一种基于红外的智能仪表传感器装置和系统的制作方法
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种智能仪表传感器装置和系统。
背景技术：
在工业领域存在着很多传统的机械仪表(压力计，温度计，湿度计等)，它们在整个生产流程中有不可替代的作用且存量巨大。当前这些传统仪表的读数和维护主要是靠人工读数，手机拍照，和定时人工巡检。随着智慧工厂，中国制造2025的蓬勃发展，对仪表的智能化提出新的需求：能自动上报状态和读数。同时，也涌现出了一大批智能仪表：需要对现有产线的仪表进行改装或者完全替换。但是其可靠性没有得到过充分的验证，而且如此巨量的仪表改装和替换涉及到产线停机和大量的费用。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题在于提供一种基于红外的智能仪表传感器装置和系统，能在不对传统机械仪表(压力计、温度计、湿度计等)进行任何改装的情况下采集仪表的实时读数范围及精确读数，并通过网络进行远程传输处理。
为解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
本发明的第一个方面提供了一种基于红外的智能仪表传感器装置，包括：
探头模块，其包括一壳体，所述壳体于底面处设有若干组发光/感光电子元件阵列；所述壳体的底面上还设有用于将探头模块固定于仪表盘面上的第一固定单元；
主板模块，其包括盒体及设于盒体内的主板和电池模组，所述主板上配置有处理器单元和无线通信单元，所述处理器单元用于控制所述发光/感光电子元件阵列发光以及接收处理感光元件发送的感光信号，所述无线通信单元耦接处理器单元，用于与外部装置通信；所述电池模组用于给主板模块和探头模块供电；
以及fpc电路线，其用于连接所述探头模块和主板模块；
其中，所述若干组发光/感光电子元件阵列为可编程发光/感光电子元件阵列，所述处理器单元控制所述发光/感光电子元件阵列中的一个或多个发光/感光电子元件协同工作以确定仪表盘面上的指针位置。
进一步的，所述处理器单元控制所述发光/感光电子元件阵列中的一个或多个发光/感光电子元件协同工作以确定仪表盘面上的指针位置具体包括：
步骤一、所述处理器单元以周期t控制发光电子元件tx1、tx2、…txn同时发光，同时控制感光电子元件rx1、rx2、…rxn接收光信号；
步骤二、经n个周期后，处理器单元根据各感光电子元接收的光信号分布确定仪表盘面上的指针位于发光/感光电子元件txm/rxm和txm+1/rxm+1之间，1≤m＜n；
步骤三、所述处理器单元控制发光电子元件txm和txm+1发光，同时控制感光电子元件rxm和rxm+1感光，确定仪表盘面上的指针的精确位置：
指针读数
其中，
进一步的，所述探头模块的壳体呈长条形或扇面形，所述若干组发光/感光电子元件阵列沿壳体的长边或弧边方向排布。
进一步的，所述无线通信单元为低功耗蓝牙模组。
进一步的，所述第一固定单元包括设于壳体底面上的胶带，所述胶带于出厂时覆有保护油纸。
进一步的，所述盒体还配置有第二固定单元，所述第二固定单元包括相互匹配的两片魔术贴，其中一片魔术贴的背面与盒体贴合固定，另一片魔术贴的背面为可粘贴胶面。
本发明的第二个方面还提供了一种基于红外的智能仪表传感器系统，包括：
至少一个如本发明第一个方面所述的智能仪表传感器装置；
以及与所述智能仪表传感器装置通信连接的客户终端；
其中，所述客户终端包括处理存储单元，以及连接处理存储单元的数据收发单元、图像采集单元、图像处理单元和显示单元，所述数据收发单元用于与所述智能仪表传感器装置进行数据交互，所述图像采集单元用于拍摄仪表标度盘安装所述智能仪表传感器装置前后的图片，所述图像处理单元用于处理图像采集单元拍摄的图像，并基于特征数据库通过深度学习识别表盘类型、表针位置、探头模块位置、表盘的读数区间以及指针与探头模块之间的角度；所述显示单元用于显示识别结果及读数信息。
进一步的，所述特征数据库由收集的各种类型的现有仪表在安装所述智能仪表传感器装置前后采集图像经处理后得到。
进一步的，所述图像处理单元还用于新采集并处理后的图像数据添加至所述特征数据库中。
进一步的，所述智能仪表传感器装置为一个以上时，各个探头模块通过拼接覆盖待监测仪表标度盘上的指针旋转范围。
本发明的有益效果：
本发明的智能仪表传感器装置，基于其探头模块上的可编程发光/感光电子元件阵列和主板模块上的处理器单元，可实现对传统仪表标度盘上指针读数的精确读取，提高了读数准确度，同时极大提升了安装有传统仪表的设备或工厂的智能化程度。同时，相比现有的需要完全覆盖仪表标度盘的类似装置，具有结构简单，成本低，能够基于仪表标度盘的指针旋转范围进行精准安装，且安装方便，在安装后不影响仪表标度盘的正常读数的优点。
本发明的智能仪表传感器系统，基于上述的智能仪表传感器装置和客户终端，能够实现传统仪表的智能远程读数，在智慧工厂的改造中具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的智能仪表传感器装置第一种实施例的结构示意图。
图2为图1实施例的智能仪表传感器装置中探头模块的安装示意图。
图3为本发明的智能仪表传感器装置第二种实施例的结构示意图。
图4为图3实施例的智能仪表传感器装置中探头模块的安装示意图。
图5为本发明第一种实施例的探头模块的发光/感光电子元件阵列排布及测量范围示意图。
图6为本发明实施例中感光电子元件接收的光信号分布示意图。
图7为本发明实施例中客户终端的工作流程示意图。
图8为本发明实施例中多个探头模块拼接组合安装于仪表盘面上的示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1
本发明的第一个实施例提供了一种基于红外的智能仪表传感器装置，如图1所示，其包括：
探头模块1，其包括一长条形壳体，长条形壳体底面上设有沿长边均匀排列的若干组发光/感光电子元件阵列10；
主板模块2，其包括盒体及设于盒体内的主板和电池模组，主板上配置有处理器单元和无线通信单元。其中，处理器单元用于控制发光/感光电子元件阵列10发光以及接收处理感光元件发送的感光信号，无线通信单元耦接处理器单元，用于与外部装置通信；电池模组用于给主板模块和探头模块供电；
以及fpc电路线3，其连接探头模块1和主板模块2，用于电流和信号的传递。
为了将探头模块固定于仪表标度盘上，探头模块1的壳体的底面上还设有第一固定单元。本实施例中，该第一固定单单元为沿壳体底面一圈设置的胶带(图中未画出)，该胶带于出厂时覆有保护油纸；使用时撕去保护油纸，即可将探头模块粘贴于仪表标度盘上的相应位置。
如图2所示，本实施例中的探头模块粘贴时，可先在仪表标度盘4的指针40旋转范围的上下限处粘贴辅助胶带51、52，然后将探头模块1垂直于辅助胶带51、52夹角的中线粘贴在仪表标度盘4上(胶带51、52在探头模块的位置确定后即可撕去；图中为了直观，图片视角为从仪表标度盘4的下方往上看)。
由于本实施例中的探头模块为长条形，且体积较小，故在安装后不影响仪表标度盘的正常读数。
实施例2
本发明的第二个实施例提供了一种基于红外的智能仪表传感器装置，如图3所示，其包括探头模块1’，主板模块2和fpc电路线3。其中，主板模块2和fpc电路线3已在实施例1中说明，在此不作赘述。
本实施例中，探头模块1’的壳体为扇面形，且其上的发光/感光电子元件阵列10沿壳体的弧边方向交错排布。
本实施例中的探头模块1’，其壳体底面同样设有类似实施例中的胶带，从而可将探头模块1’粘贴于仪表标度盘上。
如图4所示，本实施例中的探头模块1’粘贴时，其扇面中心与仪表标度盘4的中心重合，弧边对应指针40的旋转范围，从而发光/感光电子元件阵列10可覆盖指针40的旋转范围。
同样的，由于本实施例中的探头模块为扇面形，且体积较小，故在安装后不影响仪表标度盘的正常读数。
作为优选实施方案，在本发明的第一个和第二个实施例中，发光/感光电子元件阵列选用成对设置的红外发光二极管和红外感光二极管，由可编程驱动模块驱动，可实现任意的单个或多个元件的发光和/或感光。
作为优选实施方案，在本发明的第一个和第二个实施例中，主板上的处理器单元采用可编程器件fpga或单片机，无线通信单元为低功耗蓝牙模组。
作为优选实施方案，在本发明的第一个和第二个实施例中，盒体2上还配置有第二固定单元，该第二固定单元优选为相互匹配的两片魔术贴，其中一片魔术贴的背面与盒体贴合固定，另一片魔术贴的背面为可粘贴胶面。安装时，该可粘贴胶面可粘贴于仪表标度盘上的非指针旋转范围或其它合适位置上，然后通过设于盒体上的魔术贴对盒体进行固定。同时，由于fpc电路线3可弯曲，从而盒体2的固定可具有较大的选择范围，使之安装更具有灵活性。
作为优选实施方案，在本发明的第一个和第二个实施例中，处理器单元控制发光/感光电子元件阵列中的一个或多个发光/感光电子元件协同工作以确定仪表盘面上的指针位置。下面结合具体实施例进行进一步说明。
实施例3
如图5所示，为一探头模块安装于仪表标度盘4上的示意图。该探头模块上设有由tx1/rx1、tx2/rx2、tx3/rx3、tx4/rx4四组发光/感光电子元件构成的阵列。仪表标度盘4上指针的旋转范围的下限(读数)为p，上限(读数)为q，指针理论旋转范围为
本实施例中，处理器单元控制发光/感光电子元件阵列中的一个或多个发光/感光电子元件协同工作以确定仪表盘面上的指针位置的具体过程包括：
步骤一、处理器单元以500纳秒的周期控制发光电子元件tx1、tx2、…txn同时发光，同时控制感光电子元件rx1、rx2、…rxn接收光信号；
步骤二、经10个以上的采样周期后，处理器单元根据各感光电子元接收的光信号分布确定仪表盘面上的指针大概位置。
由于旋转的指针进入感光电子元件的感测区域时，指针对光产生漫反射和吸收现象，此时的反射光与指针未进入感测区域时的反射光的光学信息有很大差异，根据该差异特征，即可检测出指针的大概位置。
如图6所示为一次采样后感光电子元件rx1、rx2、rx3和rx4接收的光强分布图，从图中可大致确定指针位置在tx2/rx2和tx3/rx3之间。多次采样的目的是避免单次或少次采样因干扰因素造成的误判。
基于多个感光元件检测指针的大概位置的技术方案已有公开的现有文献，其原理和实现方案较为简单，故在此不作进一步详细说明。下面进一步说明本发明中精确确定指针位置的方法。
步骤三、基于上述的初步检测结果，处理器单元控制发光电子元件tx2和tx3发光，同时控制感光电子元件rx2和rx3感光，进而确定仪表盘面上的指针的精确位置：
指针读数
其中，
基于上述方法，即可确定仪表盘面上的指针的精确读数。
实施例4
本发明的第四个实施例提供了一种基于红外的智能仪表传感器系统，包括：
至少一个如实施例1或实施2所述的智能仪表传感器装置；
以及与所述智能仪表传感器装置通信连接的客户终端；
其中，客户终端可选为安装于智能手机上的app，其包括处理存储单元，以及连接处理存储单元的数据收发单元、图像采集单元、图像处理单元和显示单元。数据收发单元(如手机的wifi或蓝牙模块)用于与智能仪表传感器装置进行数据交互，图像采集单元(如手机的摄像头)用于拍摄仪表标度盘安装智能仪表传感器装置前后的图片，图像处理单元用于处理图像采集单元拍摄的图像，并基于特征数据库通过深度学习识别表盘类型、表针位置、探头模块位置、表盘的读数区间以及指针与探头模块之间的角度；显示单元(如手机显示屏)用于显示识别结果及接收的读数信息。如图7所示为本实施例中客户终端的一个实例工作流程示意图。
基于上述的客户端，使用者即可以远程智能识别安装有探头模块的表盘的型号、读数区间、探头模块位置及探头模块之间的角度等，从而能够对安装是否规范以及读数情况进行相应校准，并能够远程获取读数结果，还可以对异常结果进行人工比对。
作为进一步的优选实施方案，上述的特征数据库由收集的各种类型的现有仪表在安装本发明实施例中的智能仪表传感器装置前后采集图像经处理后得到。
同时，当图像处理单元采集到新类型的图像时，还可以将新采集并处理后的图像数据添加至所述特征数据库中，以进一步完善该特征数据库。
实施例5
如图8所示，本发明的第五个实施例提供了当仪表标度盘4上的指针旋转范围超出一个探头模块的监测范围时，使用多个探头模块1a、1b、1c、1d拼接组合进行读数。
采用多个探头模块，可以对大旋转范围的仪表指针进行读数，从而扩大了本发明的智能仪表传感器的适用范围。采用多个探头模块时，每个探头模块采用前述实施例中的方式独立工作，并由覆盖指针的探头模块对指针进行精确读数，最后检测结构汇集到客户端，即可完成远程读数。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
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