专利名称：基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统及监测方法
技术领域：
本发明涉及一种城市工业气体安全智能监测系统及检测方法。
背景技术：
物联网(The Internet of things)是新一代信息技术的重要组成部分,它是在原有的互联网基础上综合应用计算机网络技术、通信技术、传感技术构成的“万物互联”的庞大网络。云计算(cloud computing)是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式,通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。它可以通过网络按需的扩展所需资源，系统减少软硬件成本。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,简称WSN),是计算、通信和传感器这三项技术相结合的产物，无线传感器网络通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中。现场总线(Field Bus)技术是一种集计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能控制技术于一身的控制技术，根据国际电工委员会的IEC61158标准的定义，其为现场设备与控制设备之间实行双向、串行、多节点通信的通信网络。专家系统(Expert System)是利用人类专家推理的计算机模型来处理现实世界中来处理需要专家做出解释的复杂问题，知识库和推理机是专家系统的核心。在线故障诊断(On-Line Fault Diagnosis)、气体蔓延趋势判断、最佳事故处理措施选取等都可利用知识库和相应的推理机制作出判断和裁决。工业气体的检测对城市安全有十分重要的意义。现有的工业气体安全监控平台多是区域性的，独立性的，缺乏从整个城市的环境、气象、公共资源等角度综合分析和管理工业气体安全。现有的物联网终端的数目在不断增多，这对物联网终端的工作可靠性提出了较高的要求，实际应用中物联网终端也常常出现故障，快速分析故障来源和类型，并提出检修方案有着重要的意义。现有工业气体监控系统多设有远程监控中心，能够完成实时报警等功能，但是软硬件资源较少，功能单一，无法满足多角度分析、综合规划的需要。现有工业可燃/有毒气体检测仪器有多种，按照实现功能的方式可分为便携式或固定式气体检测仪、气体检测变送器、总线型气体检测报警系统、无线型气体检测系统。它们都有各自的应用范围。但在实际工业现场中，单一使用气体变送器/总线型气体检测报警器或者无线型气体检测系统不能兼顾设备成本、运营成本和复杂工业环境。传统可燃/有毒气体探测器多采用催化燃烧型传感器获取气体浓度信息，该传感器的优点是成本低、输出线性度好，缺点是寿命短；为保证精度，每半年需要标定一次；使用前需要先预热几分钟然后才能正常工作，功耗大。这些特点使得催化燃烧型气体传感器在总线型气体探测系统中仍有存在的价值，而在无线型气体探测系统应用中存在着致命的缺点。
发明内容
本发明是为了解决现有采用区域性、独立性的气体监测系统由于其监测覆盖面小导致无法实现对城市工业气体安全进行整体监测、监测可靠性差的问题，从而提供一种基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统及监测方法。基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统，它包括M个局域气体检测子网、远程监控平台和云计算平台，每个局域气体检测子网中均包括一个无线通信基站和N个无线气体检测终端，N个无线气体检测终端用于检测该局域气体检测子网所在地区的气体浓度；N个无线气体检测终端均与该局域气体检测子网中的无线通信基站无线通信；
据交互；远程监控平台和云计算平台通过以太网实现数据交互；M为正整数；N为正整数。它还包括GPS系统，所述GPS系统中有N个GPS终端，每个GPS终端与一个无线气体检测终端固定连接在一起，GPS系统的监控平台通过以太网与远程监控平台实现数据交互。它还包括城市视频监控系统，城市视频监控系统的N个监控终端分别用于拍摄N个无线气体检测终端所在区域的视频信息，城市视频监控系统的监控平台通过以太网与远程监控平台实现数据交互。它还包括事故模拟系统，所述事故模拟系统用于对城市工业气体事故进行模拟，所述事故模拟系统通过以太网与远程监控平台实现数据交互。事故模拟系统是利用模式仿真技术、GIS技术和即时气象信息实现的。无线气体检测终端为现场总线型气体浓度探测器或基于Zigbee技术的气体探测器。基于上述系统的城市工业气体安全智能监测方法，它由以下步骤实现步骤一、在每个局域气体检测子网中，采用N个无线气体检测终端测量该局域网覆盖地区的气体浓度，并将所述气体浓度发至该局域气体检测子网中的无线通信基站；步骤二、每个局域气体检测子网中的无线通信基站逐一判断N个无线气体检测终端检测到的气体浓度值是否超过预设的浓度值；当有一个或多个无线气体检测终端检测到的气体浓度值超过预设的浓度值时，则执行步骤三；反之，则执行步骤四；步骤三、该局域气体检测子网中的无线通信基站将超过预设浓度值的无线气体检测终端的终端信息及气体浓度值通过以太网发送至远程监控平台；并返回执行步骤一；步骤四、远程监控平台将接收到的气体浓度值通过云计算平台进行计算和存储，并将计算结果返回至远程监控平台；步骤五、远程监控平台根据步骤四获得的计算结果逐一判断每个局域气体检测子网中是否存在气体安全事件，从而实现城市工业气体安全的智能监测。步骤五中，还包括如下步骤当远程监控平台判断出某个局域气体检测子网中存在气体安全事件时，远程监控平台调用GPS系统，对发生气体安全事件的地点进行定位。步骤五中，还包括如下步骤当远程监控平台判断出该局域气体检测子网中存在气体安全事件时，远程监控平台调用城市视频监控系统，对发生气体安全事件的地点进行视频拍摄。步骤五中，还包括如下步骤当远程监控平台判断出该局域气体检测子网中存在气体安全事件时，远程监控平台调用事故模拟系统，对发生气体安全事件的地点的气体扩散范围、发展蔓延趋势和最佳救助路线进行模拟。
本发明能够对城市工业气体进行监测，检测覆盖面大，监测可靠性高。
图I是本发明的监测系统的结构示意图；图2是具体实施方式
五的结构示意图；图3是具体实施方式
六中所述的无线型气体探测器的结构示意图；图4是具体实施方式
六中所述的总线型气体探测器的结构示意图；其中标记41为电源线；42为通信线；图5是具体实施方式
六中所述的局域气体报警控制器的结构示意图；其中标记51为通信线；52为电源线；图6是传感器标定流程示意图；图7是故障检测机制原理示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图I说明本具体实施方式
，基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统，它包括M个局域气体检测子网、远程监控平台2和云计算平台3，每个局域气体检测子网中均包括一个无线通信基站11和N个无线气体检测终端12，N个无线气体检测终端12用于检测该局域气体检测子网所在地区的气体浓度；N个无线气体检测终端12均与该局域气体检测子网中的无线通信基站11无线通信；每个局域气体检测子网中的无线通信基站11均通过以太网与远程监控平台2实现数据交互；远程监控平台2和云计算平台3通过以太网实现数据交互；M为正整数；N为正整数。工作原理无线气体检测终端12实时采集各地区的气体浓度信息，并将数据上传；无线通信基站11接收由无线气体检测终端12上传的数据，并进行分析处理，然后通过GPRS/CDMA/GSM/3G/4G网络接入INTERNET网络，并在气体浓度超过报警阈值时发出报警信号；远程监控平台2设置在城市工业气体安全监控中心，通过INTERNET网络实时远程接收各地区气体浓度情况，利用INTERNET网和云计算平台3对气体浓度数据、地理位置等多种信息综合分析，根据现有的数学模型预测气体扩散趋势，以提出事故最优处理方案。远程监控平台2所需要的数据分析、模型建立等功能通过网络或其它数据通信接口将命令发送到云计算平台3，利用云计算平台3的软件和硬件资源完成这些任务，然后云计算平台3将结果返回到远程监控平台2 ;远程监控平台2的数据信息也可以通过数据通信接口传送至云存储终端；远程监控平台2所需的部分数据也可以从云计算平台3或者通过与云计算平台相连的其他终端获取。远程监控平台2由数据库和数据处理系统构成，远程监控平台2接收到报警信息后，利用已掌握的数据库信息和综合分析系统做出事故综合评估。远程监控平台2的数据来源通过网络接口获取，数据 处理通过软硬件资源和云计算平台共同完成。本发明基于物联网的信息采集与传输网络，分级监控与中央集中监控的多级监控与管理系统，并结合智能分析、判断与裁决系统，对紧急安全隐患进行实时的控制与处理，对潜在安全隐患进行有效的报警与整改。其优点是监控与管理网络分层合理，智能化程度高，所带探测终端多，抗干扰性强，可靠性高，布局方式灵活，管理和维护方便。并且本系统具有故障自检功能，它可以有效的检测故障来源，该故障检测系统分为三级，它们分别是远程监控平台故障分析机制，局域气体安全终端故障检测机制，气体探测器故障检测机制。远程管理中心故障分析机制通过已有的知识库和相应的推理机制，对系统发生故障时的故障特征分析处理，推理出系统故障地点、故障类型、故障检修方法、故障可能带来的后果等信息，从而避免因系统自身故障造成的人员伤亡及经济损失。
具体实施方式
二、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统的区别在于，它还包括GPS系统4，所述GPS系统4中有N个GPS终端，每个GPS终端与一个无线气体检测终端12固定连接在一起，GPS系统4的监控平台通过以太网与远程监控平台2实现数据交互。本实施方式利用GPS系统确定准确的报警地址，并在平面图上进行自动标记坐标、范围、周边交通和环境情况等。
具体实施方式
三、本具体实施方式
与具体实施方式
二所述的基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统的区别在于，它还包括城市视频监控系统5，城市视频监控系统5的N个监控终端分别用于拍摄N个无线气体检测终端12所在区域的视频信息，城市视频监控系统5的监控平台通过以太网与远程监控平台2实现数据交互。本实施方式利用已有的城市视频监控系统对事故发生地进行视频观测。
具体实施方式
四、本具体实施方式
与具体实施方式
三所述的基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统的区别在于，它还包括事故模拟系统6，所述事故模拟系统6用于对城市工业气体事故进行模拟，所述事故模拟系统6通过以太网与远程监控平台2实现数据交互。本实施方式利用模式仿真技术、GIS技术和即时气象信息演示和规划出即时事故(灾害)扩散范围、发展蔓延趋势、最佳救助路线等。从而通过快速准确地分析结论通报将该信息和资料相关部门赶赴现场处置救助，并可提供远程指挥指令。通过系统分析还可以对灾害所造成的损坏做以初步的灾损评价。
具体实施方式
五、本具体实施方式
与具体实施方式
四所述的基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统的区别在于，事故模拟系统6是利用模式仿真技术、GIS技术和即时气象信息实现的。
具体实施方式
六、本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统的区别在于，无线气体检测终端12为现场总线型气体浓度探测器或基于Zigbee技术的气体探测器。本实施方式中的现场总线型气体探测器的结构如图4所示，它选用催化燃烧型或者红外型气体传感器。催化燃烧型气体传感器的优点是成本低，线性度好，功耗大但对于总线型设备的影响较小；红外型气体传感器的优点是其灵敏度高，工作寿命可以达到5年，并且使用过程中不需要标定，不会出现传感器中毒现象。
催化燃烧型气体传感器的2. 5V供电电源采用高频开关型直流变换芯片(开关频率彡I. 5MHz)，转化效率可达90%。总线型/无线型气体探测器传感器在使用过程中的标定方式为探测器免启盖、免操作标定方法。即首先对探测器调零。调零工作由报警控制器完成，然后报警控制器发出探测器标定信号，探测器将依次处于预先设定好的标定状态。当将标准浓度气体通入探测器探头时，探测器自动开始标定，经过一段时间后，此探测器完成这一浓度的标定。更换另一标准浓度气体置于探测器探头处，探测器开始另一浓度点的标定工作，一段时间后此探测器完成标定。当移走标准浓度气体后，探测器自动进入气体浓度检测状态。此时下一探 测器自动进入标定状态，如上反复操作，可完成探测器的免启盖、免操作标定。气体探测器的标定流程如图6所示。气体探测器在标定完成后，理论上不会改变传感器的探测精度。基于Zigbeer技术的气体探测器(协调器节点、路由节点、气体探测器终端节点)，如图3所示，采用单片集成SoC实现，如TI公司的CC2530(8051内核)。系统使用的协议栈是TI公司提供的ZigBee2007协议栈Z-Stack，该协议栈实现了 IEEE802. 15. 4的物理层和数据链路层的标准和ZigBee的网络层和应用层标准，较好的解决了无线传感器网络连接方案。基于ZigBee无线技术的气体探测器终端节点的传感器采用无需预热、低功耗型气体传感器，如电化学气体传感器、红外气体传感器。基于ZigBee无线技术的气体探测器终端节点和路由节点采用太阳能电池板和蓄电池双电源供电，太阳能电池板在光线充足时采用浮充方式给蓄电池充电，同时也给其他电路供电。在光线不足时，电源管理电路将供电源自动切换为蓄电池。基于ZigBee无线技术的气体探测器终端节点、现场总线型气体探测器都具有故障自检功能，当出现故障时，能够将故障信息以特定故障代码和故障地址上传至局域气体报警控制器，局域气体报警控制器的结构如图5所示意。故障检测机制的原理如图7所示。基于ZigBee无线技术的协调器节点、现场总线型主控制节点均集成于局域气体报警控制器中。局域气体报警控制器具有气体浓度显示、数字量输出、报警、故障检测等功能，它还可以将气体浓度信息和故障信息通过无线网络上传至远程监控平台。局域气体报警控制器采取分离式电路布局。方便调试和系统维护。
具体实施方式
七、基于具体实施方式
一的城市工业气体安全智能监测方法，它由以下步骤实现步骤一、在每个局域气体检测子网中，采用N个无线气体检测终端12测量该局域网覆盖地区的气体浓度，并将所述气体浓度发至该局域气体检测子网中的无线通信基站
11;步骤二、每个局域气体检测子网中的无线通信基站11逐一判断N个无线气体检测终端12检测到的气体浓度值是否超过预设的浓度值；当有一个或多个无线气体检测终端12检测到的气体浓度值超过预设的浓度值时，则执行步骤三；反之，则执行步骤四；步骤三、该局域气体检测子网中的无线通信基站11将超过预设浓度值的无线气体检测终端12的终端信息及气体浓度值通过以太网发送至远程监控平台2 ;并返回执行步骤一；步骤四、远程监控平台2将接收到的气体浓度值通过云计算平台3进行计算和存储，并将计算结果返回至远程监控平台2 ；步骤五、远程监控平台2根据步骤四获得的计算结果逐一判断每个局域气体检测子网中是否存在气体安全事件，从而实现城市工业气体安全的智能监测。步骤五中，还包括如下步骤当远程监控平台2判断出某个局域气体检测子网中存在气体安全事件时，远程监控平台2调用GPS系统，对发生气体安全事件的地点进行定位。步骤五中，还包括如下步骤当远程监控平台2判断出该局域气体检测子网中存在气体安全事件时，远程监控平台2调用城市视频监控系统，对发生气体安全事件的地点进行视频拍摄。
步骤五中，还包括如下步骤当远程监控平台2判断出该局域气体检测子网中存在气体安全事件时，远程监控平台2调用事故模拟系统，对发生气体安全事件的地点的气体扩散范围、发展蔓延趋势和最佳救助路线进行模拟。
权利要求
1.基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统，其特征是它包括M个局域气体检测子网、远程监控平台(2)和云计算平台(3)， 每个局域气体检测子网中均包括一个无线通信基站(11)和N个无线气体检测终端(12)，N个无线气体检测终端(12)用于检测该局域气体检测子网所在地区的气体浓度#个无线气体检测终端(12)均与该局域气体检测子网中的无线通信基站(11)无线通信； 每个局域气体检测子网中的无线通信基站(11)均通过以太网与远程监控平台(2)实 现数据交互； 远程监控平台(2)和云计算平台(3)通过以太网实现数据交互； M为正整数；N为正整数。
2.根据权利要求I所述的基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统，其特征在于它还包括GPS系统(4)，所述GPS系统(4)中有N个GPS终端，每个GPS终端与一个无线气体检测终端(12)固定连接在一起，GPS系统(4)的监控平台通过以太网与远程监控平台(2)实现数据交互。
3.根据权利要求2所述的基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统，其特征在于它还包括城市视频监控系统(5)，城市视频监控系统(5)的N个监控终端分别用于拍摄N个无线气体检测终端(12)所在区域的视频信息，城市视频监控系统(5)的监控平台通过以太网与远程监控平台(2)实现数据交互。
4.根据权利要求3所述的基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统，其特征在于它还包括事故模拟系统(6)，所述事故模拟系统(6)用于对城市工业气体事故进行模拟，所述事故模拟系统(6)通过以太网与远程监控平台(2)实现数据交互。
5.根据权利要求4所述的基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统，其特征在于事故模拟系统(6)是利用模式仿真技术、GIS技术和即时气象信息实现的。
6.根据权利要求I所述的基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统，其特征在于无线气体检测终端(12)为现场总线型气体浓度探测器或基于Zigbee技术的气体探测器。
7.基于权利要求I的城市工业气体安全智能监测方法，其特征是它由以下步骤实现 步骤一、在每个局域气体检测子网中，采用N个无线气体检测终端(12)测量该局域网覆盖地区的气体浓度，并将所述气体浓度发至该局域气体检测子网中的无线通信基站(11); 步骤二、每个局域气体检测子网中的无线通信基站(11)逐一判断N个无线气体检测终端(12)检测到的气体浓度值是否超过预设的浓度值；当有一个或多个无线气体检测终端(12)检测到的气体浓度值超过预设的浓度值时，则执行步骤三；反之，则执行步骤四； 步骤三、该局域气体检测子网中的无线通信基站(11)将超过预设浓度值的无线气体检测终端(12)的终端信息及气体浓度值通过以太网发送至远程监控平台(2);并返回执行步骤一； 步骤四、远程监控平台(2)将接收到的气体浓度值通过云计算平台(3)进行计算和存储，并将计算结果返回至远程监控平台(2); 步骤五、远程监控平台(2)根据步骤四获得的计算结果逐一判断每个局域气体检测子网中是否存在气体安全事件，从而实现城市工业气体安全的智能监测。
8.根据权利要求7所述的城市工业气体安全智能监测方法，其特征在于步骤五中，还包括如下步骤当远程监控平台(2)判断出某个局域气体检测子网中存在气体安全事件时，远程监控平台(2)调用GPS系统，对发生气体安全事件的地点进行定位。
9.根据权利要求7所述的城市工业气体安全智能监测方法，其特征在于步骤五中，还包括如下步骤当远程监控平台(2)判断出该局域气体检测子网中存在气体安全事件时，远程监控平台(2)调用城市视频监控系统，对发生气体安全事件的地点进行视频拍摄。
10.根据权利要求7所述的城市工业气体安全智能监测方法，其特征在于步骤五中，还包括如下步骤当远程监控平台(2)判断出该局域气体检测子网中存在气体安全事件时，远程监控平台(2)调用事故模拟系统，对发生气体安全事件的地点的气体扩散范围、发展蔓延趋势和最佳救助路线进行模拟。
全文摘要
基于物联网的城市工业气体安全智能监测系统及监测方法，涉及一种城市工业气体安全智能监测系统及监测方法。它是为了解决现有采用区域性、独立性的气体监测系统由于其监测覆盖面小导致无法实现对城市工业气体安全进行整体监测、监测可靠性差的问题。本发明基于物联网的信息采集与传输网络，分级监控与中央集中监控的多级监控与管理系统，并结合智能分析、判断与裁决系统，对紧急安全隐患进行实时的控制与处理，对潜在安全隐患进行有效的报警与处理。其优点是监控与管理网络分层合理，智能化程度高，所带探测终端多，抗干扰性强，可靠性高，布局方式灵活，管理和维护方便。本发明适用于对城市工业气体安全进行智能监测。
文档编号G05B19/418GK102621970SQ201210110780
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者宋铁群, 朱春波, 李晓宇, 李英臻, 王艳, 逯仁贵 申请人:哈尔滨工业大学