一种多传感器协同工作的监测方法及系统与流程

本申请涉及环境信息采集监测的技术领域，特别涉及一种多传感器协同工作的监测方法及系统。

背景技术：

在环境信息采集监测领域，特别是工业气体环境监测，需要监测设备能及时获知气体泄漏的信息。

近年来，由于施工现场(如工厂)存在着一些施工困难、布线成本高、易受破坏等因素，传统的有线监测方式慢慢地被无效监测方式所取代。将传感器接入无线网络，可以解决传统监测手段的布线、安装、实时性检测难的问题。

然而，而相对于有线监测设备，无线监测设备大都采用电池供电的方式，而如何优化无线设备的电池续航能力是一个重要的研究方向。

一般而言，为了及时获知异常情况，现有的大多数气体监测，主要依赖于单一的气体传感器进行长时间的工作和数据采集，这样仍有所不足，主要在于：

1、单纯地依靠气体传感器判断采样的数据，进行数据通信频率选择，始终存在一定的滞后性和可靠性问题，可能会带来安全隐患；

2、采用单一类型的传感器来获取信息，在较为复杂的环境下，不能很好地发现其他隐患，比如存在着多种气体的环境，而这些气体的阈值明显不同，有时候可能相差很大，而环境中的温湿度、压力等能反应泄漏隐患的重要信息往往被忽略；

3、一些功耗较大的传感器频繁地对环境进行监测，使得系统的能耗较大，降低了系统电池续航时长。

技术实现要素：

本申请要解决的技术问题是提供一种低能耗、高精度的环境监测解决方案。

为了解决上述技术问题，本申请中披露了一种多传感器协同工作的监测方法和系统。本申请的技术方案是这样实施的：

一种多传感器协同工作的监测方法，采用多种类的传感器进行不同环境信息的搜集；以功耗数值对传感器进行分类，将所述传感器分为低功耗传感器及高功耗传感器至少两类；系统被唤醒后，低功耗传感器和高功耗传感器分别以各自设定的采样周期t1、t2进行采样；若低功耗传感器的测量值a1达到或超过其设定的警报阈值a0，则触发低功耗传感器以及高功耗传感器的实时采样，直到系统处于正常状态，正常状态为a1小于a0，且高功耗传感器的测量值b1小于其设定的警报阈值b0。

优选地，所述低功耗传感器和高功耗传感器的测量数据由通讯模块进行上报；所述通讯模块进行数据上报的频率包括正常频率f1和警报频率f2，前者数值小于后者；当系统处于正常状态时，所述通讯模块以正常频率f1进行所述测量数据的上报，否则以警报频率f2进行所述测量数据的上报。

优选地，低功耗传感器的采样周期t1小于高功耗传感器的采样周期t2。

优选地，f2的数值是f1的数值的5至10倍。

优选地，以功耗数值对传感器进行分类的具体方式为：设定一额定电流参考值，若某传感器的额定电流值超过该参考值，则该传感器被分类为高功耗传感器，否则被分类为低功耗传感器。

优选地，以功耗数值对传感器进行分类的具体方式为：设定一额定功率参考值，若某传感器的额定功率值超过该参考值，则该传感器被分类为高功耗传感器，否则被分类为低功耗传感器。

优选地，所述低功耗传感器包括湿度传感器、压力传感器或振动传感器；所述高功耗传感器包括流量传感器、半导体气体传感器、光离子化气体传感器或红外气体传感器。

优选地，系统被唤醒后，若一直处于正常状态，则经过一个系统监测周期t3后，系统进入休眠，等待下次被唤醒。

优选地，所述低功耗传感器和所述高功耗传感器进行设定次数的采样后，对采样所得数值进行取平均，所得的平均值被存储至存储单元。

一种多传感器协同工作的系统，所述系统用于工业气体监测；包括所述低功耗传感器、所述高功耗传感器、信号处理和缓存模块、所述通讯模块、参数存储单元以及控制前述部件工作的主控制器；所述低功耗传感器和高功耗传感器的测量数据由通讯模块进行上报；所述信号处理和缓存模块用于处理所述低功耗传感器和所述高功耗传感器采集到的信息，并将处理后所得的数据进行缓存或者传送给所述主控制器；所述主控制器判断a1值和a0值，若后者大于等于前者，则驱动所述高功耗传感器进行实时采样，并控制所述通讯模块进行所述测量数据的上报；所述主控制器根据设定唤醒所述前述部件或使其休眠；所述参数存储单元用于存储系统的配置参数以及信号处理和缓存模块处理后所得的数据。

实施本申请技术方案的有益效果主要有：

1、采用多种类的传感器进行环境监测，低功耗传感器和高功耗传感器具有不同的采样周期，能更全面、准确、及时地获知突发事件；

2、将传感器以功耗进行分类，通过低功耗的传感器发生警报后驱动高功耗的传感器进行采样，避免高功耗的传感器长时间采样工作，降低了系统的能耗；

3、对通讯模块进行数据上报的频率在不同情况下进行控制，设计了正常频率f1和警报频率f2，使得正常状态下通讯模块的数据传输能耗有所下降，进一步降低了系统的能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一个实施例中，系统的结构简图；

图2为一个实施例中，系统的工作流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在一个具体的实施例中，一种多传感器协同工作的监测方法，采用多种类的传感器进行不同环境信息的搜集；以功耗数值对传感器进行分类，将所述传感器分为低功耗传感器及高功耗传感器至少两类；系统被唤醒后，低功耗传感器和高功耗传感器分别以各自设定的采样周期t1、t2进行采样；若低功耗传感器的测量值a1达到或超过其设定的警报阈值a0，则触发低功耗传感器以及高功耗传感器的实时采样，直到系统处于正常状态，正常状态为a1小于a0，且高功耗传感器的测量值b1小于其设定的警报阈值b0。

上述技术方案，可应用于一些重要的环境物理量监测的场合，特别适用于工厂中的可燃气体、有毒有害气体监测，同时由于具有多个种类的传感器，也可对管道流量、环境温度、管道压力等信息进行全面监控，如此，可获得多类型的环境信息，在判断突发事件时能提供更全面的参考。上述技术方案中，高功耗传感器可以采用半导体式的气体传感器，低功耗传感器可以采用温度传感器、压力传感器、湿度传感器等，通过设置不同的采样周期t1、t2，使得各传感器的采样工作可以合理地被安排在不同的时段进行，能更及时地发现环境中出现的异常变化。

本实施例中，可以将高功耗传感器的采样间隔时长设置得相对较大，避免其一直工作而造成系统的高能耗；将低功耗传感器的采样间隔时长设置得相对较小，使得能及时获知环境信息的变化(如温度突然升高，压力突然变大，湿度变化明显等)，当环境信息的测量值超过阈值时，再驱动高功耗传感器进行采样，这样可在降低系统能耗的同时保证监测的准确性。

需要说明的是：

1、“多种类的传感器进行不同环境信息的搜集”，意味着这些传感器搜集的环境信息是多种的，具体到气体监测领域，本领域技术人员应能从现有技术中，根据实际情况而选择不同种类的传感器而进行相关环境信息的搜集，例如可采用温度传感器、压力传感器、气体传感器等，这样可获得多种环境信息，例如温度、压力、气体种类、气体浓度、泄露速度等，有利于进行全面、准确的环境信息收集和判断。

2、“以功耗数值对传感器进行分类，将所述传感器分为低功耗传感器及高功耗传感器至少两类”，意味着可以应用于部分的传感器，也可以应用于一定范围内(如某车间)的所有传感器，也可以应用于整个大环境下(如整个厂房)的所有传感器。同时也意味着，可以以功耗值对传感器分为两类以上，例如三类：一般耗能的、比较耗能的、最为耗能的，可以通过相对低能耗的传感器采集环境信息，当发现异常情况时，驱动相对高能耗的传感器进行实施数据采集。由此可知，低功耗传感器和高功耗传感器是相对的概念，并非意味着所有的的情况下，传感器都将仅被分为这两类；然而，大多数情况下，将传感器分为这两类就可以了，这样比较方便管理和控制。

3、“低功耗传感器和高功耗传感器分别以各自设定的采样周期t1、t2进行采样”，t1指代的是低功耗传感器的采样周期；并非限定了所有的低功耗传感器的采样周期都是同一数值；当低功耗传感器有多种的时候，每个低功耗传感器的采样周期t1可以相同，也可以有所不同；同理，当高功耗传感器有多种的时候，每种高功耗传感器的采样周期t2可以相同，也可以有所不同。

4、对测量值a1、警报阈值a0、测量值b1和警报阈值b0应作这样的理解：测量值可以是实时采样所得的数值，也可以是一段时间采样所得的平均值，也可以是前后两次采样值的绝对值(或差值)，也以是前后两个周期采样平均值的绝对值(或差值)，当然测量值的类型还可以是其他现有技术中提及的类型，在此不作特别限定。总而言之，测量值是用于和警报阈值进行比较的，从而用于判断环境信息发生的变化。测量值和警报阈值具体采用何种类型、何种单位，本领域技术人员可根据实际情况进行选择。

5、“则触发低功耗传感器以及高功耗传感器的实时采样”，意味着一些应用场合下，会触发所有的传感器进行实时采样，一些场合下，可以是触发部分的低功耗传感器以及高功耗传感器进行实时采样，当然前者的效果更佳。

在一个优选实施例中，所述低功耗传感器和高功耗传感器的测量数据由通讯模块进行上报；所述通讯模块进行数据上报的频率包括正常频率f1和警报频率f2，前者数值小于后者；当系统处于正常状态时，所述通讯模块以正常频率f1进行所述测量数据的上报，否则以警报频率f2进行所述测量数据的上报。在该实施例中，通讯模块采用射频模块，通过无线的方式进行通讯。该实施例本质上是为了说明：在系统处于正常状态时，可以相对少次数地进行数据的上报，以此来降低系统的能耗，系统处于非正常状态下，通讯模块需要相对频繁地进行数据的上报，使得后台可以更及时、准确地获知现场的状况。通过对通讯模块的数据上报频率根据不同的情况进行不同的设定，结合低功耗传感器驱动高功耗传感器工作的做法，可以大大地合理降低系统的能耗。

在一个优选实施例中，低功耗传感器的采样周期t1小于高功耗传感器的采样周期t2，意味着低功耗传感器需要比高功耗传感器更为频繁地进行数据采集，可提高获取信息的实时性。

在一个优选实施例中，f2的数值是f1的数值的5至10倍，是一种较佳的方案；当然，在其他的实施例中，f2的数值和f1的数值可以是其他的变化，只要符合前者大于后者即可。

以功耗数值对传感器进行分类的方式有很多，例如可以设定一额定电流参考值(比如1ma)，若某传感器的额定电流值超过该参考值，则该传感器被分类为高功耗传感器，否则被分类为低功耗传感器。又例如可设定一额定功率参考值，若某传感器的额定功率值超过该参考值，则该传感器被分类为高功耗传感器，否则被分类为低功耗传感器。本领域技术人员还可以根据其他的现有技术和方法来区分传感器间的能耗大小。

在一个优选实施例中，所述低功耗传感器包括湿度传感器、压力传感器或振动传感器；所述高功耗传感器包括流量传感器、半导体气体传感器、光离子化气体传感器或红外气体传感器。

在一个优选实施例中，系统被唤醒后，若一直处于正常状态，则经过一个系统监测周期t3后，系统进入休眠，等待下次被唤醒。

在一个优选实施例中，所述低功耗传感器和所述高功耗传感器进行设定次数的采样后，对采样所得数值进行取平均，所得的平均值被存储至存储单元。

一种多传感器协同工作的系统，所述系统用于工业气体监测；如图1所示，包括所述低功耗传感器、所述高功耗传感器、信号处理和缓存模块、所述通讯模块、存储单元以及控制前述部件工作的主控制器；所述低功耗传感器和高功耗传感器的测量数据由通讯模块进行上报；所述信号处理和缓存模块用于处理所述低功耗传感器和所述高功耗传感器采集到的信息，并将处理后所得的数据进行缓存或者传送给所述主控制器；所述主控制器判断a1值和a0值，若后者大于等于前者，则驱动所述高功耗传感器进行实时采样，并控制所述通讯模块进行所述测量数据的上报；所述主控制器根据设定唤醒所述前述部件或使其休眠；所述存储单元用于存储系统的配置参数以及信号处理和缓存模块处理后所得的数据。

更具体地，系统采用的通讯模块为射频收发模块，具体可以采用lora、zigbee、nb-iot等射频传输方式。无线传感器节点可以通过无线组网的方式形成无线传感器网络，其中lora、zigbee等运行在免费频段，可以自主开发网络工作协议，如可以是星形、mesh组网、单挑\多跳等组网形式，nb-iot则是运营商开发的物联网专用组网方式，其优点在于覆盖范围广，使用简单。

系统采用的传感器可以包括数字式的传感器、模拟式的传感器，数字式的传感器通过一定的传输协议与信号处理单元在主控制器的控制下完成通信，其输出的信号为数字信号，可以被主控制器直接使用。模拟传感器需要加入合适的模拟前端处理电路，主要包括信号缓冲、信号放大电路，模数转换器(adc)，滤波电路等，通过模拟前端电路处理后送给缓存或者主控制器使用。

系统的电源由电池提供，可以为蓄电池、锂电池、太阳能电池等。电池给各模块的供电，通过开关控制，开关的通断由主控制器完成控制，以达到控制各传感器模块、信号处理与缓存模块、存储模块、通讯模块的目的。

最后，通过图2所示的流程图对多传感器协同工作的监测方法和系统进行说明。在一个具体应用场合中，系统的工作流程如下：

1、上电初始化，然后读取预设的关键系统参数，这些参数主要包括各传感器采样周期，通讯模块(具体地采用射频模块)的重要配置参数(如信道频率、发射功率、数据上传频率)，同时还包括低功耗传感器(如温湿度、压力、振动等)的警报阈值a0，高功耗传感器(如气体传感器等)的警报阈值b0。其中通讯模块上传传感器数据的频率预设为两个，包括正常频率f1和警报频率f2，前者数值小于后者。

2、各传感器完成数据的多次采样，取平均值并与警报阈值进行比较，若无异常情况，系统进入休眠状态，关闭各模块的电源，等待定时唤醒。

3、定时器时间到，系统被唤醒，主控制器控制低功耗传感器完成新一轮的数据采样，并控制数据处理模块对信号进行处理。

4、判断低功耗传感器数据是否超过阈值(即a1是否大于等于a0)，如果是则触发对高功耗传感器的数据实时采集，同时主控制器控制通讯模块以f2的频率向数据中心发送所有传感器数据，直到警报解除(即系统处于正常状态)，否则一直发送数据；反之，低功耗传感器数据正常，则高功耗传感器按照预设的正常采样周期t2进行采样，同时判断高功耗传感器数据是否超标(即b1是否大于等于b0)，如果是，也将触发低功耗传感器和高功耗传感器实时采样，射频模块以f2发送数据，直到警报解除，如果高功耗传感器数据正常，系统进入休眠等待下次唤醒。

上述列举的各种实施例，在不矛盾的前提下，可以相互组合实施，本领域技术人员可结合附图和上文对实施例的解释，作为对不同实施例中的技术特征进行组合的依据。

需要指出的是，以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。