基于无线传感节点的物联网监测系统

发 布:2016/11/3 13:58:38查 看:24426

    基于无线传感节点的物联网监测系统。该系统具有部署简单、成本低廉、易于维护、无缝云端联网处理等特点,可广泛应用于车联网、智慧校园、智慧城市等使用场景中。

 
应用领域:
1. 智慧园区(校园/小区/工厂)物联网,例如:小区智慧安防、小区老人小孩一键呼叫、区域入侵检测、水电燃气表数据联网、智慧消防报警、无线传感网络等。
2. 智慧城市物联网,例如:城市马路车位探测管理,城市河道和低洼地区水位探测联网,路灯在线管理,桥梁道路传感器联网,等。
3. 智慧农业,大型农场区域内土壤、温度、作物数据联网上线,依据环境条件的大棚自动卷帘动作等。
4. 智慧物流,通过在物流商品中植入传感芯片,供应链上的购买,生产制造,包装,装卸,存储,运输,分配,出手每一个节点都可以获得感知信息,冷链的控制管理,这些信息可以和后台GIS/GPS数据库结合,组成物流信息网络。
 
一.    技术框架
      低功耗广域网Low-Power Wide-Area Network (LPWAN)是为物联网应用中的M2M通信场景优化的,由电池供电的,低速率、超低功耗、低占空比的,以星型网络覆盖的,支持单节点最大覆盖可达100公里的蜂窝汇聚网关的远程无线网络通讯技术。
      该技术是近年国际上一种革命性的物联网接入技术,具有远距离、低功耗、低运维成本等特点,与WiFi蓝牙、ZigBee等现有技术相比,LPWAN真正实现了大区域物联网低成本全覆盖。
      LPWAN是对目前蜂窝通信网的重要补充,主要解决物联网的末端1km通信问题。通过WAN或者LAN的建设,解决物联网通信中的距离和功耗的双重问题。
二.   LORA系统介绍
       LoRa是一种规范安全、电信级、低功耗广域网技术标准,是两大低功耗广域网标准之一。
LoRa采用无线扩频调制技术,实现了低功耗远距离的通信效果。其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm,与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比,最高的接收灵敏度改善了20db以上,这确保了网络连接可靠性。使用线性调频扩频调制技术,即保持了像FSK(频移键控)调制相同的低功耗特性,又明显地增加了通信距离,同时提高了网络效率并消除了干扰,即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送也不会相互干扰,因此在此基础上研发的集中器/网关能够并行接收并处理多个节点的数据,大大扩展了系统容量。
       LoRa主要在全球免费频段运行(即非授权频段),包括433、868、915 MHz等。LoRa网络主要由无线物联网节点、物联网网关、云端管理平台和客户端组成。在客户的现场需要部署的只有2种设备:传感器节点和物联网网关。
 
LoRa的优势主要体现在以下几个方面:
 
1.大大的改善了接收的灵敏度,降低了功耗,易于部署
 
其通信距离可达10-20km。其接收电流仅10mA,睡眠电流200nA,这大大延迟了电池的使用寿命,电池供电时间8-10年。
 
2.基于该技术的网关/集中器支持多信道多数据速率的并行处理,系统容量大。
 
网关是节点与IP网络之间的桥梁(通过2G/3G/4G或者Ethernet)。每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信(假设每次发送10Bytes,网络占用率10%)。如果把网关安装在现有移动通信基站的位置,发射功率20dBm(100mW),那么在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右,而在密度较低的郊区,覆盖范围可达10公里。
 
3.基于终端和集中器/网关的系统可以支持测距和定位。
 
LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间,而定位则基于多点(网关)对一点(节点)的空中传输时间差的测量。其定位精度可达5m(假设10km的范围)。
 
这些关键特征使得 LoRa技术非常适用于要求功耗低、距离远、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用,如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等等应用和领域。
各种系统优点对比
 
三.       IOT传感器的种类
      传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展,让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官,让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。
常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟:
光敏传感器——视觉
声敏传感器——听觉
气敏传感器——嗅觉
化学传感器——味觉
压敏、温敏、流体传感器——触觉
敏感元件的分类:
物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。
化学类,基于化学反应的原理。
生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
 
四.   相关案例
1.石油化工企业安全监测系统
     石油天然气的运输系统由油罐,输油管道和其他分散设备组成。整个系统的各个设备的工作状态直接关系到系统的稳定和安全。目前大多数由人工定时的检查和统计数据。由于这些设备分布范围大多有几十到上百平方公里,人工的强度非常大,而且实时性和准确性都不是很好。现代化的信息化管理变得越来越重要。石油天然气的运输存储系统监测系统是基于LoRAWAN的协议和相关的传感器以及云数据存储分析平台实现实时监控石油天然气的运输和存储设备的运行状态监测测量,数据统计。实现管理的的自动化,高效率和低成本。
2 .智慧校园
 
      基于物联网技术的智慧校园如下内容:安全校园、智慧教学楼、智慧宿舍楼、智慧监控、室外物联网。只需少于5个网关,即可无线覆盖整个校园。在智慧校园里面,有遍布校园的一键呼叫、教室、宿舍着火自动报警。学校管理者通过校园APP,可以实时定位学生轨迹和人群分布;通过监控画面智能分析,可以对人员聚集、非法入侵、等10项人员异常行为进行预警,提高园区安全指数
 
3.工业无线监测
 
      无线应变测量系统由无线应变传感器节点、网关、计算机采集处理软件组成。无线数字信号传输方式消除了长电缆传输带来的噪声干扰,整个测量系统具有极高的测量精度和抗干扰能力。无线传感器节点采用无线网状网设备,可以组成庞大的网络结构,支持多达上千个测点同时进行大型结构试验。无线应变测量系统被广泛应用于桥梁、建筑物、飞机、船舶、车辆、起重机械在线监测等。本系统采用先进的发射/接收和应变测量设备,便于安装,工作稳定性高,其主要性能指标如下:

- 内置高容量电池.
- 采用低功耗lora模块.
- 高达20KM传输距离.
- IP66设计适用于车载及外场测量.
- 100%程控设置.
- 单个应变设备内置8个应变测量通道,最多可扩展到64个通道.
- 多个应变设备可以串联使用.
- 支持WBK系列信号调理和扩展模块.
- 每个通道有独立的滤波器.
- 1MHz ADC.
- 通道之间的时延小于100ns.
 
4.智慧农渔畜业
      我们基于LORAWAN协议的智慧农渔畜业平台,实现了精准的传感器监测,配合我们的云数据分析和后台管理系统,将软件分析的结果配合指令控制相关设备联动完成大规模农渔畜业的生产和管理。提高了传统了靠天吃饭的农渔畜业的抗风险能力。
       利用智慧农渔畜业平台,通过在农田,温室,鱼塘,畜圈,林园等目标区域的大量传感节点,实时的收集温度,湿度,光照,气体浓度,水质,营养,饲料等信息并汇总到平台。并根据需要调动跟踪设备进行通风,调光,滴灌,喂食等动作,实现对农渔畜业的自动控制
 
5.     5.海上钻井平台无线震动测试系统 
     
近年来,海上钻井平台由震动引起的倒塌事故层出不穷,传统的震动测试系统会在平台上布几十甚至 上百个的震动/应变传感器,然后由很多的线缆将各个传感器连接起来进行震动方面的测试,由于钻井平台 是一个非常忙碌的工作区,太多的线缆会严重的影响到工作效率,严重的情况下还会引起安全生产事故, 因此对于无线传感器的需求应运而生。 

 ·系统配置 
  
嘉兆研发的无线震动测试系统由一个无线网关和多个无线应变节点组成,如下图所示:

       每个无线应变节点可以无线遥测该位置的应变数据,本无线应变节点基于低功耗设计,可用 于24小时不间断监测,其稳定性好,抗干扰能力强,广泛应用于石油钻井平台、桥梁、建筑物、 山体、船舶、车辆、起重机械等无线监测场合。无线应变节点采用Ethernet 端口的双通道设 计,支持数字触发,模拟触发,每通道最高100 kS/s采样速率; ±5 V输入范围,16位分辨率, 81 dB动态范围,防混叠滤波器,可采用外部时钟作为各个节点之间的同步处理,同步精度能达到 0.1°,外部封装满足IP67 规范,可以全面防水,防尘,防侵蚀,此外为了满足完全的无线设计 理念,我们采用内置可充电电池供电,DC 6V-15V,最大电流15mA,该插头可以全防水。各个无线 应变节点距离无线网关的距离最大能达到500m。因此这套系统给无线应变、无线振动工程测试带 来很大方便。 

 ·网络拓扑示意图
6.  冷链运输监控
      冷链是为保持药品或食品等的品质,使其在从生产到消费的过程中,始终处于低温状态的配有专门设备设施的物流网络。冷链物流泛指冷藏冷冻类物品在生产、贮藏、运输、销售,到消费前的各个环节中始终处于规定的低温环境下,以保证物品质量和性能的一项系统工程。冷藏车在冷链环境中起着重要作用,对冷藏车的信息化管理及监测成为食品药品质量保障的重要措施。
系统构成
系统特点
1、 科学的系统组成
       测系统主要由库房温湿度监测系统、运输车辆温湿度监测系统、冷藏箱用温湿度监测系统组成。
-库房温湿度监测系统:
  该系统通过无线网络链路将终端机与管理机连接,将所有库区的温湿度数据实时上传至主控电脑。无线链路采用自组网方式,安装简单,覆盖全面稳定。
-运输车辆温湿度监测与控制系统:
  运输车辆温湿度监测系统由以下设备组成:车载移动管理终端、车载温湿度监控终端、专用直流转换电源、GPS模块、车载终端监控软件。
-冷藏箱用温湿度监测系统:
数据可实时传输和批量导出。
-药品储运温湿度动态监测软件。
2、 稳定的无线传输方式
      无线远程传输通过多跳和自组网实现稳定的无线网络覆盖。相对于传统的有线传感器连接方式,极大地提高了系统安装使用与维修的效率和成本。
3、 强大的状态提醒功能
      管理员可灵活配置不同使用状态下的提醒功能,设置各环境参数的阈值,可设置声光报警、邮件报警、短信报警。通过以上措施,管理者可在第一时间获取到各环节的异常状态信息,采取措施,避免损失。
4、 灵活可选的控制系统
       各环节储藏的受环境影响的物品,尤其是长途运输过程中,需要保证内部温湿度环境平衡,才能确保物品在有效期内完成保存过程。可选的无线控制器基于微控制器与无线传感器为基础。系统根据各环节的实时环境状态,发指令到无线控制器,无线控制器接收到信号后,启动被控设备,进行加湿、除湿、加温、降温等操作。
5、 完整的数据显示历史数据保存
     通过中心站及移动终端软件,可随时查看各环节的实时数据,数据以数据库的形式保存,如有需要,可随时查看保存的历史数据、超限数据、温度湿度等环境变化曲线及车辆位置的经纬度信息。
行业应用:
1、 全国各地疾病控制中心、医院、血液中心、卫生防疫中心、检疫和检验中心。
2、 从事疾病分子分型研究的机构
3、 国家及地方疾病相关样本库管理组织及机构
4、 各种组织、血液等样本管理实验室
5、 科研院所实验室进行实验标本管理
6、 蔬菜水果冷场车辆
 

 

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