基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统

摘要

本发明提供一种基于NB‑I oT与超级电容的户外设备异常报警系统，包括：采集模块，用于采集户外设备的状态信息，分析状态信息是否异常；NB‑I oT模块，用于当状态信息异常时，远程进行相应报警；供电模块，用于为户外设备提供电能；其中，供电模块由依次连接的开关电源单元和超级电容单元组成。本发明的基于NB‑I oT与超级电容的户外设备异常报警系统，通过NB‑I oT技术与超级电容的组合实现断电断网报警，并能有效防范先断电后断网然后来电这种情况下出现的断电误报，并且能深层次分析设备局域网故障与主链路故障，而且能有效解决电池在户外环境下的安全与维护隐患，响应快、实时报警信息回传，无线覆盖范围广信号强、功耗低。

说明书

技术领域

本发明涉及户外设备报警技术领域，特别涉及一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统。

背景技术

市面上户外电子运维产品主要包括以下功能：电源检测、网络监控、柜门监控、温湿度感应、远程控制等。由此主要分为三种监控采集方案：有线监控、无线监控、有线无线双监控。

(1)有线监控：有线监控主要是通过三大运营商的有线网络，前端与运维设备与智能化控制设备接入同一网段，运维设备配置一次性电池或者是锂电池，在断电的时候进行后备供电提供报警信息回传，同时实现断网报警及其他监控功能。

(2)无线监控：无线监控主要是通过GPRS模块以及后备电源进行断电以及其他数据采集监控，由于不需要有线网，此种方案安装简单不需要布线，适用于无有线网设备监控，例如水利方面水表以及农业灌溉方面。

(3)有线无线双监控是综合有线网络和GPRS无线网络以及后备供电进行电源、网络、系统等方面综合监控，此方案应用范围比较广。

但是，以上三种现有方案存在以下缺点：

(1)有线监控：有线监控在断电时候可以报警，当断电后又来电这时候断网的情况下监控设备因为有线链路不通没法回传来电以及断网信息，会造成误报。另外无论一次性电池或者可充电锂电池在户外工作情况不稳定，在高低温情况下甚至不能工作起不到后备电源作用。

(2)无线监控：无线监控依托GPRS以及后备供电电池，GPRS响应速度慢功耗高，为2G网络传输速度慢，农业水利方面湿度比较高大大影响电池寿命，增加维护成本。

(3)有线无线双监控：双监控的模式可以避免误报，但是依然存在响应速度慢、信号差、功耗高等缺点，而且有电池这个户外模式下的不稳定的致命缺点。

因此，亟需一种解决办法。

发明内容

本发明目的之一在于提供了一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，通过NB-IoT技术与超级电容的组合实现断电断网报警，并能有效防范先断电后断网然后来电这种情况下出现的断电误报，并且能深层次分析设备局域网故障与主链路故障，而且能有效解决电池在户外环境下的安全与维护隐患，响应快、实时报警信息回传，无线覆盖范围广信号强、功耗低。

本发明实施例提供的一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，包括：

采集模块，用于采集户外设备的状态信息，分析状态信息是否异常；

NB-IoT模块，用于当所述状态信息异常时，远程进行相应报警；

供电模块，用于为户外设备提供电能；

其中，所述供电模块由依次连接的开关电源单元和超级电容单元组成。

优选的，所述采集模块为以处理器为核心的第一电路模块。

优选的，所述开关电源单元为以开关电源为核心的第一电路单元；

所述超级电容单元为以超级电容为核心的第二电路单元。

优选的，所述NB-IoT模块由依次连接的天线单元、主控单元和SIM卡单元组成；

所述天线单元为以天线为核心的第三电路单元；

所述主控单元为以主控芯片为核心的第四电路单元；

所述SIM卡单元为以SIM卡为核心的第五电路单元。

优选的，基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，还包括：

有线网络模块，用于为户外设备提供有线网络；

所述有线网络模块为以太网传输芯片为核心的第二电路模块。

优选的，基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，还包括：

接口模块，用于为户外设备提供与外接设备的接口。

优选的，所述处理器为STM32F107VCT6型芯片。

优选的，所述以太网传输芯片为DP83848VVVBI型芯片。

优选的，基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，还包括：

防盗防破坏模块，用于当他人盗窃或破坏户外设备时，发出报警；所述防盗防破坏模块执行如操作：

获取盗窃破坏大数据，所述盗窃破坏大数据包括：历史上发生盗窃破坏的多个第一记录项；

提取所述第一记录项中的数据来源，所述数据来源包括：第一发布方和对所述第一发布方进行担保的至少一个担保方；

获取所述担保方的第一担保圈；

确定所述第一担保圈的中心的第一位置，同时，确定所述第一发布方在所述第一担保圈中的第二位置；

以所述第一位置为圆心，所述第一位置和所述第二位置之间的连线的长度为半径作第二担保圈；

遍历所述第二担保圈内的其他第二发布方；

每次遍历时，基于预设的关联关系库，确定遍历到的所述第二发布方与所述第一发布方之间是否存在第一关联关系；

若是，对所述第一关联关系进行解析，获取第一关联类型和第一关联值；

基于预设的第一缩小幅度库，确定所述第一关联类型和所述第一关联值共同对应的第一缩小幅度；

遍历结束时，汇总所述第一缩小幅度，获得第一缩小幅度和；

遍历所述第二担保圈上的其他第三发布方；

每次遍历时，基于所述关联关关系库，确定遍历到的所述第三发布方与所述第一发布方之间是否存在第二关联关系；

若是，对所述第二关联关系进行解析，获取第二关联类型和第二关联值；

基于预设的第二缩小幅度库，确定所述第二关联类型和所述第二关联值共同对应的第二缩小幅度；

遍历结束后，汇总所述第二缩小幅度，获得第二缩小幅度和；

基于所述第一缩小幅度和与所述第二缩小幅度和对所述第二担保圈的所述半径进行连续两次缩小，缩小后，获得第三担保圈；

获取所述第三担保圈与所述第一担保圈之间的面积比，并作为判定值；

若所述判定值小于等于预设的判定阈值，将对应所述第一记录项作为第二记录项；

提取所述第二记录项中发生盗窃破坏的第一位置、第一时间点和严重值；

获取所述户外设备的第二位置；

获取预设的对照表构建模型，将所述第一位置、第一时间点、严重值和所述第二位置输入所述对照表构建模型，获取时间区间-控制方案对照表；

获取当前时间的第二时间点，查询所述时间区间-控制方案对照表，确定所述第二时间点对应的时间区间，并确定所述时间区间对应的控制方案；

基于所述控制方案，对预设的监测设备进行控制，实现防盗防破坏监测。

优选的，基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，还包括：

记录模块，用于当用户靠近户外设备时，进行相应记录；所述记录模块执行如下操作：

围绕户外设备建立预设第一范围的感应圈；

当检测到第一用户进入所述感应圈时，触发记录功能；

对所述感应圈内的环境进行扫描，获取所述第一用户的第一轮廓和对应于所述第一轮廓的轮廓位置信息；

获取预设的三维空间，基于所述轮廓位置信息，将所述第一轮廓映射于所述三维空间内；

获取预设的摄像装置的第三位置，基于所述第三位置，将所述摄像装置映射于所述三维空间内；

当所述第一用户的人数为1时，基于轮廓识别技术，获取所述三维空间中所述第一轮廓上表示所述第一用户的第一面部的第一朝向，同时，获取所述摄像装置的对准方向；

判断所述第一朝向和所述对准方向的第一夹角是否为钝角；

若是，控制所述摄像装置进行拍照，否则，调整所述第一朝向，直至所述第一夹角为钝角后，进行拍照；

当所述第一用户的人数大于1时，基于轮廓识别技术，识别所述三维空间中所述第一轮廓中移动最频繁的所述第一轮廓，并作为第二轮廓，对应所述第一用户作为第二用户，其余所述第一轮廓作为第三轮廓，对应所述第一用户作为第三用户；

获取所述三维空间中所述第二轮廓上表示所述第二用户的第二面部的第二朝向，同时，获取所述三维空间中所述第三轮廓上表示所述第三用户的第三面部的第三朝向；

判断所述第二朝向和所述对准方向的第二夹角是否为钝角；

若是，调节所述对准方向，使得所述第二夹角始终为钝角，实现跟踪，同时，在跟踪过程中，若所述第三朝向和所述对准方向的第三夹角均为钝角时，进行拍照；

若否，调节所述对准方向，使得所述第二夹角始终为钝角，然后再进行跟踪，在跟踪过程中，若所述第三朝向和所述对准方向的第三夹角均为钝角时，进行拍照。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统的示意图；

图2为本发明实施例中采集模块的电路图；

图3为本发明实施例中供电模块的电路图；

图4为本发明实施例中有线网络模块的电路图；

图5为本发明实施例中接口模块的电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，如图1所示，包括：

采集模块1，用于采集户外设备的状态信息，分析状态信息是否异常；

NB-IoT模块2，用于当所述状态信息异常时，远程进行相应报警；

供电模块3，用于为户外设备提供电能；

其中，所述供电模块3由依次连接的开关电源单元和超级电容单元组成。

上述技术方案的工作原理及有益效果为：

采集模块采集户外设备的状态信息【温度信息、湿度信息、是否断电、是否断网等】，对状态信息进行分析，确定是否异常；若异常，通过NB-IoT模块进行远程报警【发送异常信息至工作人员的客户端】；供电模块用于电能供应；输入电源以后电源给系统供电同时给超级电容充电，系统正常运行时通过有线网络进行通讯，NB-IoT模块处于低功耗休眠模式；系统出现断电以及其他报警信时，超级电容释放储能，利用其供电，系统NB-IoT模块通过中断信息在20ms内发送后台App报警信息；系统出现断网时通过超级电容与无线可深度判断区分局域网故障和主链路故障以及返回故障信息。

本发明实施例通过NB-IoT技术与超级电容的组合实现断电断网报警，并能有效防范先断电后断网然后来电这种情况下出现的断电误报，并且能深层次分析设备局域网故障与主链路故障，而且能有效解决电池在户外环境下的安全与维护隐患，响应快、实时报警信息回传，无线覆盖范围广信号强、功耗低。

本发明实施例提供了一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，如图2所示，所述采集模块1为以处理器为核心的第一电路模块。

上述技术方案的工作原理及有益效果为：

信号采集采用的是STM32F107VCT6+DP83848VVVBI的控制与有线网络通讯。F107控制器是ST公司推出的基于ARM Cortex-M3架构的32位微处理器，内部集成256K Flash与64KSRAM以及PHY可以满足大部分控制需求。具体应用电路图如下：

U1为STM32F107VCT6主控芯片，P1为程序下载口，P2为USB接口可接USB摄像头等外接设备，可提供户外微型摄像头监控接入；P5为显示屏接口可接0.96寸OLED显示屏，显示设备状态，报警信息与网络连接状态等，方便人员操作；U2为Flash芯片可拓展128M Flash芯片，P4为NB-IoT接口对接NB-IoT模块，U3为硬件看门狗芯片，在主控芯片STM32F107VCT6程序死机时，对芯片进行复位重启；P5为RFID射频接口，可接射频设备进行刷卡认证等功能。

本发明实施例提供了一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，如图3所示，所述开关电源单元为以开关电源为核心的第一电路单元；

所述超级电容单元为以超级电容为核心的第二电路单元。

上述技术方案的工作原理及有益效果为：

超级电容是上世纪八十年代发展起来的一种新型储能装置，它是介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，主要是依靠双电层和氧化还原假电容电荷储能，因而不同于传统的化学电源。超级电容有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作范围广等优点，可满足-40～80℃的户外复杂工作环境。

超级电容串联使用应注意过压保护与均压保护，P2位5V电源输入口，经过由U1以及附属电路的过压保护，再由U2、U4对两颗2.7V/10F超级电容C5、C8进行均压保护，R3为充电限流电阻。U3为DC-DC降压芯片提供3.3V芯片工作电压。

本发明实施例提供了一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，所述NB-IoT模块2由依次连接的天线单元、主控单元和SIM卡单元组成；

所述天线单元为以天线为核心的第三电路单元；

所述主控单元为以主控芯片为核心的第四电路单元；

所述SIM卡单元为以SIM卡为核心的第五电路单元。

上述技术方案的工作原理及有益效果为：

NB-IoT全称窄带物联网，NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，使用License频段，可采用带内、保护带或者独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT有以下几个优势及特点：

(1)超强覆盖：相对GPRS来说，增加20db的信号增益；

(2)超低功耗：对于终端功耗工作电流40ma，休眠电流可低至1ma；

(3)超大连接：一个扇区能够支持数万个连接，支持低延时名风格、敏感度低、超低设备成本；

(4)超低成本：无需重新搭建网络，模块价格低。

本系统是采用的移远BC95模块

BC95模块由天线、主控、SIM卡三部分组成，天线采用50欧姆阻抗设计，主控为U1，U2为SIM卡保护芯片与SIM1卡槽以及其他附属电阻电容组成SIM卡电路；P2与STM32F107VCT6的P4相连。

本发明实施例提供了一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，如图4所示，还包括：

有线网络模块，用于为户外设备提供有线网络；

所述有线网络模块为以太网传输芯片为核心的第二电路模块。

上述技术方案的工作原理及有益效果为：

有线网络传输是通过TI公司DP83848VVVBI物理MAC芯片以及RJ45网口实现，DP83848VVVBI是一款工业级10/100M自适应以太网传输芯片，工作温度可达-40～105℃。配合HR91105A内置变压器的RJ45构成有线网络。

本发明实施例提供了一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，如图5所示，还包括：

接口模块，用于为户外设备提供与外接设备的接口。

上述技术方案的工作原理及有益效果为：

包括220V检测接口P8，同时还提供485/232/can工业接线口，可拓展连接各路总线设备。U32/U33/U35分别为CAN/232/485控制芯片。

本发明实施例提供了一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，所述处理器为STM32F107VCT6型芯片。

上述技术方案的工作原理及有益效果为：

处理器为STM32F107VCT6型芯片。

本发明实施例提供了一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，所述以太网传输芯片为DP83848VVVBI型芯片。

上述技术方案的工作原理及有益效果为：

以太网传输芯片为DP83848VVVBI型芯片。

本发明实施例提供了一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，还包括：

防盗防破坏模块，用于当他人盗窃或破坏户外设备时，发出报警；所述防盗防破坏模块执行如操作：

获取盗窃破坏大数据，所述盗窃破坏大数据包括：历史上发生盗窃破坏的多个第一记录项；

提取所述第一记录项中的数据来源，所述数据来源包括：第一发布方和对所述第一发布方进行担保的至少一个担保方；

获取所述担保方的第一担保圈；

确定所述第一担保圈的中心的第一位置，同时，确定所述第一发布方在所述第一担保圈中的第二位置；

以所述第一位置为圆心，所述第一位置和所述第二位置之间的连线的长度为半径作第二担保圈；

遍历所述第二担保圈内的其他第二发布方；

每次遍历时，基于预设的关联关系库，确定遍历到的所述第二发布方与所述第一发布方之间是否存在第一关联关系；

若是，对所述第一关联关系进行解析，获取第一关联类型和第一关联值；

基于预设的第一缩小幅度库，确定所述第一关联类型和所述第一关联值共同对应的第一缩小幅度；

遍历结束时，汇总所述第一缩小幅度，获得第一缩小幅度和；

遍历所述第二担保圈上的其他第三发布方；

每次遍历时，基于所述关联关关系库，确定遍历到的所述第三发布方与所述第一发布方之间是否存在第二关联关系；

若是，对所述第二关联关系进行解析，获取第二关联类型和第二关联值；

基于预设的第二缩小幅度库，确定所述第二关联类型和所述第二关联值共同对应的第二缩小幅度；

遍历结束后，汇总所述第二缩小幅度，获得第二缩小幅度和；

基于所述第一缩小幅度和与所述第二缩小幅度和对所述第二担保圈的所述半径进行连续两次缩小，缩小后，获得第三担保圈；

获取所述第三担保圈与所述第一担保圈之间的面积比，并作为判定值；

若所述判定值小于等于预设的判定阈值，将对应所述第一记录项作为第二记录项；

提取所述第二记录项中发生盗窃破坏的第一位置、第一时间点和严重值；

获取所述户外设备的第二位置；

获取预设的对照表构建模型，将所述第一位置、第一时间点、严重值和所述第二位置输入所述对照表构建模型，获取时间区间-控制方案对照表；

获取当前时间的第二时间点，查询所述时间区间-控制方案对照表，确定所述第二时间点对应的时间区间，并确定所述时间区间对应的控制方案；

基于所述控制方案，对预设的监测设备进行控制，实现防盗防破坏监测。

上述技术方案的工作原理及有益效果为：

预设的关联关系库具体为：一数据库，内存储有不同发布方之间的关联关系【例如：单方面担保、相互担保、绑定、同属一个平台等】；预设的第一缩小幅度库具体为：一数据库，内存储有不同关联类型和关联值对应的对应的缩小幅度，关联类型的价值越大、关联值越大，缩小幅度越大；预设的第二缩小幅度库与之同理，区别在于适用对象不同，前者适用于第二担保圈内，后者适用于第二担保圈上；预设的判定阈值具体为：例如，0.3；预设的对照表构建模型具体为：利用机器学习算法对大量人工基于第一位置、第一时间点、严重值和第二位置构建时间区间-控制方案对照表的记录进行学习后生成的模型；预设的监测设备具体为：例如，毫米波传感器，扫描靠近人体的轮廓，识别轮廓是否盗窃和破坏户外设备；

发布方在发布盗窃破坏记录时，必须得有至少一个担保方，由担保方进行担保，保证发布数据的真实性，每一个担保方都对应有一个第一担保圈【一个圆圈】，担保方对发布方的担保力度越大【例如：向担保方缴纳的惩罚金越多，担保方担保力度越大】，发布方产生的恶意记录越少【例如：很少发布虚假信息】，发布方在第一担保圈中的位置越靠近中心；确定第二担保圈后，若第二担保圈内有与发布方有关联关系的其他发布方，基于关联关系确定调整幅度；例如：互相绑定的两个发布方，一方产生大量优秀记录【例如：频繁发送真实信息】，该方距离第一担保圈中心的距离更近，由于另一发布方与其绑定，其也会靠近中心；因此，可以缩小第二担保圈的半径；第二担保圈上的其他与发布方与关联关系的发布方与之同理，但是由于担保方对他们的担保力度相同，缩小幅度会很小；

面积比越小，担保方对发布方的担保力度越合格，剔除不合格的第一记录项，保证了数据的真实性；基于第一位置、第一时间点、严重值和第二位置确定不同时间段适宜的控制方案；【例如：半夜的某时间段，为盗窃频发时间段，届时减小毫米波雷达传感器的工作时间间隔】十分智能化，节省电源消耗，由于户外设备大多使用电池等，更具有适用性。

本发明实施例提供了一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，基于所述第一缩小幅度和与所述第二缩小幅度和对所述第二担保圈的所述半径进行连续两次缩小，缩小公式如下：

其中，d′为缩小后的所述半径，d为缩小前的所述半径，μ

上述技术方案的工作原理及有益效果为：

通过上述公式基于第一缩小幅度和与第二缩小符合和对第二担保圈的半径进行缩小，极大程度上提升了系统的工作效率；

公式中，基于幅度和的大小进行分级，执行不同程度的缩小，满足系统的工作需要，十分适配。

本发明实施例提供了一种基于NB-IoT与超级电容的户外设备异常报警系统，还包括：

记录模块，用于当用户靠近户外设备时，进行相应记录；所述记录模块执行如下操作：

围绕户外设备建立预设第一范围的感应圈；

当检测到第一用户进入所述感应圈时，触发记录功能；

对所述感应圈内的环境进行扫描，获取所述第一用户的第一轮廓和对应于所述第一轮廓的轮廓位置信息；

获取预设的三维空间，基于所述轮廓位置信息，将所述第一轮廓映射于所述三维空间内；

获取预设的摄像装置的第三位置，基于所述第三位置，将所述摄像装置映射于所述三维空间内；

当所述第一用户的人数为1时，基于轮廓识别技术，获取所述三维空间中所述第一轮廓上表示所述第一用户的第一面部的第一朝向，同时，获取所述摄像装置的对准方向；

判断所述第一朝向和所述对准方向的第一夹角是否为钝角；

若是，控制所述摄像装置进行拍照，否则，调整所述第一朝向，直至所述第一夹角为钝角后，进行拍照；

当所述第一用户的人数大于1时，基于轮廓识别技术，识别所述三维空间中所述第一轮廓中移动最频繁的所述第一轮廓，并作为第二轮廓，对应所述第一用户作为第二用户，其余所述第一轮廓作为第三轮廓，对应所述第一用户作为第三用户；

获取所述三维空间中所述第二轮廓上表示所述第二用户的第二面部的第二朝向，同时，获取所述三维空间中所述第三轮廓上表示所述第三用户的第三面部的第三朝向；

判断所述第二朝向和所述对准方向的第二夹角是否为钝角；

若是，调节所述对准方向，使得所述第二夹角始终为钝角，实现跟踪，同时，在跟踪过程中，若所述第三朝向和所述对准方向的第三夹角均为钝角时，进行拍照；

若否，调节所述对准方向，使得所述第二夹角始终为钝角，然后再进行跟踪，在跟踪过程中，若所述第三朝向和所述对准方向的第三夹角均为钝角时，进行拍照。

上述技术方案的工作原理及有益效果为：

建立感应圈可以基于毫米波雷达传感器建立，对一定范围内的环境进行扫描，确定有人进入时，执行对应操作；对环境进行扫描也可以使用毫米波雷达传感器，均属于现有技术范畴，不作赘述；当人数为1时，说明只有一个人在户外设备周边，调整对准方向，使得摄像装置可以采集到面部信息；当人数大于1时，说明多个人在其周边，当多人均面向摄像装置时，进行拍照，为以后追溯提供的多人共同在场证明；朝向和对准方向的夹角可以基于向量确定，将朝向和对准方向在向量空间中分别表示为朝向向量和对准方向向量，计算朝向向量和对准方向向量的乘积，乘积小于0即为钝角。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。