采用超声波传感器的分布式物联网实训系统的工作方法与流程

本发明涉及一种实训系统，具体涉及一种分布式物联网实训系统及其工作方法。

背景技术：

物联网是通过射频识别(rfid)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。通俗地说，物联网是传感网加互联网，是互联网的延伸与扩展，把人与人之间的互联互通扩大到人与物、物与物之间的互联互通。物联网的关键技术包括：传感器技术、互联网技术、智能处理技术。

目前，在大力应用物联网技术的背景下，高校实训室的建设也获得了新的视角和启迪。众多高校都开设了物联网课程，教育信息化服务提供商也都提供了物联网实训室的解决方案，但是，各个高校的物联网实训室的建设大都处于嵌入式实训室的阶段，仅仅是以物联网实验箱的形式来建设物联网实训室，缺乏相对来说真实的实训室来进行物联网技术的学习，当然也不存在基于真实的物联网设备而建立起来的物联网系统，那么相关专业的学生对于物联网的学习并不能够真正的掌握。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种分布式物联网实训系统，该物联网实训系统通过对各物联网模块组进行布局划分解决了学生在进行物联网实训时，组网构建布局混乱的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种分布式物联网实训系统，包括：若干个由u型安装墙围成的实训间，且安装墙的内墙面划分为若干调试区，各调试区用于分别安装相应物联网模块组；所述物联网模块组中各物联网模块的后端设有至少两个插头，所述墙面分布有若干安装孔，所述插头与安装孔配合，以安装各物联网模块；所述实训间内还设有用于放置网络服务器的机架。

为了便于开展电容检测的相关实验课程，所述分布式物联网实训系统还包括：用于构建电容在线检测的实验装置，该实验装置包括：

超声波传感器，用于采集被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级lpx。

高频电流传感器，用于采集电容两端的电压向量。

所述超声波传感器、高频电流传感器分别通过相应数据调理单元与数据处理控制单元相连。

所述数据处理控制单元，包括：

电容叠加电压计算模块，适于将获得的电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值u，同时计算基波电压的有效值u0。

电容量计算模块，建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容在仅有各基波的有效值所对应的电容声压级；预设被测电容类型、额定电容量c0，根据被测电容类型及当前基波电压的有效值u0从所述电容声压级数据库获得相应电容声压级lp0；通过被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量cx。

被测电容寿命计算模块，适于根据被测电容的实际电容量cx和叠加电压的有效值u建立电容量预估公式，即c＝cx-kut；其中，c为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值u0下对应的电容量变化系数，即，其中，cx1和cx2为单位时间内被测电容的电容量初值和终值；并通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值c，以计算出被测电容发生损坏的预期时间。

进一步，所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。

本发明还提供了一种分布式物联网实训系统的工作方法，其中，所述分布式物联网实训系统还包括：用于构建电容在线检测的实验装置，

所述实验装置的工作方法包括如下步骤：

步骤一：采集被测电容两端的电压向量，并将该电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即可得出所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，然后计算该叠加电压的有效值u，基波电压的有效值u0；

步骤二：建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容的与仅有各基波的有效值分别对应的电容声压级。

预设被测电容类型、额定电容量c0，根据被测电容类型及当前基波电压的有效值u0从所述电容声压级数据库获得相应电容声压级lp0。

采集被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量cx。

步骤三：根据被测电容的实际电容量cx和叠加电压的有效值u建立电容量预估公式，即c＝cx-kut；其中，c为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值u0下对应的电容量变化系数，即，其中，cx1和cx2为单位时间内被测电容的电容量初值和终值。

设定所述极限电容值c，通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即以计算出被测电容发生损坏的预期时间。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：(1)本发明可以根据自己的需要，相应的划定区域内开设物联网实训项目，通过各物联网模块组中的相应模块，模拟真实的物联网场景；而且各模块可以任一扩展，且通过安装墙的安装孔与插头配合，使学生能够很方便对需要用到的模块进行安装，即对物联网进行相应拓展，提高了实训效果；(2)本发明通过超声波传感器采集被测电容产生的电容声压级；高频电流传感器采集电容两端的电压值，建立电容量预估公式，利用该公式对被测电容的寿命进行预测，比传统的仅仅检测当前电容实际电容量来判断电容寿命更加具有前瞻性，并且通过该实验装置可以开设电力电子技术课程，对电力电容的评估具有参考价值。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明的物联网实训系统中实训间的结构示意图；

图2为物联网实训系统的各模块连接框图；

图3为本发明实验装置的工作方法的流程图；

图4为本发明的实验装置的原理框图。

其中，调试区1、物联网模块2、机架3。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例1

如图1所示，一种分布式物联网实训系统，包括：若干个由u型安装墙围成的实训间，且安装墙的内墙面划分为若干调试区，各调试区用于分别安装相应物联网模块组，以进行组网测试；所述物联网模块组中各物联网模块的后端设有至少两个插头，所述墙面分布有若干安装孔，所述插头与安装孔配合，以安装各物联网模块；所述实训间内还设有用于放置网络服务器的机架。

所述物联网实训系统还包括多路输出稳压电源模块，该稳压电源模块由开关电源构成，且输出+5v、+12v、+36v的直流电压，以提供给各物联网模块工作用。

如图2所示，所述物联网模块组包含：门禁控制模块组、视频监控模块组、报警模块组、智能家电控制模块组。

所述门禁控制模块组包括：庭院门禁模块、车库门禁模块、入户门禁模块、车辆出入识别模块、门禁信息通知模块。

所述视频监控模块组包括：庭院监控模块、户内监控模块、网络远程监控模块、手机远程监控模块。

所述报警模块组包括：庭院报警模块、户内入侵报警模块、燃气探测报警模块、烟雾探测报警模块。

所述智能家电控制模块组包括：窗帘控制模块、窗户开关控制模块、空调智能控制模块。

所述各物联网模块组中的相应物联网模块分别安装有无线传感单元，且所述无线传感单元通过zigbee协议进行组网，组网后通过无线与所述网络服务器相连，以实现实训间内的物联网模块组与教师机之间进行数据上传和下载。所述无线传感单元可以采用述wsn无线传感单元。

所述各实训间位于实训室内两侧，呈对称分布，且所述实训室可以设置6个、8个、10个或12个；也可以根据需要任意调节个数。

实施例2

如图3和图4所示，所述分布式物联网实训系统还包括：用于构建电容在线检测的实验装置，

所述实验装置包括：超声波传感器，用于采集被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级lpx。

高频电流传感器，用于采集电容两端的电压向量。

所述超声波传感器、高频电流传感器分别通过相应数据调理单元与数据处理控制单元相连；即，超声波传感器、高频电流传感器分别通过第一、第二数据调理单元与数控处理控制单元相连，且第一、第二数据调理单元可以采用由集成运算放大器构成的一定比例的放大器。

所述数据处理控制单元，包括：

电容叠加电压计算模块，适于将获得的电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即，所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，计算该叠加电压的有效值u，同时计算基波电压的有效值u0；其中，获得谐波和基波的方法是通过fft运算得到，该方法在现有技术文献中已有大量描述，例如：李加升、柴世杰2009年9月发表在期刊《电力系统保护与控制》上的论文“电能质量谐波间谐波在线快速检测方法研究”中已有相关描述。

电容量计算模块，适于根据预设被测电容类型、额定电容量c0，通过所述电容声压级数据库获得被测电容与仅有各基波的有效值对应的电容声压级lp0；通过被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量cx；其中，所述电容声压级lp0通过建立电容声压级数据库的方式获得，即该数据库中存储有各类型电容与各基波电压的有效值对应的电容声压级，通过预设输入被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容声压级数据库查找得到该电容对应的电容声压级数据；计算相应电容声压级lpx的方法在论文文献：2010年6月发表于《电子技术学报》的基于振动信号的电容噪声水平计算方法中已被公开。

被测电容寿命计算模块，适于根据被测电容的实际电容量cx和叠加电压的有效值u建立电容量预估公式，即c＝ｃk-kut；其中，c为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值u0下对应的电容量变化系数，即，其中cx1和cx2为在当前基波电压的有效值u0下的单位时间内被测电容的电容量初值和终值；电容量变化系数k可以根据各类型电容在各基波电压的有效值下经过实测建立的电容量变化系数数据库得到，该电容量变化系数数据库根据电容型号和相应基波电压的有效值查找得到该电容对应的电容量变化系数k，其具体获取方法：各种基波电压的有效值下所测量的各类型电容在一段时间内的电容量初值和终值，再换算出一个单位时间内对应的电容量初值和终值，根据预设被测电容的类型，以及计算所得到当前基波电压的有效值，从电容量变化系数数据库中查找的出该电容对应的电容量变化系数k，为了便于计算，设电容在单位时间内的变化量是线性的；且通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即设定所述极限电容值c，以计算出被测电容发生损坏的预期时间。

所述叠加电压u(t)的有效值u计算方法包括：基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)的有效值平方和的平方根值。所述n次谐波电压分量un(t)中n取5。

所述数据处理控制单元通过fpga模块来实现，即，fpga芯片xc6slx9-tqg144。

表1为实验数据与实测对比结果一，表1的电力电容选用巨华电力电容bsmj-0.415-15-315kvar，设定所述极限电容值c为原容量的40％。

表1实验数据与实测对照表

其中，在计算电容量变化系数k时，单位时间为24小时，即在525v基波有效值下，一天的电容变化量经实测为0.08uf。

表2为实验数据与实测对比结果二，表2的电力电容选用上海威斯康电力电容bsmj0.4-15-3电容bsmj0.45-15-3，设定所述极限电容值c为原容量的40％。

表2实验数据与实测对照表

其中，在计算电容量变化系数k时，单位时间为24小时，即在450v基波有效值下，一天的电容变化量经实测为0.12uf；或在415v基波有效值下，一天的电容变化量经过实测为0.11uf。

表3为实验数据与实测对比结果三，表3的电力电容选用德力西自愈式低压电容器并联电力电容器bsmjs0.420-3bsmj，设定所述极限电容值c为原容量的40％。

表3实验数据与实测对照表

其中，在计算电容量变化系数k时，单位时间为24小时，即在380v基波有效值下，一天的电容变化量经实测为0.063uf。

本发明中基波有效值也可以认为是理想状态下的电压有效值。

从表1至表3可以看出，本发明的电容在线检测预估电容剩余时间是切实有效的，具有准确性高的特点，在接近电容实际电容量接近电容损坏时的极限电容值c时，所结算的结果越接近实测结果；因此，该实验装置对电容的检测数据是有效的。

实施例3

如图3和图4所示，在实施例2基础上，本发明还提供了一种分布式物联网实训系统的工作方法，其中，所述分布式物联网实训系统还包括：用于构建电容在线检测的实验装置，

所述实验装置的工作方法包括如下步骤：

步骤一：采集被测电容两端的电压向量，并将该电压向量分解出基波电压u0(t)和n次谐波电压分量un(t)，即可得出所述被测电容两端的叠加电压u(t)，即u(t)＝u0(t)+un(t)，然后计算该叠加电压的有效值u，基波电压的有效值u0。

步骤二：建立电容声压级数据库，该数据库中包括：各类型电容的与仅有各基波的有效值分别对应的电容声压级。

预设被测电容类型、额定电容量c0，根据被测电容类型及当前基波电压的有效值u0从所述电容声压级数据库获得相应电容声压级lp0。

采集被测电容产生的声音信号，以获得相应电容声压级lpx，通过公式计算出被测电容的实际电容量cx。

步骤三：根据被测电容的实际电容量cx和叠加电压的有效值u建立电容量预估公式，即c＝cx-kut；其中，c为被测电容损坏时的极限电容值，t为电容损坏预期时间，k为单位时间内被测电容在当前基波电压的有效值u0下对应的电容量变化系数，即，其中，cx1和cx2为单位时间内被测电容的电容量初值和终值。

设定所述极限电容值c，通过所述电容量预估公式推导出电容损坏预期时间t的计算公式，即以计算出被测电容发生损坏的预期时间。

因此，本实验装置能完成必要的电容在线检测实验，其数据具有很高的参考价值。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。