一种空间温度可视化监测系统及其构建方法技术方案

本发明专利技术公开了一种空间温度可视化监测系统，包括多个温度采集终端节点，温度采集终端节点无线连接有Zigbee无线接收端，Zigbee无线接收端连接计算机系统，计算机系统连接数据共享模块；还公开了一种空间温度可视化监测系统的构建方法。基于多种空间插值算法组合的方法进行空间插值，X‑Y平面的IDW插值及Z轴方向的三次样条插值，在提高插值精度的同时，降低了插值难度，提高了插值效率。传感器优化分布模型的算法，通过对温度数据进行特征值挑选，在保证监测结果精度的前提下利用挑选出来的特征值对整体空间的温度信息进行表达，降低了传感器的使用数量，可视化实时动态显示以及数据共享等优势为一体，操作简单，低功耗、稳定性高、结果可靠。

A Visual Monitoring System for Space Temperature and Its Construction Method

【技术实现步骤摘要】
一种空间温度可视化监测系统及其构建方法
本专利技术属于测量
，涉及一种空间温度可视化监测系统，还涉及一种空间温度可视化监测系统的构建方法。
技术介绍
温度作为环境监测的重要参数，在诸多行业比如食品药品、生命科学及航天化工等等都需要对温度进行高精度的监测。温度监测在保证产品质量，提高生产效率，节约能源，安全生产，促进国民经济发展等诸多方面起到了至关重要的作用。各大生产企业对传统生产模式实施信息化、智能化改革，并不断扩大自动化生产规模，在该形势下使得生产中需要对温度监测系统的精度、集成度、温度可视化、可靠性等指标提出了更高要求。因此研究温度的测量方法和装置具有重要的意义。目前国内现公开的温度监测系统大多都是与微处理系统相结合，实现高精度的智能检测。申请号为CN201611098544.1、名称为“基于ZigBee的仓库温度监测系统”的专利技术专利，公开了一种基于ZigBee的仓库温度监测系统，其主要目的是在于提供一种制作简单、使用方便的基于ZigBee的仓库温度监测系统。申请号为CN200610096518.5、名称为“智能无线温度监测系统”的专利技术专利，公开了一种智能无线监测系统，其主要目的在于对电力设备、特别是高压电力设备各连接部位的温度变化情况进行有效的全天候实时监测、调控，实现对电网运行的自动化监控，保障电网运行的安全。申请号为CN201810416849.5、名称为“一种智能温度测量及可视化系统”的专利，公开了一种足底皮肤温度监测系统，通过有线连接的方式将采集到的温度数据进行二维可视化显示。上述三个专利文件提供的温度监测装置，具有一个或者两个的功能优势，第一个专利技术专利具备无线采集，实时监测的特点；第二个专利技术专利具备高精度，无线采集的特点；第三个专利技术专利主要是实现了温度数据二维可视化显示。现有温度监测系统均未涉及三维温度可视化，数据网络共享以及温度传感器如何布置。因此，现如今如何设计一套集无线数据传输、高精度测量、温度数据三维可视化实时动态显示以及数据共享等功能为一体的温度监测系统是十分必要的。同时，对传感器优化分布模型的研究可以在保证测量精度的前提下，可靠的减少温度传感器的使用数量，节约实验成本，有利于系统后续维护。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种空间温度可视化监测系统，在实现高精度实时远程监测的同时，还将实现离散数据的可视化，三维动态监测被测环境温度变化的功能。本专利技术的另一个目的是提供一种空间温度可视化监测系统的构建方法。本专利技术所采用的第一个技术方案是一种空间温度可视化监测系统，包括多个温度采集终端节点，温度采集终端节点无线连接有Zigbee无线接收端，Zigbee无线接收端通过USB/RS485转接线连接计算机系统，计算机系统连接数据共享模块；温度采集终端节点包括依次连接的Pt100温度传感器、温度采集模块和Zigbee无线发送端，用于温度的采集；Zigbee无线接收端用于接收温度采集终端节点的数据；计算机系统由传感器优化分布模型算法、离散数据可视化处理模块和可视化终端界面组成；传感器优化分布模型算法用于温度监测系统初始化，离散数据可视化处理模块用于根据已知的温度数据对未知区域的温度数据进行合理推求，可视化终端界面实现离散温度数据的可视化；数据共享端用于不同用户访问数据，用于远程操控对温度进行实时监测。本专利技术的特点在于：温度采集模块通过24位A/D转换器将输入的模拟量转为数字量，并通过STM32控制器控制温度数据的采集。离散数据可视化处理模块，通过利用多种空间插值算法组合进行空间插值，涉及到IDW插值算法、三次样条插值算法，具体算法如下：首先进行X-Y平面插值，将空间分为n层，每一层采用IDW插值算法进行插值，涉及算法如下：假设试验模型域内有S个传感器测量点采集的数据(xij，yij，zij，vij)，其中i代表每层中第m个点，取值范围为i＝1，2，…m；j代表空间中的第n层，取值范围为j＝1，2，…n；其中(xi，yi，zi)代表第i个离散数据点的空间坐标，vi代表第i个离散测量点温度值，(x,y,z)代表待插值点的坐标；若(x,y,z)≠(xi,yi,zi),(i＝1,2,…,m)，则反距离加权的插值公式为:其中N为所选择的离散点的数目，uij表示第j层中第i个预插值点的温度值，a为加权法中的权重，Dij为插值单元节点距离所选择的第j个离散点的距离；此时函数值f(x，y，z)＝uij，若(x,y,z)＝(xi,yi,zi),(i＝1,2,…,m)函数值为该坐标位置已知测量，f(x，y，z)＝f(xi,yi,zi),(i＝1,2,…,m)其它空间网格单元节点的映射插值与此类推，完成空间内N层网格单元节点的映射插值；根据已经得到空间中n层X-Y平面的温度值，采用三次样条插值法对Z轴方向进行插值；涉及算法如下：设[a,b]上有插值节点，a＝xi1＜xi2＜...＜xin＝b，其中xij(i＝1,2,…,m；j＝1,2,…,n)表示通过上文算法求得的uij；uij表示第j层中第i个点的温度值；S(x)是不高于三次的多项式且在[a,b]具有二阶连续导数，设为：S(xij)＝aixij3+bixij2+cixij+di(i＝1,2...m,j＝1,2,...,n)其中ai，bi，ci，di待定，并使其满足：S(xj)＝yj，S(xj-0)＝S(xj+0),(j＝2,...,n-1)S'(xj-0)＝S'(xj+0),S″(xj-0)＝S″(xj+0),(j＝2,…,n-1)根据以上的n+3(n-2)＝4n-6个条件，待定4(n-1)个系数，确定三次插值函数；通过的三类边界条件可获得的系数ai，bi，ci，di，进而得到三次样条插值函数S(xij),获取竖方向待插值温度值；通过已经完成测量区域内空间插值，得到空间中所有坐标位置的温度值；每一个温度数据由大到小对应由红到蓝的颜色变换，从而用颜色代表空间中温度变化情况，实现离散数据的可视化。本专利技术所采用的另一个技术方案是一种空间温度可视化监测系统的构建方法，具体按照以下步骤实施：步骤1：通过温度仿真软件获取被测环境温度场的仿真结果；步骤2：将步骤1得到的仿真结果通过传感器优化分布模型算法得到空间传感器分布的坐标位置；步骤3：根据步骤2得到的传感器坐标位置对待测环境进行传感器布置，每一个传感器作为一个温度采集终端节点；步骤4：启动温度测量系统，将步骤3的温度采集终端节点与Zigbee无线接收端建立无线通讯连接，进行温度采集，获得温度数据；步骤5：离散数据可视化处理模块处理步骤4获得的温度数据，通过可视化终端界面对被测环境温度分布情况进行监测并控制。本专利技术的特点还在于：步骤1的温度仿真软件为ANSYS。步骤2的传感器优化分布模型算法，依据数据压缩的方法，对温度数据中存在的冗余进行特征值挑选，在保证监测结果精度的前提下利用挑选出来的特征值对整体空间的温度信息进行表达；传感器优化分布模型算法最终是要得到空间传感器分布的坐标位置参数，涉及的具体算法如下：Feturevalues1＝max(T)∪min(T)其中T为一组温度数据数组，max(T)以及min(T)分别表示这组温度数据中的最大值及最小值。Feturevalues1与Feturevalue本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间温度可视化监测系统，其特征在于，包括多个温度采集终端节点，所述温度采集终端节点无线连接有Zigbee无线接收端，所述Zigbee无线接收端通过USB/RS485转接线连接计算机系统，所述计算机系统连接数据共享模块；所述温度采集终端节点(4)包括依次连接的Pt100温度传感器(1)、温度采集模块(2)和Zigbee无线发送端(3)，用于温度的采集；所述Zigbee无线接收端(5)接收温度采集终端节点(4)的数据；所述计算机系统(7)由传感器优化分布模型算法、离散数据可视化处理模块和可视化终端界面组成，所述传感器优化分布模型算法用于温度监测系统初始化，所述离散数据可视化处理模块用于根据已知的温度数据对未知区域的温度数据进行合理推求，所述可视化终端界面实现离散温度数据的可视化；所述数据共享端(8)用于不同用户访问数据，用于远程操控对温度进行实时监测。

【技术特征摘要】
1.一种空间温度可视化监测系统，其特征在于，包括多个温度采集终端节点，所述温度采集终端节点无线连接有Zigbee无线接收端，所述Zigbee无线接收端通过USB/RS485转接线连接计算机系统，所述计算机系统连接数据共享模块；所述温度采集终端节点(4)包括依次连接的Pt100温度传感器(1)、温度采集模块(2)和Zigbee无线发送端(3)，用于温度的采集；所述Zigbee无线接收端(5)接收温度采集终端节点(4)的数据；所述计算机系统(7)由传感器优化分布模型算法、离散数据可视化处理模块和可视化终端界面组成，所述传感器优化分布模型算法用于温度监测系统初始化，所述离散数据可视化处理模块用于根据已知的温度数据对未知区域的温度数据进行合理推求，所述可视化终端界面实现离散温度数据的可视化；所述数据共享端(8)用于不同用户访问数据，用于远程操控对温度进行实时监测。2.根据权利要求1所述的一种空间温度可视化监测系统，其特征在于，所述计算机系统(7)的离散数据可视化处理模块，通过利用空间组合插值算法进行插值，具体算法如下：首先进行X-Y平面插值，将空间分为n层，每一层采用IDW插值算法进行插值，涉及算法如下：假设试验模型域内有S个传感器测量点采集的数据(xij，yij，zij，vij)，其中i代表每层中第m个点，取值范围为i＝1，2，…m；j代表空间中的第n层，取值范围为j＝1，2，…n；其中(xi，yi，zi)代表第i个离散数据点的空间坐标，vi代表第i个离散测量点温度值，(x,y,z)代表待插值点的坐标；若(x,y,z)≠(xi,yi,zi),(i＝1,2,…,m)，则反距离加权的插值公式为:其中N为所选择的离散点的数目，uij表示第j层中第i个预插值点的温度值，a为加权法中的权重，Dij为插值单元节点距离所选择的第j个离散点的距离；此时函数值f(x，y，z)＝uij，若(x,y,z)＝(xi,yi,zi),(i＝1,2,…,m)函数值为该坐标位置已知测量，f(x，y，z)＝f(xi,yi,zi),(i＝1,2,…,m)其它空间网格单元节点的映射插值与此类推，完成空间内N层网格单元节点的映射插值；根据已经得到空间中n层X-Y平面的温度值，采用三次样条插值法对Z轴方向进行插值；涉及算法如下：设[a,b]上有插值节点，a＝xi1＜xi2＜...＜xin＝b，其中xij(i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n)表示通过上文算法求得的uij；uij表示第j层中第i个点的温度值；S(x)是不高于三次的多项式且在[a,b]具有二阶连续导数，设为：S(xij)＝aixij3+bixij2+cixij+di(i＝1,2...m,j＝1,2,...,n)其中ai，bi，ci，di待定，并使其满足：S(xj)＝yj，S(xj-0)＝S(...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵敏，刘禹颉，邵鹏飞，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61