基于毫米波雷达和NB-IoT的智能卷纸监测系统的制作方法

本发明涉及一种基于毫米波雷达和nb-iot的智能卷纸监测系统。

背景技术：

超宽带毫米波雷达传感器是一种通过自身生成并发射接收毫米波的新型传感器，通过分析不同距离不同物体的信号强度实现精确测距和材质识别。毫米波雷达优点有抗干扰能力强，检测精度高、设备体积不大、重量轻等，而且fpga等高速数字信号处理技术不断进步，毫米波的应用领域越来越广，在近程探测、碰撞预警、自动导航和环境监测等领域具有积极作用。

采用低功耗广域网的nb-iot协议，将处理后的毫米波雷达数据通过udp、coap协议传输数据到云端服务器的数据库。nb-iot采用超窄带载波技术、信息重复传输、基于lte网络协议精简设计等方式，以牺牲一定速率、时延、移动性等特性，获取面向lpwa物联网的承载能力。nb-iot作为一种新的窄带蜂窝通信解决方案具备四大特点：一是覆盖广且深，在同样的频段下，nb-iot比现有gprs覆盖增强20db+，从而实现覆盖面积更广、穿透能力更强；二是具备“海量”连接的能力，50k+用户容量200khz小区；三是终端功耗低，基于aa电池，从待机时间上看，理论上nb-iot模组可使用长达10年；四是模组成本低，从运营成本上看供电、通讯都比gprs低。由上述nb-iot具备的诸多优点，可分别根据场景采取带内、保护带或独立载波3种工作模式；同时基于现有网络进行升级改造，实现与现有网络共存，nb-iot在很大程度上是卷纸智能检测系统最理想的技术方案之一。

卡尔曼滤波（kalmanfiltering）的使用理论上是为了获取真值，使得实验中获取的信号值居于比较稳定的状态。它是一种利用线性系统状态方程，通过系统的观测数据进行最优估计的算法。因为观测数据过程中会有噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。

云数据管理及其相关技术的方法在集中式的传感器数据处理方面是最直接的。卷纸器端的数据存入云端数据库并进行数据分析，管理员通过分析的数据实时了解设备的使用情况以及卷纸使用情况，即时进行卷纸的增补以及卷纸器的维修、异物的处理。

技术实现要素：

本发明目的在于提供了一种基于毫米波雷达和nb-iot的智能卷纸监测系统，本发明使得卷纸器内的卷纸量以数字化的形式记录，更直观的表现在我们眼前；同时还会检测设备的损坏情况，保证及时维修；解决卷纸的合理管理是我们推进“厕所革命”的关键步骤。目前国际上尚未具备完善的厕纸管理系统，本系统逐步完善后能够比较完美得解决这个问题，提升我国的文明发展程度与人民的生活水平。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于毫米波雷达和nb-iot的智能卷纸监测系统，包括卷纸器设备端和云服务端，所述的卷纸器设备端主要由超宽带毫米波雷达传感器负责获取铁芯与卷纸组成的包络数据，再由nb-iot传输数据到服务器端；然后由服务器端传输分析结果到卷纸器端，然后在卷纸器上显示；云服务端主要负责接收数据，然后对数据进行处理；通过数据处理，可以得出卷纸的总消耗量、是否存在浪费、单个设备使用是否异常的结论；然后回传设备，或者在网页上显示；其处理过程包括如下步骤：

1）系统初始化，获取信号强度；系统初始化是为获取当前卷纸器内满卷纸和无卷纸两种情况的传感器反射信号强度，用以计算卷纸剩余百分比；发送毫米波信号，测量以金属为内芯的一卷卷纸，获得传感器正前方扇形区域关于横坐标为距离纵坐标为信号强度的图表，通过计算稳定后的波形获得满卷纸时的信号强度a与空卷纸时的信号强度b；

2）采集反射信号并进行滤波处理；正常装入卷纸，用毫米波雷达面向卷纸进行数据采集；通过计算获得信号强度r，对信号强度r进行卡尔曼滤波后得到当前信号强度c；

3）获得卷纸剩余量；通过前两步所得的满卷纸时的信号强度a、空卷纸时的信号强度b、当前信号强度c带入下面的公式：(c-a)/(b-a)，即可获得卷纸剩余量，从而达到卷纸检测的目的。

所述的步骤1）中通过计算稳定后的波形获得满卷纸时的信号强度a与空卷纸时的信号强度b的计算方法为：

首先输入：振幅阵列p={p0,p1,p2,…,pn}，阵列中每个点的间距为0.48mm；输入的p0—pn值是传感器接收的信号强度；

第s1步：设定一个阈值s，判断px-1<s&&px>s是否存在，若不存在则返回null；若存在则取最小的x为x，并判断是否存在py-1>s&&py<s，若存在则取最小的y为y，若不存在则取n为y。

第s2步：根据x与y取pxy={px,…,py}，求得pxy中的最大值pmax为信号强度，距离=(max+1)*0.48；通过上述步骤可得当卷纸是满的时候，测得的pmax是a；当卷纸是空的时候，测得的pmax是b。

所述的步骤2）中通过步骤1）得到的最大值pmax做为当前的信号强度r，对信号强度r进行卡尔曼滤波后得到当前信号强度c的步骤为：

首先输入：通过步骤1）中计算获得的信号强度r；r就是上述的pmax值，表示当前的信号强度；

第s1步：设测r为测量误差、q为系统误差、c_last上一个卡尔曼滤波的结果、p_last为协方差；c_mid=c_last;p_mid=p_last+q;

第s2步：设kg为卡尔曼增益，kg=p_mid/(p_mid+r);

第s3步：返回此次卡尔曼滤波结果c=c_mid+kg*(r-c_mid);

第s4步：算得协方差p_now=(1-kg)*p_mid;

第s5步：更新协方差p_last=p_now；

第s6步：更新卡尔曼滤波结果c_last=c；

c为当前信号，会实时更新。

本发明的有益效果是：（1）使用毫米波雷达传感器，可以得知很多卷纸器内的情况；（2）使用nb-iot模块传输数据，可以在不依靠网线，无线局域网等传统网络，实现通讯；（3）上传数据，在云端进行运算。通过多设备对比得出更准确结论；（4）服务器端分析云端数据并能做出提示。本发明使得卷纸器内的卷纸量以数字化的形式记录，更直观的表现在我们眼前；同时还会检测设备的损坏情况，保证即时维修；解决卷纸的合理管理是我们推进“厕所革命”的关键步骤。提升我国的文明发展程度与人民的生活水平。

附图说明

图1是本发明的系统流程图；

图2是本发明实施例1中检测金属棒包络数据回传的波纹显示图；

图3是本发明实施例1中金属棒为内芯的卷纸波纹显示图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的一种基于毫米波雷达和nb-iot的智能卷纸监测系统，包括卷纸器设备端和云服务端，所述的卷纸器设备端主要由超宽带毫米波雷达传感器负责获取铁芯与卷纸组成的包络数据，再由nb-iot传输数据到服务器端；然后由服务器端传输分析结果到卷纸器端，然后在卷纸器上显示；云服务端主要负责接收数据，然后对数据进行处理；通过数据处理，可以得出卷纸的总消耗量、是否存在浪费、单个设备使用是否异常的结论；然后回传设备，或者在网页上显示；其处理过程包括如下步骤：如图1所示，

1）系统初始化，获取信号强度；系统初始化是为获取当前卷纸器内满卷纸和无卷纸两种情况的传感器反射信号强度，用以计算卷纸剩余百分比；发送毫米波信号，测量以金属为内芯的一卷卷纸，获得传感器正前方扇形区域关于横坐标为距离纵坐标为信号强度的波形图（如图3所示），通过计算稳定后的波形获得满卷纸时的信号强度a与空卷纸时的信号强度b；

所述的步骤1）中通过计算稳定后的波形获得满卷纸时的信号强度a与空卷纸时的信号强度b的计算方法为：

首先输入：振幅阵列p={p0,p1,p2,…,pn}，阵列中每个点的间距为0.48mm；输入的p0—pn值是传感器接收的信号强度；

第s1步：设定一个阈值s，判断px-1<s&&px>s是否存在，若不存在则返回null；若存在则取最小的x为x，并判断是否存在py-1>s&&py<s，若存在则取最小的y为y，若不存在则取n为y。

第s2步：根据x与y取pxy={px,…,py}，求得pxy中的最大值pmax为信号强度，距离=(max+1)*0.48；通过上述步骤可得当卷纸是满的时候，测得的pmax是a；当卷纸是空的时候，测得的pmax是b。

2）采集反射信号并进行滤波处理；正常装入卷纸，用毫米波雷达面向卷纸进行数据采集；通过计算获得信号强度r，对信号强度r进行卡尔曼滤波后得到当前信号强度c；

所述的步骤2）中通过步骤1）得到的最大值pmax做为当前的信号强度r，对信号强度r进行卡尔曼滤波后得到当前信号强度c的步骤为：

首先输入：通过步骤1）中计算获得的信号强度r；r就是上述的pmax值，表示当前的信号强度；

第s1步：设测r为测量误差、q为系统误差、c_last上一个卡尔曼滤波的结果、p_last为协方差；c_mid=c_last;p_mid=p_last+q;

第s2步：设kg为卡尔曼增益，kg=p_mid/(p_mid+r);

第s3步：返回此次卡尔曼滤波结果c=c_mid+kg*(r-c_mid);

第s4步：算得协方差p_now=(1-kg)*p_mid;

第s5步：更新协方差p_last=p_now；

第s6步：更新卡尔曼滤波结果c_last=c；

c为当前信号，会实时更新。

3）获得卷纸剩余量；通过前两步所得的满卷纸时的信号强度a、空卷纸时的信号强度b、当前信号强度c带入下面的公式：(c-a)/(b-a)，即可获得卷纸剩余量，从而达到卷纸检测的目的。

本系统采用金属作为卷纸器内芯，实验现象表明金属内芯信号强度大（如图2所示），而卷纸吸收信号能力极强。通过分析信号的衰减程度可以判断卷纸器内的物体材质。在卷纸不断被消耗的过程中，信号屏蔽能力也随之被削弱，通过分析传感器检测出的信号强度的变化判断卷纸器的卷纸量。此外当卷纸器出现异常情况，传感器也能够对卷纸器内是否具有其他异物或是否在物理上对卷纸器造成损坏进行判断回传数据到云端并进行警报提示或者报警。本发明在感知层技术上主要采用毫米波雷达传感器，该传感器发射超宽带毫米波，利用超宽带脉冲信号在时域上的精确区分度来实现精确测距，通过探测物体反射回来的电磁波的包络判断物体材质，从而检测当前纸量和卷纸器是否存在异物。在传输层采用低功耗广域网的nb-iot协议，将处理后的毫米波雷达数据通过udp、coap协议传输数据到云端服务器的数据库，通过网页登陆来访问云端数据。

本实施例中使用毫米波雷达传感器，可以得知很多卷纸器内的情况；第二使用nb-iot模块传输数据，可以在不依靠网线，无线局域网等传统网络，实现通讯；第三上传数据，在云端进行运算。通过多设备对比得出更准确结论；第四服务器端分析云端数据并能做出提示。本发明使得卷纸器内的卷纸量以数字化的形式记录，更直观的表现在我们眼前；同时还会检测设备的损坏情况，保证即时维修；解决卷纸的合理管理是我们推进“厕所革命”的关键步骤。提升我国的文明发展程度与人民的生活水平。