安排上传数据, 采集器的数据上传时间不受它加入网络时间影响, 而是完全由中继器判断,从而优化整个***的时间管理; 已经登记的采集器是否失联, 如果失联，当前连续失联的次数是多少，当采集器的失联次数超过指定值时，采集器将被要求重新启动来建立稳定的连接。如果通讯正常，中继器将判断采集器当前的任务和当前的状态是否相符合； 当采集器的状态分析完成后，中继器向采集器发出相应的指令或测试信息。当采集器应该进行休眠时，中继器发出的指令中包含采集器的休眠时间。此休眠时间是根据采集器下一次唤醒的时间，上一次唤醒时间，登记表中的休眠时间和实际工作时间进行计算和动态调整后得出的，以确保采集器和中继器的同步工作，并降低采集器的待工时间。从而降低采集器的总体功耗。采集器个体的加入和退出不会影响***的整体稳定性;图4展示中继器在多个采集器加入或退出或短暂失联的情况下,仍然能稳定地处理相关事件,并能准确及时将采集器的数据转发给服务器。
中继器根据用户预先设定的要求，指令采集器连续采集一定次数的信号进行处理，包括积分等，然后将这些数据的统计特征参数，包括算术平均，最大最小值等发送给中继器。每当中继器从采集器收到一定次数的处理后的测量数据时，中继器将指令采集器连续采集若干数据并且将未加处理的数据上传。
图5所示为数据采集器收到指令后的处理流程。首先，判断由UDP端口接收到的信息是从无线网络中来，还是***提供，或者是***设置的时钟发出的。 如果是网络信息，采集器进行解析后，作相应时钟设置和处理。若信息是***提供，一般都是进行初始化处理。如果是由***时钟提供，将分析是由哪个时钟提供，然后在进行相应的操作。
图6所示为服务器收到上传数据后的基本处理流程。当服务器发现数据接收端口有数据时立刻取出并放在指定的内存中。当内存中数据长度达到或超过设定长度时，从内存中取出设定长度的数据（按照先进先出的原则来操作）进行解析和处理。 首先将数据储存到数据库相应的表中，并调取与数据相关的设备的相关技术参数和管理信息，根据设备的技术参数和检测到的状态参数进行分析。如果分析结果表明设备可能发生故障，或者可能在故障状态工作，***将产生相关故障警告信息，储存在数据库的对应表中，故障预警分为蓝，黄，橙和红四级报警，同时根据此设备的管理信息向相关的操作和管理人员以短信，邮件等方式自动发出警告信息。 在服务器上***会以滚动文字在显示屏及时展现和更新所有的警告信息，同时陪以声音警告提醒服务器的操作者。
图7所示本发明采用的远程变频技术, 指令采集器改变数据上传频率后, 服务器收集到的不同频率的上传数据的应用案例图。
上述用来说明本发明原理的实例，在任何方式下不应该被视为对本发明范围的限制。本领域技术人员将理解，可在任何适合布设的远程传感网监测中实现本发明的原理。
Claims (10)
1.一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测***，其特征在于至少包括：
（１）数据采集器，连接安装在设备或装置上的数字和模拟传感器，并按照一定规律从传感器采集和处理被监测设备的状态参数；
（２）数据中继器，采用无线通讯方式和一个以上的数据采集器组成局部无线网络，并成为该网络簇首，管理分配其隶下的各数据采集器的工作，并收集采集器数据同时把数据传到服务器；
（３）数据服务器接收、解析并处理数据中继器传上来的各种数据，并保存到服务器的数据库中；
（４）客户终端，为终端客户提供远程设备的运行状态的再现，以及设备预警信息的传递。
2.如权利要求1所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测***，其特征在于所述的数据采集器包括中央处理器，***时钟，无线接收发送模块，供电电压检测模块，本质安全防爆电源电路保护模块和传感器接口模块。
3.如权利要求1所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测***，其特征在于所述的数据中继器包括中央处理器，***时钟，无线接收发送模块，以太网模块，安全防爆或隔爆电路保护模块。
4.如权利要求1所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测***，其特征在于所述的数据服务器包括数据接收、解析、保存，设备状态分级预警信息的产生、管理，用户信息以及设备信息管理的服务器软件程序。
5.如权利要求1所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测***，其特征在于所述的客户终端包括使用户可以通过以太网或者企业局域网查询设备实时和历史运行状态的软件程序。
6.一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测***， 其方法的特征在于至少包括：
采用6LowPAN的无线通讯方法，应用于数据中继器和数据采集器之间的无线通讯；
基于IPV6的以太网通讯方法，应用于数据中继器和数据服务器之间的网络通讯；
采集器优化管理方法，应用于数据中继器中产生和管理其隶下的采集器的工作任务；允许终端用户通过***的终端程序或者数据服务器中程序对采集器的工作状态进行在线调整。
7.如权利要求6所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测***， 其方法的特征在于所述的数据中继器和数据采集器之间的无线通讯采用6LowPAN协议。
8.如权利要求6所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测***， 其方法的特征在于所述的数据中继器和数据服务器之间的网络通讯无线通讯采用IPV6 协议。
9.如权利要求6所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测***， 其方法的特征在于所述的数据采集器的工作任务包括数据的采集、数据的处理、打包、休眠等正常情况下都由数据中继器进行管理。
10.如权利要求6所述一种基于6LowPAN协议的物联网智能监测***， 其方法的特征在于所述的数据采集器的工作任务在紧急情况下可以允许终端用户通过***的终端程序或者数据服务器中程序对采集器的工作状态进行在线调整。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20171124 |