本发明属于危化品运输车辆监控技术领域，涉及无线传感器技术、无线通信技术及北斗卫星通信技术，具体是将无线传感器技术和无线通信技术应用于危化品运输车辆行驶过程的监控中。
背景技术：
随着化工领域产业的巨大发展，对危化品的需求量越来越高。危化品易燃、易爆、易中毒、易污染环境，运输中操作不当、受热、受压及交通事故等可能引发重特大安全事故，后果很严重。经统计，2016年1至8月份，我国共发生232起化学品事故，其中涉及危化品的事故共有96起，占41.38％。近年来，政府和企业都在加强对危化品运输的安全管理，加大对危化品运输车辆、工具的在途监控力度，对运输装备进行升级改造，尽可能减少危化品事故的发生。但是，目前的危化品车辆监控技术信息量少、网络通信的不畅或不正常，无法做到监控的及时性，很难满足危化品运输安全监控管理的要求。
危化品运输车辆行驶路线长，活动范围大，因此监控危化品车辆的通信方式只能是无线通信，但是车辆行驶到山区或者移动通信无线信号不能覆盖的区域时，监控中心将无法及时获得监控数据，目前这方面的专利内容还比较少。危化品车辆的监控过程，大多采用有线传感器进行检测，一旦出现意外，通过分析传感器数据及时报警进行应急处理，而出现事故后的救援善后要求监控中心获得定位数据，而且出现重大事故需要对公众公开信息。
目前对于运输车辆监控的专利文献中，存在着诸多问题，比如没有考虑通信信号是否正常的问题。公开号为cn200910183024的发明专利“车载实时无线传感监控系统”虽可以应用于危化品运输车辆的监控中，但该专利有严重缺陷：仅仅考虑移动无线通信的正常情况，对于无线通信的不畅或中断，将无法满足监控的实时性。公开号为cn201310429396的发明专利“危化品物流智能监控系统”中同样存在上述问题，同时该专利中的传感器为有线传感器，这给安装和布线带来了巨大的困难，没有无线传感器的方便性。因此，现有危化品运输车辆的监控中，未能考虑到无线通信的不正常情况，也很少选择无线传感器进行安装检测。
技术实现要素：
针对现有危化品运输车辆监控技术中的诸多不足，本发明提供了一种基于无线传感器和无线通信的危化品运输车辆监控方法及系统，充分利用地面上已有的移动通信设施及太空中北斗卫星的通信条件，两者相互配合使用，避免监控信号传输的中断或不畅，满足监控信号传输的及时性，同时避免了传统有线传感器布线的繁琐工作，有力地改善了危化品运输车辆监控的不足。
本发明的内容如图1所示，具体实现内容如下所述。基于无线传感器和无线通信的危化品运输车辆监控方法及系统，包括：车载端、基站、移动通信供应商、有线网络、监控中心和北斗卫星，本发明的监控内容为无线传感器检测的各类数据，该检测数据通过车载端的处理变成信号通过地面无线通信或北斗卫星传输给监控系统，监控系统的回应信息也通过这种方式传输给车载端。
车载端，是指在危化品运输车辆上安装的车载端，包括车载端前端和无线传感器节点；
基站，指的是移动通信基站，是危化品运输车辆所处位置范围内无线信号覆盖最强的基站，本发明充分利用地面上已有的移动通信基站；
移动通信供应商，指用于转发无线或有线的移动通信部门，这里的移动通信供应商不止一个，图中所示的移动通信供应商指距离监控中心最近的移动通信供应商，当危化品运输车辆和监控中心相隔很远时，这时无线信号需要漫游才能到达监控中心，本发明充分利用地面的移动通信供应商来满足监控信号有效的传输，然后进行设置，具体登记运输车辆信息及认证信息；
2g/3g/4g，指移动通信采用的无线通信标准；
有线网络，指普通的有线通信方式。
监控中心，负责实时监控危化品运输车辆；
北斗卫星，指利用北斗卫星进行通信，用于地面无线通信不畅或中断时的替代，满足对危化品运输车辆的实时监控，这里北斗卫星传输的信号为北斗短报文。
进一步，车载端前端位于驾驶室，包括处理器系统、信号处理、天线一、直流电源、语音报警、显示报警、gps定位、存储器、编码解码、无线检测与切换、天线二。处理器系统采用arm系统，是车载端数据处理中心，同时兼顾其他几个部件的协同工作，处理器系统存有各类监控数据的阈值，如温度、压力、气体浓度等的阈值，当经过处理的无线传感器检测数据高于阈值时，即出现异常情况，立即启动报警设备。信号处理是指对无线传感器节点传输的各类信号进行初步的分析处理，得出具体的数据值，再交给处理器系统进行下一步的处理。天线一负责接收无线传感器节点传输的信号，并把信号传输给处理器系统，该天线单向通信。直流电源负责给车载端前端供电，每次在危化品运输车辆行驶之前进行电量和质量的检查。语音报警在出现异常情况时，由处理器系统和信号处理部件协同工作，对驾驶员进行语音报警。显示报警功能类似语音报警，指在检测到异常情况时，通过文字闪动以提醒驾驶人员。gps定位用于对危化品运输车辆的定位，即确定去位置。存储器用于存储处理后的无线传感器节点传来的信号。编码解码是针对北斗卫星信号来设置的，具体为：当需要通过北斗卫星传输信号时，处理器系统将监控数据传输给“编码解码”部件，该功能部件再将监控数据编码成北斗短报文传给处理器系统，同样，当监控中心的回应通过北斗卫星传输给车载前端后，由“编码解码”部件完成解码操作，再将解码后的数据传输给处理器系统已作进一步地处理。无线检测与切换是指当车载端前端检测到无线信号不畅、信号较弱或中断后，自动切换为通过北斗卫星传输无线信号，这里，该部件可主动检测到无线信号较弱后而进行切换，但对于无线信号的不畅或中断，则必须和监控协同工作才能实现，监控中心在收到车载端传来的信号后，每隔10秒发一次回应给车载端，当车载端超过30秒未收到监控中心的回应后，切换到北斗卫星通信模式。天线二主要对外发射信号，正常情况下发射无线信号给最近的移动通信基站，当移动通信信号不正常时，通无线检测与切换装置切换向北斗卫星传输信号，该天线必要的时候接收监控中心发来的信号，所以该天线为双向通信。
进一步地，车载段前端通过天线接收到无线传感器节点传输的异常信号后，首先快速经过信号处理模块进行处理，比如信号失真处理，然后将处理后的信号传输给处理器系统，处理器系统一边进行存储器的存储，一边通过语音报警和显示报警进行对司乘人员进行报警，同时通过天线二发送给监控中心，其中语音报警通过扬声器发出，显示报警通过led显示器以红色不断闪耀字体显示。当车载前端检测到移动通信信号异常时，利用前述操作内容进行操作。无线传感器节点分布于危化品运输车辆的全身，同一个传感器节点多处放置，避免检测盲区。无线传感器节点中的气体传感器、液体传感器根据危化品运输车辆装载的危化品进行选定，比如装载硫酸，则选择检测硫酸的液体和气体传感器进行布置。选择无线传感器节点进行多点布置的优点在于当有一个或几个传感器节点损坏或不能正常工作时，其他的同类传感器节点可以继续工作，减少检测的盲区。
进一步地，车载端的无线传感器节点随机分布于危化品运输车辆的全身，同一个传感器节点随机多处放置，避免检测盲区。无线传感器节点将检测到的物理或化学变化转换成无线信号通过天线传给车载前端。无线传感器节点分布由温度传感器节点、压力传感器节点、气体传感器、液体传感器和加速度传感器组成网状结构。其中温度传感器检测的温度超过40摄氏度时，通过车载前端进行报警，以通知乘务人员进行确认是否有危险发生；压力传感器检测危化品运输车辆是否负载过重，在车辆行驶过快或道路行驶路线不佳时也检测出车身是否超重；气体传感器，在危化品运输车辆装运之前选取确定，选择能检测危化品的气体状态的传感器节点进行安装；液体传感器，当危化品运输车辆装运之前选取确定，选择能检测危化品液态的传感器节点进行安装；加速度传感器用于检测危化品运输车辆是否发生碰撞、滑下斜坡等异常情况。无线传感器节点中的气体传感器、液体传感器根据危化品运输车辆装载的危化品进行选定，比如装载硫酸，则选择检测硫酸的液体和气体传感器进行布置，该两种无线传感器节点安装后设置参数，调试与车载前段的通信情况。选择无线传感器节点进行多点布置的优点在于当有一个或几个传感器节点损坏或不能正常工作时，其他的同类传感器节点可以继续工作，减少检测的盲区。
进一步地，每个无线传感器节点分别由传感器元件、信号放大、a/d转换、处理器、信号处理部件、存储器、直流电源、无线通信部件和天线四组成。当无线传感器节点开始工作后，其传感器元件将检测到的物理变化或化学变化的信号转换成电信号，比如气体传感器元件将检测出气体的浓度转换成电信号，该电信号为模拟信号，该信号经过放大后，再经过a/d转换变成数字信号传输给处理器，处理器将该信号送交信号处理部件进行下一步的处理，比如滤波、失真处理等，信号处理部件将处理后的信号再次传给处理器，处理器再将处理后的信号送交无线通信部件进行信号频率转换、通信协议等方面的处理以转换成无线信号，处理器同时通过存储器存储该信号数据。转换后的无线信号通过天线四传输给车载前端，天线四仅对外发射无线信号。
进一步地，本发明中的监控中心负责完成对危化品运输车辆的实时监控以及信息发布等，包括：监控中心、有线通信、天线三、解码编码、数据库、救援善后、信息发布，其中信息发布通过网络途径、广播电视和报纸杂志三种方式实现。当地面通信网络正常时，监控信号通过基站、移动通信服务商、2g/3g/4g或有线网络传输给监控中心；当监控中心每经过30秒还无法接收通过有线网络接收从移动通信服务商传输来的监控信号后，切换到监听北斗卫星通信信号的无线通信模式中。这里解码编码是针对北斗卫星信号来设置的，具体为：当监控中心通过天线三接收到北斗卫星信号后，该信号的内容为北斗短报文，此类北斗短报文通过“解码编码”部件解码成监控中心能识别的文字以实现进一步的处理操作，同样，当监控中心的回应需要通过北斗卫星传输给车载前端时，由“解码编码”部件完成编码操作生成北斗短报文。当监控中心获悉危化品运输车辆发生危险事故后，及时组织人力物力进行救援善后方面的工作，并将事故情况通过信息发布功能模块对外发布，信息发布通过网络途径、广播电视及报纸杂志等途径对外公布事故的相关情况。监控中心通过有线通信部件与移动通信供应商进行有线通信，完成监控信号的接收和回应信息的发送。监控中心通过天线三与北斗卫星进行通信，完成监控信号的接收和回应信息的发送。在与北斗卫星通信前，监控中心设置无线通信信号的频率及与北斗卫星通信的认证信息等。
附图说明
图1为基于无线传感器和无线通信的危化品运输车辆监控方法系统总体结构图；
图2为车载端前端结构图；
图3为无线传感器节点分布图；
图4为无线传感器节点结构图；
图5为监控系统结构图；
图6为工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施内容对本方面作进一步说明。
本发明的总体结构如图1所示，基于无线传感器和无线通信的危化品运输车辆监控方法及系统由车载端、2g/3g/4g、基站、有线网络、移动通信供应商和监控中心构成。车载端安装在危化品运输车辆上，当车辆运行后，启动车载端工作。车载端由车载前端和分布在车身的无线传感器节点组成。车载端的监控信号由车载前端发出，通过地面通信或北斗卫星传输给监控中心，监控中心也通过地面通信或北斗卫星将回应信息传输给车载前端。当地面通信正常时，监控信号通过2g/3g/4g无线网络传输给基站，基站再通过一个或多个移动通信供应商利用无线或有线网络将监控信号传输给监控中心，同样，监控中心的回应信息通过移动通信供应商传给基站，再由基站传输给车载前端；当地面通信不畅或中断时，车载前端与监控中心的通信切换到北斗卫星通信上进行。这里的基站指地面上的移动通信基站，是危化品运输车辆所处位置范围内移动无线信号覆盖范围最强的基站，通过基站实现车载端从移动供应商上收发数据；
2g/3g/4g指采用的无线通信标准的无线网络，本发明也在考虑未来的5g网络；移动通信供应商，指用于转发无线或有线的移动通信部门，这里的移动通信供应商不止一个，图中所示的移动通信供应商指距离监控中心最近的一个，当危化品运输车辆和监控中心相隔很远时，这时无线信号需要漫游才能到达监控中心。危化品运输车辆在车辆隶属地的移动供应商上进行注册登记，具体登记运输车辆信息及认证信息，如车牌号、发动机号、驾驶员信息等，同时设置与监控中心通信的认证信息、ip地址、端口号等以实现通信；有线网络指普通的有线通信方式，这里采用光纤或双绞线；监控中心负责实时监控危化品运输车辆，在其上设置端口、ip地址等以实现和移动通信供应商正常通信，也在其上设置无线频率、认证信息等以实现与北斗卫星的正常通信；北斗卫星是用于地面无线通信不畅或中断时的替代，满足对危化品运输车辆的实时监控，在北斗卫星上设置与监控中心通信的信号频率、认证方式等。
车载前端的结构如图2所示，车载端前端位于驾驶室，包括处理器系统、信号处理、天线一、直流电源、语音报警、显示报警、gps定位、存储器、编码解码、无线检测与切换、天线二。处理器系统采用arm系统，是车载前端数据处理中心，同时兼顾其他几个部件的协同通信工作。信号处理是指对无线传感器节点传输的各类信号进行初步的分析处理，如滤波、失真处理等，再交给处理器系统。天线一负责接收无线传感器节点传输的信号，并把信号传输给处理器系统，该天线单向通信，天线一上设置无线信号的频率与认证方式等。直流电源负责给车载端前端供电，每次在危化品运输车辆行驶之前进行电量和质量的检查。语音报警在出现异常情况时，由处理器系统和信号处理部件协同工作，对驾驶员进行语音报警。显示报警功能类似语音报警，指在检测到异常情况时，通过文字闪动以提醒驾驶人员。语音报警和显示报警同时进行工作，确保危化品车辆乘务人员知道异常情况的到来。gps定位用于对危化品运输车辆的定位，即确定具体的地理位置。存储器用于存储经过处理后的无线传感器节点传来的信号。编码解码是针对北斗卫星信号来设置的，具体为：当需要通过北斗卫星传输信号时，处理器系统将监控数据传输给“编码解码”部件，该功能部件再将监控数据编码成北斗短报文传给处理器系统，同样，当监控中心的回应通过北斗卫星传输给车载前端后，由“编码解码”部件完成解码操作，再将解码后的数据传输给处理器系统已作进一步地处理。无线检测与切换是指当车载端前端检测到基站的无线信号不畅、信号较弱或中断后，自动切换为通过北斗卫星传输或接收无线信号，这里，该部件可主动检测到基站无线信号较弱而不能正常通信时进行切换，但对于基站无线信号的不畅或中断，则必须和监控协同工作才能实现切换，具体为：监控中心在收到车载端传来的信号后，每隔10秒发一次回应给车载端，当车载端超过30秒未收到监控中心的回应后，切换到北斗卫星通信模式。天线二对外发射信号和接收监控中心的回应信号，正常情况下发射无线信号给最近的移动通信基站，当移动通信信号不能满足通信时，通无线检测与切换装置切换向北斗卫星传输信号，该天线每隔10秒接收一次监控中心发来的回应信号，所以该天线为双向通信。
车载段前端通过天线接收到无线传感器节点传输的异常信号后，首先快速经过信号处理模块进行处理，比如信号失真处理，然后将处理后的信号传输给处理器系统，处理器系统一边进行存储器的存储，一边通过语音报警和显示报警进行对司乘人员进行报警，同时通过天线二发送给监控中心，其中语音报警通过扬声器发出，显示报警通过led显示器以红色不断闪耀字体显示。当车载前端检测到移动通信信号异常时，利用前述操作内容进行操作。
分布于危化品运输车辆车身的无线传感器节点放置情况如图3所示，图中的无线传感器节点随机分布于危化品运输车辆的全身，同一个传感器节点随机多处放置，避免检测盲区。无线传感器节点将检测到的物理或化学变化转换成无线信号通过天线传给图2中的车载前端。图3中，1为温度传感器，当检测的温度超过40摄氏度时，通过车载前端进行报警，以通知乘务人员进行确认是否有危险发生；2为压力传感器，检测危化品运输车辆是否负载过重，在车辆行驶过快或道路行驶路线不佳时也检测出车身是否超重；3为气体传感器，在危化品运输车辆装运之前选取确定，选择能检测危化品的气体状态的传感器节点进行安装；4为液体传感器，当危化品运输车辆装运之前选取确定，选择能检测危化品液态的传感器节点进行安装；5为加速度传感器，用于检测危化品运输车辆是否发生碰撞、滑下斜坡等异常情况。无线传感器节点中的气体传感器、液体传感器根据危化品运输车辆装载的危化品进行选定，比如装载硫酸，则选择检测硫酸的液体和气体传感器进行布置，该两种无线传感器节点安装后设置参数，调试与车载前段的通信情况。选择无线传感器节点进行多点布置的优点在于当有一个或几个传感器节点损坏或不能正常工作时，其他的同类传感器节点可以继续工作，减少检测的盲区。
本发明的无线传感器节点结构如图4所示，每个无线传感器节点分别由传感器元件、信号放大、a/d转换、处理器、信号处理部件、存储器、直流电源、无线通信部件和天线四组成。当无线传感器节点开始工作后，其传感器元件将检测到的物理变化或化学变化的信号转换成电信号，比如气体传感器元件将检测出气体的浓度转换成电信号，该电信号为模拟信号，该信号经过放大后，再经过a/d转换变成数字信号传输给处理器，处理器将该信号送交信号处理部件进行下一步的处理，比如滤波、失真处理等，信号处理部件将处理后的信号再次传给处理器，处理器再将处理后的信号送交无线通信部件进行信号频率转换、通信协议等方面的处理以转换成无线信号，处理器同时通过存储器存储该信号数据。转换后的无线信号通过天线四传输给车载前端，天线四仅对外发射无线信号。
监控中心的结构如图5所示，本发明中的监控中心负责完成对危化品运输车辆的实时监控以及信息发布等，包括：监控中心、有线通信、天线三、解码编码、数据库、救援善后、信息发布，其中信息发布通过网络途径、广播电视和报纸杂志三种方式实现。当地面通信网络正常时，监控信号通过基站、移动通信服务商、2g/3g/4g或有线网络传输给监控中心；当监控中心每经过30秒还无法接收通过有线网络接收从移动通信服务商传输来的监控信号后，切换到监听北斗卫星通信信号的无线通信模式中。这里解码编码是针对北斗卫星信号来设置的，具体为：当监控中心通过天线三接收到北斗卫星信号后，该信号的内容为北斗短报文，此类北斗短报文通过“解码编码”部件解码成监控中心能识别的文字以实现进一步的处理操作，同样，当监控中心的回应需要通过北斗卫星传输给车载前端时，由“解码编码”部件完成编码操作生成北斗短报文。当监控中心获悉危化品运输车辆发生危险事故后，及时组织人力物力进行救援善后方面的工作，并将事故情况通过信息发布功能模块对外发布，信息发布通过网络途径、广播电视及报纸杂志等途径对外公布事故的相关情况。监控中心通过有线通信部件与移动通信供应商进行有线通信，完成监控信号的接收和回应信息的发送。监控中心通过天线三与北斗卫星进行通信，完成监控信号的接收和回应信息的发送。在与北斗卫星通信前，监控中心设置无线通信信号的频率及与北斗卫星通信的认证信息等。
对于本发明的实际工作情形，其工作流程如图6所示，其具体工作过程由如下步骤构成：
步骤一：开始内容。危化品运输车辆装载危化品之前，根据需要装载的危化品类型选用合适的各类无线传感器节点进行车身的布置与安装，待危化品装载完成后作进一步地调整，以避免造成检测的盲区，各类无线传感器节点根据危化品的造成危险的气体、液体或固体的检测方式进行选择，比如装载硫酸，则选择检测氢离子浓度的传感器元件设计无线传感器节点，同时选择检测温度、压力等的无线传感器节点，选择节点完成后进行安装并调试运行，确保各类无线传感器节点能正常工作且能与车载前端的正常通信；
步骤二：当装载有危化品的运输车辆启动行驶后，车载端开始工作，车载前端接收各类无线传感器节点传输的信号并进行分析，确定情况是否正常，如果情况不正常，转步骤三。当情况正常时，车载前端通过地面的移动通信或有线网络将各类监控数据传输给监控中心，监控中心每隔10秒发送一次回应给车载端；当监控中心经过30秒后还无法通过地面移动通信接收监控信号后，切换到监听北斗卫星的通信信号的无线通信模式中；当车载前端超过30秒未收到监控中心的回应后，切换到北斗卫星通信模式向监控中心传输各类监控数据；
步骤三：当步骤二中的车载前端确定情况不正常后，启动语言报警和显示报警，确保司乘人员知晓危险的来临，同时车载前端将不正常的监控数据通过地面的移动通信传输给监控中心，监控中心收到数据后立即发送回应给车载前端；当监控中心检测到地面移动通信信号不正常时，切换到监听北斗卫星的通信信号的无线通信模式中；当车载端超过5秒未收到监控中心的回应后，切换到北斗卫星通信模式向监控中心传输监控数据；
步骤四：监控中心在收到情况不正常的监控收据后，立即进行处理，当得知情况非常严重后，组织人力物力进行救援善后工作，同时启动信息发布机制，及时将有关情况的严重程度、救援等信息对外公布。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。