一种空间温度可视化监测系统及其构建方法与流程

本发明属于测量技术领域，涉及一种空间温度可视化监测系统，还涉及一种空间温度可视化监测系统的构建方法。

背景技术：

温度作为环境监测的重要参数，在诸多行业比如食品药品、生命科学及航天化工等等都需要对温度进行高精度的监测。温度监测在保证产品质量，提高生产效率，节约能源，安全生产，促进国民经济发展等诸多方面起到了至关重要的作用。各大生产企业对传统生产模式实施信息化、智能化改革，并不断扩大自动化生产规模，在该形势下使得生产中需要对温度监测系统的精度、集成度、温度可视化、可靠性等指标提出了更高要求。因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。

目前国内现公开的温度监测系统大多都是与微处理系统相结合，实现高精度的智能检测。申请号为cn201611098544.1、名称为“基于zigbee的仓库温度监测系统”的发明专利，公开了一种基于zigbee的仓库温度监测系统，其主要目的是在于提供一种制作简单、使用方便的基于zigbee的仓库温度监测系统。申请号为cn200610096518.5、名称为“智能无线温度监测系统”的发明专利，公开了一种智能无线监测系统，其主要目的在于对电力设备、特别是高压电力设备各连接部位的温度变化情况进行有效的全天候实时监测、调控，实现对电网运行的自动化监控，保障电网运行的安全。申请号为cn201810416849.5、名称为“一种智能温度测量及可视化系统”的专利，公开了一种足底皮肤温度监测系统，通过有线连接的方式将采集到的温度数据进行二维可视化显示。

上述三个专利文件提供的温度监测装置，具有一个或者两个的功能优势，第一个发明专利具备无线采集，实时监测的特点；第二个发明专利具备高精度，无线采集的特点；第三个发明专利主要是实现了温度数据二维可视化显示。现有温度监测系统均未涉及三维温度可视化，数据网络共享以及温度传感器如何布置。因此，现如今如何设计一套集无线数据传输、高精度测量、温度数据三维可视化实时动态显示以及数据共享等功能为一体的温度监测系统是十分必要的。同时，对传感器优化分布模型的研究可以在保证测量精度的前提下，可靠的减少温度传感器的使用数量，节约实验成本，有利于系统后续维护。

技术实现要素：

本发明的第一个目的是提供一种空间温度可视化监测系统，在实现高精度实时远程监测的同时，还将实现离散数据的可视化，三维动态监测被测环境温度变化的功能。

本发明的另一个目的是提供一种空间温度可视化监测系统的构建方法。

本发明所采用的第一个技术方案是一种空间温度可视化监测系统，包括多个温度采集终端节点，温度采集终端节点无线连接有zigbee无线接收端，zigbee无线接收端通过usb/rs485转接线连接计算机系统，计算机系统连接数据共享模块；

温度采集终端节点包括依次连接的pt100温度传感器、温度采集模块和zigbee无线发送端，用于温度的采集；

zigbee无线接收端用于接收温度采集终端节点的数据；

计算机系统由传感器优化分布模型算法、离散数据可视化处理模块和可视化终端界面组成；传感器优化分布模型算法用于温度监测系统初始化，离散数据可视化处理模块用于根据已知的温度数据对未知区域的温度数据进行合理推求，可视化终端界面实现离散温度数据的可视化；

数据共享端用于不同用户访问数据，用于远程操控对温度进行实时监测。

本发明的特点在于：

温度采集模块通过24位a/d转换器将输入的模拟量转为数字量，并通过stm32控制器控制温度数据的采集。

离散数据可视化处理模块，通过利用多种空间插值算法组合进行空间插值，涉及到idw插值算法、三次样条插值算法，具体算法如下：

首先进行x-y平面插值，将空间分为n层，每一层采用idw插值算法进行插值，涉及算法如下：

假设试验模型域内有s个传感器测量点采集的数据(xij，yij，zij，vij)，其中i代表每层中第m个点，取值范围为i＝1，2，…m；j代表空间中的第n层，取值范围为j＝1，2，…n；其中(xi，yi，zi)代表第i个离散数据点的空间坐标，vi代表第i个离散测量点温度值，(x,y,z)代表待插值点的坐标；

若(x,y,z)≠(xi,yi,zi),(i＝1,2,…,m)，则反距离加权的插值公式为:

其中n为所选择的离散点的数目，uij表示第j层中第i个预插值点的温度值，a为加权法中的权重，dij为插值单元节点距离所选择的第j个离散点的距离；

此时函数值f(x，y，z)＝uij，若(x,y,z)＝(xi,yi,zi),(i＝1,2,…,m)函数值为该坐标位置已知测量，f(x，y，z)＝f(xi,yi,zi),(i＝1,2,…,m)其它空间网格单元节点的映射插值与此类推，完成空间内n层网格单元节点的映射插值；

根据已经得到空间中n层x-y平面的温度值，采用三次样条插值法对z轴方向进行插值；

涉及算法如下：设[a,b]上有插值节点，a＝xi1＜xi2＜...＜xin＝b，其中xij(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)表示通过上文算法求得的uij；uij表示第j层中第i个点的温度值；s(x)是不高于三次的多项式且在[a,b]具有二阶连续导数，设为：

s(xij)＝aixij³+bixij²+cixij+di(i＝1,2...m,j＝1,2,...,n)

其中ai，bi，ci，di待定，并使其满足：

s(xj)＝yj，s(xj-0)＝s(xj+0),(j＝2,...,n-1)

s'(xj-0)＝s'(xj+0),s″(xj-0)＝s″(xj+0),(j＝2,…,n-1)

根据以上的n+3(n-2)＝4n-6个条件，待定4(n-1)个系数，确定三次插值函数；通过的三类边界条件可获得的系数ai，bi，ci，di，进而得到三次样条插值函数s(xij),获取竖方向待插值温度值；通过已经完成测量区域内空间插值，得到空间中所有坐标位置的温度值；每一个温度数据由大到小对应由红到蓝的颜色变换，从而用颜色代表空间中温度变化情况，实现离散数据的可视化。

本发明所采用的另一个技术方案是一种空间温度可视化监测系统的构建方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：通过温度仿真软件获取被测环境温度场的仿真结果；

步骤2：将步骤1得到的仿真结果通过传感器优化分布模型算法得到空间传感器分布的坐标位置；

步骤3：根据步骤2得到的传感器坐标位置对待测环境进行传感器布置，每一个传感器作为一个温度采集终端节点；

步骤4：启动温度测量系统，将步骤3的温度采集终端节点与zigbee无线接收端建立无线通讯连接，进行温度采集，获得温度数据；

步骤5：离散数据可视化处理模块处理步骤4获得的温度数据，通过可视化终端界面对被测环境温度分布情况进行监测并控制。

本发明的特点还在于：

步骤1的温度仿真软件为ansys。

步骤2的传感器优化分布模型算法，依据数据压缩的方法，对温度数据中存在的冗余进行特征值挑选，在保证监测结果精度的前提下利用挑选出来的特征值对整体空间的温度信息进行表达；传感器优化分布模型算法最终是要得到空间传感器分布的坐标位置参数，涉及的具体算法如下：

feturevalues1＝max(t)∪min(t)

其中t为一组温度数据数组，max(t)以及min(t)分别表示这组温度数据中的最大值及最小值。feturevalues1与feturevalues2分别表示特征值一组集合；

设tc为这组温度数据中的最值，t(qi)为最值步长为1，其时上下左右位置的温度值，分别为：q1,q2,q3,q4；k为设定的阈值，即为精度要求；若以上t(qi)存在，若满足：

|t(qi)-tc|＞k,i＝1,2,3,4

则取t(qi)为特征值集合2的数据：

feturevalues2＝t(qi),i＝1，2，3，4

进而得到所有特征值的集合：

feturevalues＝feturevalues1∪feturevalues2

根据空间中的温度数据与其所在的坐标位置呈一一映射的关系，即：

f(x,y,z)＝t，t∈feturevalues

式中f(x,y,z)表示特征值对应的坐标参数；将特征值及其坐标参数带入多种空间插值算法组合中得到的插值结果与实际测量的温度数据结果进行误差分析，若满足精度要求，则此时的特征值及其坐标参数即为传感器优化分布模型结果，若不满足精度要求，则继续进行特征值挑选，直至满足要求。

步骤5的离散数据可视化处理模块，基于microsoftvisualstudio2010软件平台中的mfc对话框开发，有串口/tcp通讯、保存历史数据、实时显示各路温度数据、传感器坐标位置显示及输入功能；通过实时调用matlab软件运算，并进行温度数据的颜色渲染从而实现离散数据的可视化。

本发明的有益效果在于：

(1)可视化时效性较高。采用空间组合插值算法分维度进行空间插值降低了插值难度，从而提高了运算速度，动态显示三维空间温度分布图。而且结合各插值算法的优势提高插值精度。

(2)减少传感器使用数量。传感器优化分布模型，在保证的精度的前提下，可减少传感器的使用数量，节约了经济成本，有利于系统维护。

(3)数据共享。本系统实现了随时随地实时监测，打破了传统测量距离等客观因素的限制。

(4)整个系统操作简单，稳定性较好，功耗低。

附图说明

图1是本发明一种空间温度可视化监测系统的结构示意图；

图2是本发明一种空间温度可视化监测系统的可视化终端界面。

图中，1.pt100温度传感器，2.温度采集模块，3.zigbee无线发送端，4温度采集终端节点，5.zigbee无线接收端，6.usb/rs485转接线，7.计算机系统，8.数据共享端，9.用户a，10.用户b，11.用户c。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种空间温度可视化监测系统，如图1所示，包括多个温度采集终端节点4、zigbee无线接收端5、usb/rs485转接线6、计算机系统7以及数据共享端8。温度采集终端节点4与zigbee无线接收端5之间无线连接，zigbee无线接收端5与计算机系统6通过usb/rs485转接线6连接；温度采集终端节4点由依次连接的pt100温度传感器1、温度采集模块2和zigbee无线发送端3组成，用于温度的采集；zigbee无线接收端5接收温度采集终端节点4的数据；usb/rs485转接线6将zigbee无线接收端5接收的温度数据传输到计算机系统7；计算机系统7由传感器优化分布模型算法、离散数据可视化处理模块和可视化终端界面组成，传感器优化分布模型算法用于温度监测系统初始化，离散数据可视化处理模块用于根据已知的温度数据对未知区域的温度数据进行合理推求，可视化终端界面实现离散温度数据的可视化；数据共享端8用于访问数据，用户a9通过电脑、用户b10通过手机、用户c11通过pad可远程操控对温度进行实时监测。

温度采集模块2通过24位a/d转换器将输入的模拟量转为数字量，并通过stm32控制器控制温度数据的采集。

离散数据可视化处理模块通过多种空间插值算法组合(idw反距离加权插值和三次样条插值)实现，具体插值算法如下：

待系统初始化完成之后，首先进行x-y平面插值，将空间分为n层，每一层采用idw插值算法进行插值。具体插值过程如下：

假设试验模型域内有s个传感器测量点采集的数据(xij，yij，zij，vij)i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n，其中i代表每层中第m个点，j代表空间中的第n层。其中(xi，yi，zi)代表第i个离散数据点的空间坐标，vi代表第i个离散测量点温度值，(x,y,z)代表待插值点的坐标。

若(x,y,z)≠(xi,yi,zi),(i＝1,2,…,m)，则此时反距离加权的插值公式为:

其中n为所选择的离散点的数目，动态选择8-12个离散点，uij表示第j层中第i个预插值点的温度值，a为加权法中的权重，其取值0-3，实际应用表明a＝2时就可以满足插值精度要求，dij为插值单元节点距离所选择的第j个离散点的距离。

此时函数值f(x，y，z)＝uij，若(x,y,z)＝(xi,yi,zi),(i＝1,2,…,m)函数值为该坐标位置已知测量，即f(x，y，z)＝f(xi,yi,zi),(i＝1,2,…,m)其它空间网格单元节点的映射插值与此类推，就可以完成空间内n层网格单元节点的映射插值。

通过已经得到空间中n层x-y平面的温度值，在此基础上，采用三次样条插值法对z轴方向进行插值。具体插值过程如下：

设[a,b]上有插值节点，a＝xi1＜xi2＜...＜xin＝b,其中xij(i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n)表示通过上文算法求得的uij。uij表示第j层中第i个点的温度值。s(x)是不高于三次的多项式且在在[a,b]具有二阶连续导数,设s(x)为：

s(xij)＝aixij³+bixij²+cixij+di(i＝1,2...m,j＝1,2,...,n)

其中ai，bi，ci，di待定，并要使它满足：

s(xj)＝yj，s(xj-0)＝s(xj+0),(j＝2,...,n-1)

s'(xj-0)＝s'(xj+0),s″(xj-0)＝s″(xj+0),(j＝2,…,n-1)

以上共给出n+3(n-2)＝4n-6个条件，需要待定4(n-1)个系数。因此再加上2个边界条件,就可以唯一确定三次插值函数。本系统使用的是第一类边界条件和第二类边界条件。

根据上文所述可求得公式中的系数ai，bi，ci，di，进而得到三次样条插值函数s(xij)，再通过每一层对应的一组温度值uij即可得到竖方向待插值温度值。本系统中对竖直方向三个平面进行插值，即n＝3。

此时已经完成测量区域内空间插值，得到空间中所有坐标位置的温度值。默认步长为一，且为坐标为整数。每一个温度数据由大到小对应由红到蓝的颜色变换，从而用颜色代表空间中温度变化情况，实现离散数据的可视化。

本发明所采用的另一个技术方案是一种空间温度可视化监测系统的构建方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：通过温度仿真软件获取被测环境温度场的仿真结果；

步骤2：将步骤1得到的仿真结果通过传感器优化分布模型算法得到空间传感器分布的坐标位置；

步骤3：根据步骤2得到的传感器坐标位置对待测环境进行传感器布置，每一个传感器作为一个温度采集终端节点4；

步骤4：启动温度测量系统，将步骤3的温度采集终端节点4与zigbee无线接收端5建立无线通讯连接，进行温度采集，获得温度数据；

步骤5：离散数据可视化处理模块处理步骤4获得的温度数据，通过可视化终端界面对被测环境温度分布情况进行监测并控制。

本系统的工作原理如下：启动系统后，温度采集模块2中的微控制器stm32控制温度传感器1进行温度采集，随后在温度采集模块2中进行信号转换。为了得到高精度的温度测量，本系统采用的是pt100模拟量温度传感器1，因此需要将差分信号输入温度采集模块2中的24位a/d转换器中进行模数转换，然后微控制器stm32将转换后的数字信号输入，通过无线发送端3送至zigbee无线接收端5。zigbee无线接收端5通过usb/rs485转接线6通信连接计算机系统7，将接收到的温度信号传送至计算机系统7，并对接收到的温度数据进行离散数据可视化处理及显示。不同用户均可通过数据共享端8对温度进行实时监测。

本发明中传感器优化分布模型算法主要基于数据压缩中数据存在冗余的思想，对数据进行特征值筛选，用少量的特征值来表达整体数据信息。传感器优化分布模型算法主要是要求找到空间传感器优化分布的空间坐标参数，涉及的具体算法如下：

feturevalues1＝max(t)∪min(t)

其中t为一组温度数据数组，max(t)以及min(t)分别表示这组温度数据中的最大值及最小值，feturevalues1表示特征值一组集合，tc为这组温度数据中的最值，t(qi)为最值步长为1，其时上下左右位置的温度值，分别为：q1,q2,q3,q4。k为设定的阈值，即为精度要求。若以上t(qi)存在，若满足：

|t(qi)-tc|＞k,i＝1,2,3,4

则取t(qi)为特征值集合2的数据：

feturevalues2＝t(qi),i＝1,2,3,4

进而得到所有特征值的集合：

feturevalues＝feturevalues1∪feturevalues2

根据空间中的温度数据与其所在的坐标位置呈一一映射的关系，即：

f(x,y,z)＝t，t∈feturevalues

由此得到特征值对应的坐标参数。将特征值及其坐标参数带入多种空间插值算法组合中得到的插值结果与实际测量的温度数据结果进行误差分析，若满足精度要求，则此时的特征值及其坐标参数即为传感器优化分布模型结果，若不满足精度要求，则继续进行特征值挑选，直至满足要求。

本发明是基于microsoftvisualstudio2010软件平台中的mfc对话框开发终端操作界面，如图2所示。利用rs485串口通讯协议实现与下位机的实时通讯。离散数据可视化处理模块设有人机友好界面，其中主要包含通讯模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、传感器位置显示模块。其中通讯模块中包含两种通信方式串口通讯和tcp通讯，本发明使用的是串口通讯。数据采集模块按照定义好的串口通讯协议，不断向下位机发发送读取温度的指令，从而下位机将实时采集到的温度发送至上位机。数据处理模块主要是通过调用matlab软件，在matlab中运算上述提到的多种空间插值算法组合以及传感器优化分布模型算法，并进行温度数据的颜色渲染从而实现离散数据的可视化。数据存储模块可以通过自定义存储位置，将采集到的数据保存为.txt文档。传感器位置显示模块中可以显示传感器优化分布模型结果，三维显示传感器在空间分布的具体位置。通过远程访问技术实现数据共享，随时可以对人机友好界面显示的结果进行监测并控制，实现真正意义上的远程实时温度监测。

本发明空间温度分布实时监测与可视化系统经验证，稳定性较高，可实现长时间测量，温度测量精度能达到0.1℃，适用于计量室、精密实验中心等温度变化小的环境。跟以往温度监测系统相比，本发明能够实现三维空间温度实时动态显示，可靠的减少传感器的使用数量，节约成本，有利于系统后续维护，与此同时实现高精度测量。