一种基于物联网的多传感器智能监控系统的制作方法

本发明涉及基于传感器的无线监控技术、基于互联网+思维的监控结果实时传输与监测技术、基于ASP.NET的网站接口技术与桌面软件及移动设备的界面设计技术领域，尤其涉及一种基于物联网的多传感器智能监控系统。

背景技术：

随着信息科技的进步，特别是互联网的快速发展，现实生活越来越依赖互联网，由此也诞生了物联网。对于传统的物联网监控技术，对于不同的监控目标，需要专业人员根据各种需求搭建一个监控系统，这使得使用物联网技术的门槛较高，不能大众化。针对这一情况，有必要设计一款物联网监控系统，其使用面广，可扩展性高，能广泛应用于各种物联网监控项目。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于物联网的多传感器智能监控系统，凭借各种传感器模块对目标设备进行实时监控，并将数据传输到服务器端，经过解析与加工后，用户能在监控客户端界面上直观地看到监控目标的实时情况，具有方便、高效、更智能化以及成本低等优点。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于物联网的多传感器智能监控系统，包括监控客户端、服务器端和若干传感器监控模块，所述传感器监控模块、监控客户端均与服务器端连接；其中

所述传感器监控模块对监控目标设备进行监控和管理，并对监控目标设备进行数据采集，然后将数据传送至服务器端；所述服务器端对数据进行解析，并将解析后的数据传送至监控客户端；所述监控客户端存储数据并显示监控目标设备的实时状态。

进一步地，所述监控客户端包括移动设备监控客户端和PC监控客户端，所述移动设备监控客户端用于实时数据监控。

进一步地，所述移动设备监控客户端用于实时数据监控，包括：显示传感器监控模块的实时数据，进行异常情况的报警，以及对监控结果实时传输至服务器端。

进一步地，所述PC监控客户端包括系统登录模块、实时数据监控模块和数据分析模块；

所述系统登录模块，用于：进行用户管理和安全性检查，配置检测环境参数，以及设置传感器监控模块的监控范围；

所述实时数据监控模块，用于：传感器监控模块实时数据的显示、异常情况的报警，以及将监控结果实时传输至服务器端；

所述数据分析模块，用于：查询以往的历史数据，查询报警日志，以及将数据以图表的形式显示以供用户直观地获得设备状况。

进一步地，所述服务器端包括数据解析模块、移动数据网络接口模块、异常监测模块、项目管理模块、账号管理模块以及备份数据模块，其中

所述数据解析模块，用于对传感器监控模块接收的数据进行解析，并存储至数据库中；

所述移动数据网络接口模块，用于给移动监控客户端提供数据查询与异常记录查询接口；

所述异常监测模块用于：当服务器端接收传感器监控模块传送的数据时，会根据用户的监控配置情况，检查特定的设备数据，若发现特定的设备出现异常状况，则将异常状况数据读入数据库；

所述项目管理模块用于：系统管理员对项目管理模块进行监控具体配置，只有经过监控具体配置的多传感器智能监控系统，才能识别到设备并开始实时监控；

所述账号管理模块用于系统管理员对多传感器智能监控系统进行账户的管理和设置；

所述备份数据模块用于对主服务器端的数据进行备份并储存。

进一步地，所述传感器监控模块包括若干传感器模块，所述传感器模块包括传感器和传感微处理器，所述传感器采集相关信息数据，所述传感微处理器用于处理信息数据。

进一步地，所述传感器模块通过I²C通讯方式与传感器监控模块连接。

进一步地，所述传感器包括力觉类传感器、视觉类传感器、听觉类传感器、嗅觉类传感器、触觉类传感器、运动量类传感器和通用类传感器。

进一步地，所述多传感器智能监控系统还包括网关模块，所述传感器监控模块通过网关模块与服务器端连接。

进一步地，所述网关模块包括微处理器单元和ZigBee无线通讯单元；所述微处理器单元用于对网络信号进行加工处理；所述ZigBee无线通讯单元用于构建ZigBee无线网络以及与异构网进行网络通信。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：

1、本发明具有可重构性与自适应性强的优点，便于用户安装部署；：用户可根据监控需求，快速更换传感器监控模块上的传感器模块，极大地节省了用户的组网时间；传感器模块上电后，系统会自动对传感器模块进行识别，并自动生成传感器数据传输结构；本发明能实现物联网用户的私人定制，以提高物联网在各个应用领域的智能性、兼容性；

2、研究及制定物联网智能监控行业数据交换通用通信规范：本发明采用了一套通用性强，涵盖面大的物联网通讯协议，能保证目前大部分传感器的数据通信，并为将来新研发出的传感器保留了足够的编码空间；若此发明能广泛推广，将市面上各类传感器的通讯协议进行规范化与标准化，研究与制定行业内统一的通讯标准，很有可能促进物联网行业的又一次革新；

3、利用互联网+技术实现了移动物联网智能监控：本发明提供PC端和安卓平台的客户端，以提升用户的使用体验，将操作从编程简化到傻瓜式的设置，使系统门槛更低，更易于使用。

附图说明

图1为本发明一种基于物联网的多传感器智能监控系统的整体框架图；

图2为本发明实施例的工厂监控客户端监控界面示意图；

图3为本发明实施例的工厂监控客户端的设置项目属性操作示意图；

图4为本发明实施例的工厂监控客户端的配置监控区域操作示意图；

图5为本发明实施例的工厂监控客户端的用户界面信息图；

图6为本发明实施例的工厂监控客户端中添加节点操作方法图；

图7为本发明实施例的工厂监控客户端中设置节点名称操作示意图；

图8为本发明实施例工厂监控客户端中添加传感器操作示意图；

图9为本发明实施例工厂监控客户端中设置温湿度传感器和烟雾传感器的阈值示意图；

图10为本发明实施例的工厂监控客户端的监控主视图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于物联网的多传感器智能监控系统，包括：监控客户端、服务器端和若干传感器监控模块；监控客户端包括监控PC客户端和移动设备监控客户端，移动设备如手机、pad或者智能手表等；传感器监控模块包括多种类型的传感器模块，有力觉类传感器、视觉类传感器、听觉类传感器、嗅觉类传感器、触觉类传感器、运动量类传感器和通用类传感器等，只要能用于生活设备检测的各类传感器。本发明系统还包括网关模块，传感器监控模块通过网关模块与服务器端连接。

一、本发明基于物联网的多传感器智能监控系统的模块架构及功能为：

1、传感器模块：在每一个传感器模块中均包含传感微处理器、传感器、传感器外围电路，安装在传感器监控模块上，负责采集数据，并将数据发送至传感器监控模块。通常情况下，每个传感器模块只包含一个传感器，只能采集一种传感器数据。

2、传感器监控模块(ZigBee节点)：在每一个传感器监控模块中安装有若干个传感器模块，主要负责打包从传感器模块发来的数据，并将打包好的数据包发送到网关模块。传感器监控模块之间通过ZigBee无线网络进行信息交换，在所述的ZigBee无线网络中，传感器监控模块可以作为终端设备或协调器。

3、网关模块(ZigBee协调器)：ZigBee协调器一般只包含微处理器单元和ZigBee无线通讯单元，主要负责ZigBee无线网络的构建及与异构网的通信，即将从物联网监控系统中众多传感器监控模块所接收到的数据传输到服务器端。

4、服务器端包括：

(1)数据解析模块：该模块从网关模块接收数据包并按照数据传输统一规范(通讯协议)以及传感器类型与名称编码规范对数据进行解析，最后存储到数据库中。

(2)移动数据网络接口模块：服务器端提供数据查询与异常记录查询接口，手机APP端通过HTTPS协议发送一个GET请求到服务器端调用web service接口中的函数，服务器端返回XML格式的数据。

(3)异常监测模块：当服务器端接收到来自下位机的数据时，会根据用户的监控配置情况检查特定的设备数据，如果发现设备出现异常状况，该模块会将异常相关数据读入数据库。

(4)项目管理模块：此模块允许系统管理员进行监控具体配置，只有在进行配置之后系统才能识别到设备并开始实时监控，具体包括：

·项目配置及本地化：配置项目属性与序列化与反序列化项目数据；

·监控区域配置：添加/删除监控区域，导入监控区域图；

·监控结点配置：添加/删除监控结点，配置报警条件。

(5)账号管理模块：此模块向管理员提供了添加/删除用户，设置指定用户权限，查看用户列表，更改密码，设置权限的功能。

(6)备份数据模块：对主服务器端的数据进行备份并储存。

5、PC监控客户端包括：

(1)系统登录模块：对进入物联网监控系统的用户进行安全性检查，以防非法用户进入系统。

(1)实时数据监控模块：显示监控目标实时数据及获得设备异常情况的反馈。

(2)数据分析模块：该模块用于查询以往的数据以及将数据以图表的形式显示，以供用户直观地获得设备状况，包括：

·历史数据查询：返回系统以往收到的设备数据；

·报警日志查询：返回系统以往异常记录；

·图表显示：以图表的形式向用户显示实时数据变化曲线。

6、移动客户端：通过网络访问系统服务器端的数据库，并将系统监控结果实时显示在移动设备上，如手机、pad等。

7、物联网通信协议包括：

(1)物理层通信协议：各个传感器模块与传感器监控模块间通讯的协议，通讯方式为I²C通讯。根据开关量传感器、数字量传感器和模拟量传感器所具有的共同性，采用三级编码方法制定物理层通信协议。

(2)数据链路层通信协议：将传感器监控模块(ZigBee节点)上所有传感器模块传送回来的数据进行整合，采用数据包格式，主要包括网络节点地址、传感器唯一身份编码及数据内容等，再配以数据头、校验位与停止位等特殊命令字。

二、本发明基于物联网的多传感器智能监控系统工作内容，采用如下技术方案：

本系统由基于物联网的无线监控模块，基于.NET平台下搭建服务器端与PC监控客户端，基于Android开发的APP组成。系统采用了无线监控技术，将采集的数据按照数据传输统一规范(通讯协议)进行打包并传输，然后可以用高效的算法对其进行解析，获取数据存入数据库，通过PC客户端和移动客户端对数据进行实时监控。

(1)数据的采集、处理与传输

传感器模块采集数据后，按照数据传输统一规范(物理层通讯协议)对该数据进行整理并通过I2C通讯发送给传感器监控模块，传感器监控模块将搭载在板上的所有传感器模块发送来的数据按照数据传输统一规范(数据链路层通讯协议)打包后，通过板载ZigBee无线通讯单元将数据发送至协调器模块(网关模块)，协调器模块上的微处理器单元将采集的数据进行整理并通过串口将数据传输至服务器端。

(2)解析来自传感器监控模块的数据包

当服务器端通过串口接收到来自网关模块的数据包后，先对数据包进行检查，数据包格式符合数据传输统一规范(数据链路层通讯协议)，且数据包长度为不定长，因此服务器端针对数据包不定长的特点采用逐字节读取的方法获得数据包中的数据。

(3)数据检验，储存

服务器端采用Microsoft SQL Serve构建物联网监控系统的数据库从而为系统提供了数据存储功能。服务器端把解包获得的实时设备数据写入数据库，在这之前会检查设备数据是否出现异常，若有异常，则将异常信息一并写入数据库。

(4)移动设备监控客户端数据传输

服务器端使用ASP.NET技术搭建网站接口(Web Service)，在网站接口设计中，物联网监控系统将以XML形式返回各种数据。移动设备监控客户端通过HTTPS协议向服务器端发送数据包作为请求某个方法的指令，服务器端接收后将该指令的运行结果以XML格式返回，移动设备监控客户端收到XML文件后用dom方法进行解析，从而获得最终数据及异常信息，显示在用户界面上。

(5)PC监控客户端数据传输

服务器端在Microsoft SQL Serve数据库管理系统中设置了远程访问功能，允许PC监控客户端通过IP访问数据库，PC监控客户端在与Sql连接中，以服务器端IP作为参数访问数据库。

(6)实时显示设备状态

PC监控客户端为响应用户查看某监控结点状态的需要，在内部专门开辟一条新线程。这条线程的工作是不断从服务器端查询该结点的数据以及异常记录，并在用户界面上持续更新实时数据以及在界面中反馈设备异常提醒信息。当系统监测到在n秒后该异常结点无异常数据时，则将该结点重新设置成正常状态(n为系统设定的值，取值范围为10≤n≤30)。移动客户端获得设备数据以及异常信息后会将数据显示在用户界面上。

(7)数据分析

PC监控客户端可以查询数据库获得历史数据，以用户设定的条件选取数据源，填充到表格或者图形曲线中，使得用户可以直观的了解设备状况。

三、本发明基于物联网的多传感器智能监控系统的应用程序，其设计技术方案如下：

1、PC监控客户端包括：

(1)公共类设计

在本物联网监控系统中，设计公共类的目的主要是为了封装在程序开发过程中一些常用的功能或者独立的模块，以便于管理代码并提高代码的重用性。本系统主要设计了两个公共类，分别是DBOperate类和Unpack类。其中，DBOperate类主要用于封装对SQL数据库的操作，以尽量避免因窗体程序直接对数据库进行操作而降低系统的耦合度；Unpack类主要用于将下位机发来的数据进行解包处理并保存数据到数据库。此外，这两个公共类被封装成DLL(动态链接库)供窗体程序调用，以便在后续开发过程中进行模块更新。

1)DBOperate类

包含方法：

·SQLConnection()：用于连接数据库

·SQLClose()：用于结束数据库连接

·OpreateSQL()：用于对数据库进行查询、插入、删除、更新等操作

·GetDataCount()：用于得到查询的数据条数

·GetDataReader()：用于得到一个SqlDataReader对象

·GetDataAdapter()：用于得到一个SqlDataAdapter对象

2)Unpack类：

·Init()：将传来的串口对象初始化serialPort

·DataReceive()：提供给外部调用的启动数据接收的函数

·DataCheck()：检查数据帧头、帧尾，数据是否完整等操作

·CRC()：由CRC冗余校验验证校验码

·Monit()：检查收到的数据是否超过用户规定的阈值

(2)系统登录模块

系统登录模块用于对进入物联网监控系统的用户进行安全性检查，以防非法用户进入系统。在用户登录时，只有已在系统中注册的用户才可以进入系统。

系统登录模块的关键在于将用户输入的用户名、密码与数据库中的用户名、密码相比较，如果相同则允许该用户进入系统主界面，否则会弹出提示框，提示该用户输入的用户名或密码错误。该模块的实现原理为根据用户输入的用户名与密码在数据库中查询是否有相符的记录，如果有则登录成功，否则，弹出错误提示信息。

(3)数据分析模块

在物联网监控系统中，除了监控的功能，还能根据用户需要查看并分析历史监测数据或记录，以实现条件查询及图表分析数据功能，需要多表联合查询、以特别的方式拼接Sql查询字符串，将查询获得的数据源绑定到DataGirdView控件或Chart控件显示。由于在条件查询功能中用到的量基本相同，在本系统中使用了自定义控件QueryGroup作为条件查询模块组，主要由ComBoBox，Label组成。其中ComBoBox不可接收由用户输入的值以防止Sql注入攻击。由于DataGirdView控件或Chart控件数据一般由SqlDataAdapter根据Sql语句查询数据库获得数据源，在条件查询中获得的条件用于构造Sql查询语句，得到数据源后对控件进行绑定，则可显示数据。

(4)实时数据监控模块

实时数据监控模块是物联网监控系统的核心，在实时数据监控模块中，所有合法用户都可以查看监控区域内传感器的实时数据，并且当系统发现设备异常时将自动报警提示用户处理。

系统在监控区域页面的指定监控位置生成一个代表该监控结点的PictureBox控件，注册该控件的MouseEnter与MouseLeave事件，实现鼠标进入该控件时在旁边出现一个显示结点信息的Panel，而鼠标离开时Panel消失。通过Panel不断刷新数据，以达到显示实时数据的效果。

2、服务器端包括：

(1)项目管理模块

一个项目中可能包括一个或多个监控区域，在项目管理模块界面中主要显示对每个区域信息的总览，以及对区域的操作。从用户易用性的角度出发，当项目尚未进行设置的情况下，系统将弹出提示框询问用户是否使用设置向导对项目属性一步一步地进行设置，项目中包含的区域信息将保存在数据库中，并在区域信息总览框显示。此外，本模块还需要将项目文件保存到本地，以便用户备份或转移数据，通过序列化与反序列化技术来实现，并且项目数据以文件形式存储在用户本地。

·项目配置及本地化，监控区域配置

项目配置及本地化设置功能与监控区域配置的实现主要通过引用一个用户自定义向导控件来实现，将这个控件的DLL拉拽到工具箱中即可使用。向导中包含两步设置。

第一步，设置项目名称与项目文件保存路径；

第二步，设置监控区域名称及备注，导入区域的建筑平面图；完成前两步后，在下一页面可选择继续添加区域或者完成设置，注意在完成设置前任意一步中断设置都不会保存已经设置的项，所以在设置完成前监视用户关闭窗体的事件，弹出提示框提示用户是否放弃前面的设置。此外，在用户已经设置过项目属性的基础上，如果想再添加区域，则继续调用设置向导，但不显示第一步。

·监控结点配置

监控结点配置的实现主要由确定监控位置，添加结点向导两步组成。

当用户点击任意监控区域的任意位置时，系统记录用户点击的位置坐标、监控区域名称，提示用户是否在此处添加监控结点或视频监控点。在本功能中使用窗体Dialog并将其FormBoarderStyle设置为SizeToolWindow，让其外形看起来像对话框，并在Dialog窗体定义委托与事件回调，模仿系统对话框的功能。

添加结点的向导页面实现步骤为：

第一步：配置结点编号与结点名称，其中结点编号不为空；

第二步：系统先将传感器名称与传感器编号的映射关系导入TreeView控件，通过添加与删除按钮实现添加传感器的操作，暂存添加的传感器列表，如果勾选“选择”复选框，那么下次添加结点时则继续使用这套传感器配置；

第三步：系统先根据添加的传感器列表生成传感器阈值设置表，保存被设置的传感器阈值；

第四步：系统生成确认清单，让用户确认结点配置情况；

第五步：保存结点与传感器的包含关系、监测传感器以及阈值到数据库，并将相关数据传回主界面。

(2)账号管理模块

账号管理模块用于给系统管理员或一般用户管理账号信息，对于一般用户，他们能够更改自身的用户密码；而对于系统管理员，他们具有添加/删除用户，设置指定用户权限，查看用户列表等权限。

账号管理模块主要根据用户提供的信息对数据库中存储的用户信息表进行查询、插入、更新、删除等操作，其中系统管理员和一般用户对用户信息有不同操作权限。

(3)异常监控模块

异常监控模块工作在数据解析模块之中，该模块从数据库中加载用户配置的设备报警阈值，当收到需要监控的设备数据时，先检查该数据是否正常，如果数据正常就将该数据过滤掉，否则将该记录写入数据库。

(4)数据解析模块

数据接收模块是上位机用来接收下位机数据的接口模块，上位机通过设定的传输协议接收由下位机发送来的数据包，解析该数据包并获取数据。

数据解析过程包括：

第一步：初始化串口对象，创建串口接收缓冲区；

第二步：接收由串口传来的数据，并将其放到缓冲区中；

第三步：检查数据包的帧头、帧尾、数据是否完整，CRC校验码是否正确；

第四步：开始解析数据，由于数据为不定长，所以采用了逐位顺序读取的方法；

第五步：清空缓冲区，准备接收下一帧串口数据包。

(5)移动数据网络接口模块

移动数据网络接口模块是数据库连接移动客户端的桥梁，实质上是一个使用.NET技术搭建的WebService。

在接口内部定义了一些函数，移动客户端发送请求时，接口首先访问数据库，获得接口要对外提供的数据，再将这些数据用XML打包发送给移动客户端。

四、实施例

本发明以监控工厂的温度、湿度、烟雾浓度为例详细说明本发明的实施过程。

以在智能工厂项目的仓库安全监控为例，通过在仓库的油堆放区添加一个监控结点为例详细说明具体实施过程，其中监控结点内含有烟雾传感器与温湿度传感器各一个。

首先，在传感器监控模块上安装烟雾传感器与温湿度传感器，并把传感器监控模块放在监控目标区域内，接通其电源。

然后，回到监控软件界面，我们可以将项目名称设置为智能工厂项目，在系统的项目页面中点击设置向导添加一个监控区域，如图2所示。

其名称设置为工厂，并上传其区域平面施工图如图3、图4所示。

此时，在用户界面上的项目信息页中会出现区域工厂，并且有区域工厂的平面图。并且当进入监控模式后，会出现刚刚上传的区域平面图的放大图，如图5所示。

点击监控区域平面图油堆放区位置，在该区域添加一个结点，如图6所示。

设置其名称为油堆放区，如图7所示。

找到烟雾开关传感器与温湿度传感器，并将其添加到结点内，如图8所示。

为温湿度传感器设置监控阈值，最大值设为100，最小值设为50，烟雾开关传感器设置阈值为开，如图9所示。

系统配置完成后，监控开始生效，用户可以获得监控结点的实时状态。

监控主视图如图10，左侧用于实时获得监控区域内所有监控点的状态及位置图示，右侧用于将指定区域内的监控结点实时状态始终挂起在系统右侧，常为用户特别关注的结点。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。