基於物聯網技術的邊坡傾斜度監測方法
2023-10-24 04:06:42 2
專利名稱：基於物聯網技術的邊坡傾斜度監測方法
基於物聯網技術的邊坡傾斜度監測方法一、所屬領域本發明涉及物聯網技 術應用於工程安全監測領域，利用傳感器陣列對邊坡進行長 期的傾斜度監測。整個系統包括了傳感器的組網和數據的無線採集，數據的無線傳輸和數 據分析。
背景技術：
從巖土力學的角度來看，邊坡處治是通過某種結構人為給邊坡巖土體施加一個外 力作用或者通過人為改善原有邊坡的環境，最終使其達到一定的力學平衡狀態。但由於邊 坡內部巖土力學作用的複雜性，從地質勘察到處治設計均不可能完全考慮邊坡內部的真實 力學效應，我們的設計都是在很大程度的簡化計算上進行的。為了反映邊坡巖土真實力學 效應、檢驗設計施工的可靠性和處治後的邊坡的穩定狀態，邊坡工程防治監測具有極其重 要的意義。邊坡工程監測是邊坡研究工作中的一項重要內容，隨著科學技術的發展，各種先 進的監測儀器設備、監測方法和監測手段的不斷更新，使邊坡監測工作的水平正在不斷地 提尚。目前的邊坡安全檢測都是利用傳感器加採集處理設備的模式，這種模式存在著很 多的缺點，現場需要布設大量的傳輸線，增加了很多勞動量和資金投入，而且還不便與日後 的維護和維修。還有就是須要在現場建立數據分析處理站不便與集中管理。在目前的有線 採集數據的方式中，一旦出現其中的某個傳感器不能正常工作，將會影響整個系統中的其 他傳感器。本專利在數據傳輸和供電上突破了目前的有線傳輸和有線供電的局限性，藉助當 今影響力越來越的物聯網和太陽能供電這兩大技術，實現了現場「零布線」的檢測方案，對 影響邊坡安全的一個重要因素——邊坡傾斜度利用自主研發的固定式測斜儀、GPRS無線傳 輸模塊等設備做了系統的監測。
發明內容
在基於物聯網技術的邊坡傾斜度監測系統中，主要是由現場監測設備和遠程分析 系統兩部分組成。系統整體框圖如圖1所示是現場監測設備包括了固定式測斜儀網絡陣 列、Zigbee無線組網系統、GPRS遠程無線數據傳輸模塊和太陽能電池供電模塊四部分組 成，遠程分析設備由專用PC機和配套的軟體構成。在物聯網技術支持下由Zigbee無線傳輸模塊把分散的固定式測斜儀陣列組成網 絡，再傳輸給GPRS無線傳輸模塊，最終由GPRS模塊傳送到PC機上由專業軟體進行分析。系 統的數據流向如圖2基於物聯網技術的邊坡傾斜度監測系統信號傳輸圖所示，信號是由固 定式測斜儀傳給Zigbee無線傳輸模塊再傳給GPRS無線傳輸模塊最終傳給PC機。整個系 統的現場實施如圖6基於物聯網技術的邊坡傾斜度監測系統的實際安裝圖所示，固定式測 斜儀固定在邊坡的各個橋墩上，尤其是邊坡的主塔上，通過Zigbee無線傳輸模塊採集各個 點的數據，最後連成網絡，再由GPRS無線傳輸模塊傳送給PC機。
因此，本發明的技術方案為，一種基於物聯網技術的邊坡傾斜度監測方法，該監測 系統包括固定式測斜儀網絡陣列、Zigbee無線組網系統、GPRS遠程無線數據傳輸模塊和太 陽能電池供電模塊，遠程分析設備由專用PC機和配套的軟體構成，其特徵在於由Zigbee 無線傳輸模塊把分散的固定式測斜儀陣列組成網絡，將監測數據傳輸給GPRS無線傳輸模 塊，最終由GPRS模塊傳送到PC機上由專業軟體進行分析，其中信號傳輸路徑為由固定式測 斜儀傳給Zigbee無線傳輸模塊再傳給GPRS無線傳輸模塊最終傳給PC機，固定式測斜儀固 定在邊坡的各個橋墩或者主塔上，通過Zigbee無線傳輸模塊採集各個點的數據，最後連成 網絡，再由GPRS無線傳輸模塊傳送給PC機。(一 )現場監測設備 1)固定式測斜儀網絡陣列固定式測斜儀是用於測量邊坡傾斜度的傳感器，如圖3所示它是由SCA100T探頭 及信號調理部分、有24位AD的MCU及算法實現部分和RS485傳輸三部分組成，其中SCA100T 探頭及信號調理部分的加速度傳感器使用芬蘭的SCA100T高精度傾角儀晶片，使精度達到 0. 0025弧度，即9弧秒，高於目前市場同類產品精度4倍，還應用了 SCA100T高精度傾角儀 晶片輸出與重力加速度的近線性信號通過信號調理電路，低通濾波電路。給MCU模塊提供 兩個穩定、標準、線性良好的正比於角度的電壓信號。有24位AD的MCU及算法實現部分使 用高性能的帶有24位精度AD的數字模擬信號混合處理器，將信號採集電路做在傳感器探 頭內部，避免各種不必要的誤差。實現包括角度轉換、溫度補償、線性補償、數據RS485通 信。RS485傳輸部分輸出標準RS485信號。2) Zigbee無線組網系統在工程中固定式測斜儀是分散的安裝在邊坡上，每個固定式測斜儀檢測得的是固 定點的傾斜度，把安裝在邊坡上的固定式測斜儀組成網絡陣列就形成了整個邊坡的傾斜情 況。本專利是基於物聯網技術對現場的傳感器即固定式測斜儀進行組網。本專利是採用成都無線龍Zigbee無線傳輸模塊來實現各個固定式測斜儀之間的 通信。如圖4所示Zigbee無線傳輸模塊是由MCU、Zigbee收發器、RS485通信模塊和電源 四部分組成。Zigbee無線傳輸模塊是一種基於IEEE802. 15. 4通信協議的無線傳輸技術的 易於組網，功耗極低，高安全性，高容量，短延時和免執照頻段的無線通信模塊，是物聯網技 術中通信領域的前沿技術。在基於物聯網技術的邊坡傾斜度監測系統中利用Zigbee無線 傳輸模塊來實現各個固定式測斜儀之間的連接是一種高效的無線組網，他克服可目前的布 線式組網的缺點，在目前的布線式組網中需要大量的通信線，成本昂貴，而且一旦中間的某 個傳感器節點出現故障就會使全部的傳感器都不能正常工作，布線式組網還不易於維護， 檢修需要大量的人力物力。本專利中Zigbee無線組網系統克服了目前布線式組網的諸多 缺點，使得現場監測設備真正實現了 「無線」。固定式測斜儀傳感器是一種數字式傳感器，固定式測斜儀輸出的數位訊號通過 RS485接口直接連接到Zigbee無線傳輸模塊的串口，經過簡單的協議制定即可以實現數據 的無線傳輸。3) GPRS無線傳輸模塊GPRS無線傳輸模塊是用於對數據的遠程傳輸，即實現把數據從現場傳輸到遠程分 析設備上。如圖5所示GPRS無線傳輸模塊由五部分組成，無線MCU控制器、RS485傳輸模塊、太陽能電池供電模塊、RF模塊接口和SIM模塊和GPRS模塊。在本系統中無線MCU控制 器使用TI公司的MSP430超低功耗晶片，採用了 TI公司最新的低功耗技術。工作在1. 8 3.6V電壓下。RS485傳輸模塊輸出標準RS485信號，便於和PC機進行通信。使用高性能的 太陽能電池供電模塊為整機提供3. 3V的工作電壓。RF模塊接口採用Nordic公司推出的 單片射頻發射器晶片nRF905，工作電壓為1. 9-3. 6V，工作於433/868/915MHZ3個ISM開放 頻帶。riRF905可以自動完成處理字頭和循環冗餘碼校驗的工作，可由片內硬體自動完成曼 徹斯特編碼/解碼，使用高速同步串行口接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常 低，以-IOdBm的輸出功率發射時電流只有11mA，在接收模式時電流為12 . 5mA。nRF905單片 無線收發器工作由一個完全集成的頻率調製器，一個帶解調器的接收器，一個功率放大器， 一個晶體震蕩器和一個調節器組成。工作的特點是自動產生前導碼和循環冗餘碼校驗，可 以很容易通過高速同步串行口接口進行編程配置。在SIM模塊和GPRS模塊中GPRS模塊 利用GPRS網進行數據通信，本專利使用的是WAVEC0M的WISMO模塊，其接口簡單、使用方便 且功能非常強大。GPRS模塊微控制器間是通過串行口進行通信的，通信速率最快可以達到 115b/s 200b/s。模塊與控制器間的通信協議是AT命令集，其中大部分命令是符合協議 "AT command set for GSM MobileEquipment (對於 GSM 行動裝置的 AT 指令集)」的，但也 有一些是WAVEC0M自己定義的AT命令。為了簡化微控制器的控制，硬體設計時沒有使用全 部的硬體握手信號，而只使用數據載波檢測和終端準備信號。DCD信號可以檢測GPRS模塊 是處於數據傳送狀態還是處於AT命令傳送狀態。DTR信號用來通知GPRS模塊傳送工作已 經結束。GPRS DTU(GPRS數據終端設備)採用ARM9高性能工業級嵌入式處理器，以實時操 作系統為軟體支撐平臺，超大內存，內嵌自主智慧財產權的TCP/IP協議。為用戶提供高速，穩 定可靠，數據終端永遠在線，多種協議轉換的虛擬網絡。GPRS無線傳輸模塊和Zigbee無線傳輸模塊是通過串口進行通信。4)太陽能電池供電模塊為了實現真正的現場無線式監控，本系統所有設備的供電均採用太陽能電池模塊 供電。整個系統中固定式測斜儀的輸入電壓為5V 10V，功率為0. 15w 0. 3w0 Zigbee無線 傳輸模塊的供電電壓極低，在低耗電待機模式下，2節5號乾電池可支持1個節點工作6 24個月，甚至更長。GPRS無線傳輸模塊待機時是幾十毫瓦，通信時功耗為Iw 2w。利用現 有的太陽能電池供電模塊能夠為整個系統供電。本專利利用的是simtech的STP005B-12/ DEA型號太陽能電池對每個需電設備進行分布式供電，整個檢測系統實現了零布線。(二)遠程分析設備1)PC機和專用軟體信號經過GPRS無線傳輸模塊傳輸到專用PC機，其中有兩個過程，一是GPRS無線 傳輸模塊和PC機的通信，二是對傳入的數據進行分析處理。第一個過程是由PC機查找GPRS 無線傳輸模塊中的SIM模塊的動態IP位址實現通信。第二個過程是由通過專用數據分析 軟體解析輸入的數據最後得出邊坡的安全狀況。
四
下面結合附圖對專利實施和技術做進一步說明圖1是基於物聯網技術的邊坡傾斜度監測系統框圖。
圖中1固定式測斜儀，2Zigbee節點，3物聯網技術，4GPRS無線傳輸模塊，5專用PC 機圖2是基於物聯網技術的邊坡傾斜度監測系統信號傳輸圖。圖3是固定式測斜儀結構3中6SCA100T探頭及信號調理部分，7有24位AD的MCU及算法實現部分， 8RS485傳輸部分圖4是Zigbee無線傳輸模塊結構圖 圖4中9RS485通信模塊，10MCU處理器，IlZigbee收發器，12電源部分圖5是GPRS無線傳輸模塊結構5中13SIM模塊和GPRS模塊，14RF模塊接口，15無線MCU控制器，16太陽能電 池供電模塊，17RS485傳輸模塊圖6是基於物聯網技術的邊坡傾斜度監測系統的實際安裝圖 五具體實施例方式結合附圖對實際實施的方案給予說明如圖1所示為整個基於物聯網技術的邊坡傾斜度監測系統框圖，在物聯網技術支 持下由Zigbee無線傳輸模塊把分散的固定式測斜儀陣列組成網絡，再傳輸給GPRS無線傳 輸模塊，最終由GPRS模塊傳送到PC機上由專業軟體進行分析。系統的數據流向如圖2基 於物聯網技術的邊坡傾斜度監測系統信號傳輸圖所示，信號是由固定式測斜儀傳給Zigbee 無線傳輸模塊再傳給GPRS無線傳輸模塊最終傳給PC機。整個系統的現場實施如圖6基於 物聯網技術的邊坡傾斜度監測系統的實際安裝圖所示，固定式測斜儀固定在邊坡的各個橋 墩上，尤其是邊坡的主塔上，通過Zigbee無線傳輸模塊採集各個點的數據，最後連成網絡， 再由GPRS無線傳輸模塊傳送給PC機。
權利要求
一種基於物聯網技術的邊坡傾斜度監測方法，該監測系統的現場監測設備包括固定式測斜儀網絡陣列、Zigbee無線組網系統、GPRS遠程無線數據傳輸模塊和太陽能電池供電模塊，遠程分析設備由專用PC機和配套的軟體構成，其特徵在於由Zigbee無線傳輸模塊把分散的固定式測斜儀陣列組成網絡，將監測數據傳輸給GPRS無線傳輸模塊，最終由GPRS模塊傳送到PC機上由專業軟體進行分析，其中信號傳輸路徑為由固定式測斜儀傳給Zigbee無線傳輸模塊再傳給GPRS無線傳輸模塊最終傳給PC機，固定式測斜儀固定在邊坡的各個橋墩或者主塔上，通過Zigbee無線傳輸模塊採集各個點的數據，最後連成網絡，再由GPRS無線傳輸模塊傳送給PC機。
全文摘要
本發明是基於當代影響正在越來越大的物聯網技術實現的邊坡傾斜度檢檢測，為邊坡提供長期的傾斜度監測，系統由現場監測設備和遠程分析設備組成，現場檢測設備由固定式測斜儀、Zigbee無線傳輸模塊、GPRS無線傳輸模塊和太陽能電池供電模塊組成，由於採用了無線傳輸和分布式供電技術，實現了現場零布線。大大節約了投入成本，便於日後維護和檢修。遠程分析設備是由帶有專用數據處理軟體的PC機組成。整個系統中固定式測斜儀作為傳感器測量到邊坡的傾斜度後傳送給Zigbee無線傳輸模塊再傳輸到GPRS無線傳輸模塊最後由GPRS無線傳輸模塊發送給帶有專用數據處理軟體的PC機上對數據進行分析處理。這個系統充分的體現了物聯網技術在安全檢測中的應用。
文檔編號G08C17/02GK101968921SQ201010251540
公開日2011年2月9日 申請日期2010年8月12日 優先權日2010年8月12日
發明者馮保記, 劉文峰, 朱琳, 李彥斌, 楊松遠, 王輔宋, 韓偉 申請人:劉文峰