一种基于无线网桥的换热站物联网多路监控与控制系统论文和设计-董文元

全文摘要

本实用新型涉及一种基于无线网桥的换热站物联网多路监控与控制系统，包括换热站现场和设置在换热站外的远端集控中心和连接现场与远端集控中心的5.8Ghz大功率无线网桥；现场的仪表组单元是连接管网的集中并排排列的一组仪表，数字摄像机放置于仪表组单元的正对面，采集仪表组单元的正面音、视频，另一数字摄像机采集现场全局音、视频数据，数据经由现场局域网通过无线网桥实时地传送至远端集控中心，经由视频服务器投放至监控屏幕墙；远端集控中心还设置声光报警模块，在各个换热站现场的数据伺服单元采集并传送的信号，经数据分析服务器判断触及预设报警阈值后触发所述的声光报警模块声、光同时报警，该方案增强了安全性、降低了成本。

主设计要求

1.一种基于无线网桥的换热站物联网多路监控与控制系统，包括换热站现场（1）和设置在换热站外的远端集控中心（2），以及连接换热站现场（1）和远端集控中心（2）的网络单元（3）；换热站现场（1）包括数据伺服单元（11）、传感器数据采集单元（12）、视频数据采集单元（13）、控制单元（14）、现场局域网（31）；远端集控中心（2）包括远端局域网（32），数据分析服务器（21），视频服务器（22），存储服务器（23）；换热站现场（1）的传感器数据采集单元（12）采集的数据，通过数据伺服单元（11）处理，经由网络单元（3）传送至远端集控中心（2），由数据分析服务器（21）处理，远端集控中心（2）的控制指令通过网络单元（3）传送至对应的换热站现场（1）的数据伺服单元（11）的控制单元（14），对现场设备发送相应控制指令；其特征在于，所述的网络单元（3）使用无线网桥（33）连接换热站现场（1）的现场局域网（31）和置于远端集控中心（2）的远端局域网（32）；换热站现场（1）还包括仪表组单元（15），所述仪表组单元（15）是连接管网的集中并排排列的一组仪表，视频数据采集单元（13）包含第一数字摄像机（131），放置于仪表组单元（15）的正对面，用于采集仪表组单元（15）的正面视频，第一数字摄像机（131）采集的音、视频数据经由现场局域网（31）通过所述的无线网桥（33）实时地传送至远端集控中心（2），经由视频服务器（22）的处理与切割，投放至监控屏幕墙（25）；远端集控中心（2）还设置声光报警模块（24），在各个换热站现场（1）的数据伺服单元（11）采集并传送的信号，经数据分析服务器（21）判断触及预设报警阈值后触发所述的声光报警模块（24）声、光同时报警。

设计方案

1.一种基于无线网桥的换热站物联网多路监控与控制系统，包括换热站现场（1）和设置在换热站外的远端集控中心（2），以及连接换热站现场（1）和远端集控中心（2）的网络单元（3）；

换热站现场（1）包括数据伺服单元（11）、传感器数据采集单元（12）、视频数据采集单元（13）、控制单元（14）、现场局域网（31）；

远端集控中心（2）包括远端局域网（32），数据分析服务器（21），视频服务器（22），存储服务器（23）；

换热站现场（1）的传感器数据采集单元（12）采集的数据，通过数据伺服单元（11）处理，经由网络单元（3）传送至远端集控中心（2），由数据分析服务器（21）处理，远端集控中心（2）的控制指令通过网络单元（3）传送至对应的换热站现场（1）的数据伺服单元（11）的控制单元（14），对现场设备发送相应控制指令；

其特征在于，所述的网络单元（3）使用无线网桥（33）连接换热站现场（1）的现场局域网（31）和置于远端集控中心（2）的远端局域网（32）；

换热站现场（1）还包括仪表组单元（15），所述仪表组单元（15）是连接管网的集中并排排列的一组仪表，视频数据采集单元（13）包含第一数字摄像机（131），放置于仪表组单元（15）的正对面，用于采集仪表组单元（15）的正面视频，第一数字摄像机（131）采集的音、视频数据经由现场局域网（31）通过所述的无线网桥（33）实时地传送至远端集控中心（2），经由视频服务器（22）的处理与切割，投放至监控屏幕墙（25）；

远端集控中心（2）还设置声光报警模块（24），在各个换热站现场（1）的数据伺服单元（11）采集并传送的信号，经数据分析服务器（21）判断触及预设报警阈值后触发所述的声光报警模块（24）声、光同时报警。

2.根据权利要求1所述的基于无线网桥的换热站物联网多路监控与控制系统，其特征在于，所述的无线网桥（33）采用频率为5.8Ghz的频段。

3.根据权利要求2所述的基于无线网桥的换热站物联网多路监控与控制系统，其特征在于，所述的无线网桥（33）是大功率远距离定向抛物面天线。

4.根据权利要求1所述的基于无线网桥的换热站物联网多路监控与控制系统，其特征在于，所述的视频数据采集单元（13）还包含第二数字摄像机（132），该摄像机采集换热站现场（1）的全局空间视频图像，采集的视频图像数据经由现场局域网（31）通过无线网桥（33）实时地传送至远端集控中心（2），监控屏幕墙（25）通过视频服务器（22）切割图像，实时地分屏显示每个换热站现场（1）的第二数字摄像机（132）的音、视频数据。

5.根据权利要求1所述的基于无线网桥的换热站物联网多路监控与控制系统，其特征在于，所述的网络单元（3）包含防火墙（34）。

6.根据权利要求1所述的基于无线网桥的换热站物联网多路监控与控制系统，其特征在于，所述的无线网桥（33）实时并发双向地与多个换热站传送、接收多路数据，包括传感器数据采集单元（12）、数据分析服务器（21）发来的控制信号，以及多路数字摄像机的音、视频信号。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于工业自动控制领域，尤其是涉及一种多路的换热站无线监控和控制系统。

背景技术

为适应国家的节能减排及环保方面的要求，传统的分散供暖逐渐转变成集中供暖的方式，热源厂将蒸汽或热水通过主管道输送至用户单元附近，经由换热站换热并二次加压，以满足用户的要求，换热站在冬季，工作负荷大，对安全的要求高，一旦发生电机、供电、阀门或者是管道等故障，用户的供热将受到影响，而每个热源厂通常连接十数甚至数十个换热站，这就对换热站的管理提出很高的要求，现阶段不少换热站通过网络以及自动化实现了远程的无人值守，多个换热站通过光纤、zigbee、3-4G网络连接至监控中心，但是现阶段远程控制的换热站存在以下安全问题：

1、无法集中地针对安全性要求高的敏感的数据，如：压力、流量、温度、液位等仪表做直观的监控；

2、费用高昂和网络稳定问题，通过gprs网络传输的监控控制信号带宽有限，特别24小时的音、视频监控信号，会产生高昂的流量费用，3-4G信号分布虽然均匀，但是发送功率的冗余度小，以至于容易受到外界的干扰从而产生断网等增加维护量和安全隐患等等不确定因素，从而遏制了视频监控的使用；

3、对管理人员的素质要求高，监控中心得到的换热站数据信息不够直观，无法得到换热站管网的压力流量以及温度等参数以外的的实况信息，这就对监控端监控人员素质提出更高的要求，普通人员在监控中心不能熟练地对换热站的现场实现数字信号做简单直观的判断;

4、监控中心的人员劳动强度大，为了防范突发事故以及紧急情况的发生，操作人员注意力需要高度集中时刻查看监控屏幕的现场信息。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种换热站物联网多路监控控制系统，对现场设备进行控制的系统，采用数字、模拟及音视频三路监控模式并联的方式，通过无线网桥的连接方式实现多个换热站实时监控，从而解决了现场工况的监测数据不全面，控制反馈不及时，网络不稳定以及对监控中心人员熟练度要求高、劳动强度大的问题，从而提高换热站设备运行的稳定性和安全系数。

具体的实现技术方案是这样的：一种基于无线网桥的换热站物联网多路监控与控制系统，包括换热站现场和设置在换热站外的远端集控中心，以及连接换热站现场和远端集控中心的网络单元；

换热站现场包括数据伺服单元，传感器数据采集单元、视频数据采集单元、控制单元、现场局域网；

远端集控中心包括远端局域网，数据分析服务器，视频服务器，存储服务器；

换热站现场的传感器数据采集单元采集的管网等感应器数据，通过数据伺服单元处理，经由网络单元传送至远端集控中心，由数据分析服务器处理；远端集控中心的控制指令通过网络单元传送至对应的换热站现场数据伺服单元的控制单元对现场设备发送相应控制指令；

所述的网络单元使用无线网桥连接换热站现场的现场局域网和置于远端集控中心的远端局域网；无线网桥替代了有线的光缆或者网线，成本大幅度下降，并且布置灵活，简单，无线网桥替代3-4G信号，节约了流量使用费用，无线网桥微波功率高，冗余度大，抗干扰性强，减少了断网带来的维护成本，增强了安全性；

换热站现场还包括仪表组单元，所述仪表组单元是连接管网的集中并排排列的一组仪表，所述视频数据采集单元包含第一数字摄像机，放置于仪表组单元的正对面，用于采集仪表组单元的正面视频，第一数字摄像机采集的音、视频数据经由现场局域网通过所述的无线网桥实时地传送至远端集控中心，经由视频服务器的处理与切割，投放至监控屏幕墙；

远端集控中心通过屏幕墙，直观的实时的监控置于现场的仪表，结合远端管理单元的数字监控，使得现场数据更直观，更全面，降低了对员工操作的复杂度，从而降低了对员工技术的要求；屏幕墙通过视频服务器的切割和转发，可以实现被监控区域的可选择性重点监控，通过灵活的屏幕组合，提高了全局的安全性；

远端集控中心还设置声光报警模块，在各个换热站现场的数据伺服单元采集并传送的信号，经数据分析服务器判断触及预设报警阈值后触发所述的声光报警模块声、光同时报警；自动化的触发报警，降低了操作人员的劳动强度，同时也增强了全局的安全性，减少了安全隐患。

进一步的，所述的无线网桥采用频率为5.8Ghz的频段；5.8Ghz的免费频率，避开了wifi、蓝牙、微波炉等2.4G段信号的干扰，上传下行速率可达300Mbps，满足现场多路监控、控制数据的并行远距离传输。

进一步的，所述的无线网桥是大功率远距离定向抛物面天线；微波的发射功率可以根据需要自行设定冗余，摆脱了3-4G网络的功率和节点限制，同时满足了换热站现场多路数据及高清视频的传输稳定性的要求。

进一步的，所述的视频数据采集单元包含第二数字摄像机，该摄像机采集换热站现场的全局空间视频图像，采集的视频图像数据经由现场局域网通过无线网桥实时地传送至远端集控中心，监控屏幕墙通过视频服务器切割图像，实时地分屏显示每个换热站现场的第二数字监视器的音、视频数据；所述的第一、二数字摄像机采集的音、视频数据由存储服务器存储备份；远端集控中心通过屏幕墙，直观的、实时的监控置于现场的全局实况，结合远端管理单元的数字监控，使得现场数据更直观，更全面，降低了对员工操作的复杂度，从而降低了对员工技术的要求，屏幕墙通过视频服务器的切割和转发，可以实现被监控区域的可选择性重点监控，通过灵活的屏幕组合，提高了全局的安全性。

进一步的，所述的网络单元包含防火墙；防火墙装置通过对数字以及视频信号做加密处理实现信号传输的单独信道保密功能，确保了换热站节点的安全性。

进一步的，所述的无线网桥实时并发双向地与多个换热站传送、接收多路数据，包括传感器数据采集单元、数据分析服务器发来的控制信号及多路数字摄像机的音、视频信号；

其中，传感器数据采集单元连接换热站现场的管网压力、温度、液位、户外温度及流量传感器的感应数据，温度传感器感应供水、回水温度、循环供水、循环回水温度以及室外温度等参数；压力传感器感应供水、回水压力、循环供水、循环回水压力等参数；流量传感器感应1、2次管网的流量，以及补水管的流量参数；无线网桥同时对远端集控中心的数据分析服务器发来的控制信号传送至至控制单元，对循环水泵变频器、泄压阀、定压补水泵、电动调节阀发出控制指令；无线网桥的高带宽和高功率冗余，可以最大限度地满足各种距离现场的各种数据并发通讯的需求，从而增加监控通路，增强监控的全面性。

本实用新型的技术进步在于：

集中地针对安全性要求高的敏感的数据，如：压力、流量、温度、液位等仪表做直观的监控；换热站现场与远端集控中心的通讯费用降低，实现了现场的全局视频以及仪表单元视频监控的高清音视频信号的24小时不间断的实时监控，同时，5.8Ghz微波段的的无线网桥费用低廉、高带宽、不间断、抗干扰力强，最大化的实现了多路监控类型的并发和控制的全面性；同时对管理人员的素质要求大大降低，监控中心得到的换热站数据信息由原来的换热站管网的压力流量以及温度等数字参数，增加了图像、音频等直观的实况信息，降低了监控端监控人员素质要求，普通人员也能在监控中心熟练地对换热站的现场的工况做简单直观的判断；结合报警声音、光线报警等多级报警触发方式，使得监控中心的人员劳动强度降低，操作人员不必将注意力实时地高度集中地查看监控屏幕的现场信息，从降低了劳动强度，降低了用工成本开支的同时增强了安全性。

附图说明

此处的附图用来提供对本实用新型的进一步说明，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用来解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是换热站与远端集控中心的网络连接示意图。

图2是第一数字摄像机与仪表组单元结构示意图。

图3是远端集控中心示意图。

图4是监控、控制的工作原理示意图。

图中：1-换热站现场，11-数据伺服单元，12-传感器数据采集单元，13-视频数据采集单元，131-第一数字摄像机，132- 第二数字摄像机，14-控制单元，15-仪表组单元，2-远端集控中心，21-数据分析服务器，22-视频服务器，23-存储服务器，24-声光报警模块，25-监控屏幕墙， 3-网络单元，31-现场局域网，32-远端局域网，33-无线网桥，34-防火墙。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本实用新型，以下结合参考附图并结合实施例对本实用新型作进一步清楚、完整的说明；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组合；在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以我国华北某城市的热源厂对换热站的远程监控管理的一个系统部署为例，该地区的冬季的采暖期为5个月，热源厂提供城市北部的7区域及单位的集中供热，热源厂的一次管网将热蒸汽或热水通过管网输送至各区域的换热站后，由换热站换热，经过补水和二次加压后提供附近的小区或者单位供热，换热站距离热源厂最远的10km，平均距离4.5km，传统的远程管理模式是通过光纤联网实现双向的数据传输，热源厂处在郊区，由于换热站噪音大，换热站大多处于小区与学校或单位较为偏远的角落，缺陷是线路铺设成本非常高，或者用gprs联网实现双向的数据传输，缺陷是音、视频数据传输成本高以及网络信号不稳定的问题。

如图1所示，实施方案采用了一种基于无线网桥的换热站物联网多路监控与控制系统，包括换热站现场1和设置在换热站外的远端集控中心2，热站现场1和远端集控中心2通过网络单元3连接并传输感应数据和控制信号，多个换热站形成与远端集控中心2为核心的星形结构；

如图4中所示的，换热站现场1包括数据伺服单元11，传感器数据采集单元12、视频数据采集单元13、控制单元14、现场局域网31；

远端集控中心2包括远端局域网32，数据分析服务器21，视频服务器22，存储服务器23；

换热站现场1的传感器数据采集单元12采集的数据，通过数据伺服单元11的处理，经由网络单元3传送至远端集控中心2，由数据分析服务器21处理，远端集控中心2的控制指令通过网络单元3传送至对应的换热站现场1的数据伺服单元11的控制单元14，对现场的设备发送相应控制指令；

网络单元3使用无线网桥33连接换热站现场1的现场局域网31和置于远端集控中心2的远端局域网32；无线网桥33采用频率为5.8Ghz的大功率远距离定向抛物面天线，远端集控中心2架设若干定向抛物面天线对准每个换热站顶部安装的抛物面天线进行通讯，远端集控中心和换热站现场1点对点连接，若干换热站与远端集控中心形成星形连接模式，5.8G的免费频率，可以避开常用wifi、蓝牙、微波炉等2.4G的频段干扰，无线网桥还可以根据不同距离的换热站，分别设定一定冗余的功率，相比3-4G的gprs信号来说，功率及稳定性实现了提升，满足了换热站现场1多路高清视频和数字监控、控制信号的并行传输的带宽要求；无线网桥可以在条件恶劣的换热站随时部署，成本更低廉；

如图2中所示的，换热站现场1还包括仪表组单元15，仪表组单元15是连接管网的，集中并排排列的若干仪表；管网以及感应器仪表，通过管道或者信号线连接并集中排列，安置在现场的空闲处，仪表组的各个仪表是数字或者指针式仪表，显示包含管网的温度、压力、流量等数值或电机工况以及温度等现场设备环境参数，为了方便区分，在每个仪表的空闲处，粘贴文字标识，以方便监控人员快速区分仪表的归属以及种类，可以更加直观地监控；视频数据采集单元13的第一数字摄像机131放置于仪表组单元15的正对面，用于采集仪表组单元15的正面视频；由于仪表集中排布，摄像机可以尽量地接近仪表，从而清晰地显示每个仪表的值，第一数字摄像机131采集的音、视频数据经由现场局域网31通过所述的无线网桥33实时地传送至远端集控中心2，经由视频服务器22的处理与切割，屏幕墙管理软件与数字摄像机管理软件相结合，可将各个换热站的音、视频信号可选择地投放至监控屏幕墙25；

如图3所示，远端集控中心2还设置声光报警模块24，在各个换热站现场1的数据伺服单元11采集并传送的信号，经数据分析服务器21判断触及预设报警阈值后触发所述的声光报警模块24声、光同时报警；声光报警模块24安置在远端集控中心2大厅内、外，换热站现场1传来的信号，如管网压力或温度等超过预设的阈值，就会触发该报警，同时该声光报警模块24发出频闪光，并同步发出刺耳的警报声，使得监控人员在离开监控屏幕的同时，也可以尽量减少监控漏洞，提高安全性的同时降低了监控人员的劳动强度。

优选的，无线网桥33采用频率为5.8Ghz的频段；该频段是免费频段，无需单独申报费用即可使用。

优选的，无线网桥33采用了大功率远距离定向抛物面天线；距离远端集控中心最远的换热站，最少需要200mW的发射功率，本实施例采用500mW，设定了一定的功率冗余。

优选的，换热站现场1的视频数据采集单元13还包含第二数字摄像机132，第二数字摄像机132安装在现场的室内顶部角落某处，尽可能地采集换热站现场的全局空间视频图像，采集的视频图像数据包括现场的整体视觉图像，特别是采集到的如现场的地表积水、管道漏水、操作人员移动轨迹、电机转动噪音等监控信息等，是数字传感器所不能实现的，该音、视频信息经由现场局域网31通过无线网桥33实时地传送至远端集控中心2，监控屏幕墙25通过视频服务器22切割图像，实时地分屏显示每个换热站现场第二数字监视器132的音、视频数据；第一、二数字摄像机的音、视频并由存储服务器23存储备份。

优选的，网络单元3包含防火墙34；防火墙34装置通过对数字以及视频信号做加密处理实现信号传输的单独信道保密功能，除了避开沿途无关无线监控的干扰，还可以防范泄密。

优选的，无线网桥33实时并发双向地与多个换热站传送、接收多路数据，包括传感器数据采集单元12的上传数据、数据分析服务器21发来的控制信号及多路数字摄像机的音、视频信号；

其中，传感器数据采集单元12连接换热站现场1的压力、温度、液位、户外温度及流量传感器的感应数据，温度传感器感应供水、回水温度、循环供水、循环回水温度以及室外温度等参数；压力传感器感应供水、回水压力、循环供水、循环回水压力等参数；流量传感器感应一、二次管网的流量，以及补水管的流量参数；无线网桥33同时对远端集控中心2的数据分析服务器21发来的控制信号传送至至控制单元14，对循环水泵变频器、泄压阀、定压补水泵、电动调节阀发出控制指令；无线网桥33的高带宽和高功率冗余，可以最大限度地满足各种距离现场的各种数据并发通讯的需求，从而增加监控通路，减少延迟并增强监控的全面性。

本实用新型要求保护的范围不限于以上具体实施方式，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有多种变形和更改，凡在本实用新型的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

一种基于无线网桥的换热站物联网多路监控与控制系统论文和设计

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