CN108225210A - 激光雪深度计及其测量系统和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光雪深度计及其测量系统和测量方法，激光雪深度计包括相互连接的激光距离测量传感器和中控模块，其中，激光距离测量传感器用于测量雪深度，获取测量数值，中控模块用于处理测量数值，并控制激光距离测量传感器，中控模块为微控制器MCU；另外，其还包括远程连接接口和温度测量模块，远程连接接口、温度测量模块分别与中控模块相连接，温度测量模块用于测量环境温度。本发明选用激光测距模块作为激光距离测量传感器，对雪深度进行测量；由于激光测距模块具有精度高、测量速度快和抗干扰能力强等优点，因此选择激光距离测量传感器替代超声传感器，使得激光雪深度计可以达到较高的测量精度，从而具有较高的实用意义和市场价值。

Description

激光雪深度计及其测量系统和测量方法

技术领域

本发明属于土木工程检测技术领域，具体涉及一种激光雪深度计及其测量系统和测量方法。

背景技术

传感器可用于要求精确测量、快速响应和长期稳定、可靠的环境中。现在市面上的雪深度计主要以超声传感器作为距离传感器，对积雪的深度进行测量。超声测距主要是测量的超声往返时间来进行距离测量的，其超声的测量精度一般都为10mm，并且超声测距存在盲区，无法对短距离的数据进行测量。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，首要目的是提供一种激光雪深度计。

本发明的第二个目的是提供一种激光雪深度测量系统。

本发明的第三个目的是提供一种基于激光雪深度测量系统实现雪深度测量的方法。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：

一种激光雪深度计，其包括相互连接的激光距离测量传感器和中控模块，其中，激光距离测量传感器用于测量雪深度，获取测量数值，中控模块用于处理测量数值，并控制激光距离测量传感器，中控模块为微控制器MCU。

在一种较佳的实施例中，激光雪深度计还包括远程连接接口，远程连接接口与中控模块相连接。

在一种较佳的实施例中，激光雪深度计还包括温度测量模块，温度测量模块也与中控模块相连接，用于测量该激光雪深度计所处的环境温度。

一种具有上述的激光雪深度计的激光雪深度测量系统，其还包括采集设备以及服务器，采集设备用于对雪进行采集，服务器与激光雪深度计相连接，获取激光雪深度计的测量数据，并对该测量数据进行处理，其中，采集设备为金属采集桶，服务器为远程服务器。

在一种较佳的实施例中，激光雪深度测量系统还包括固定装置，用于将激光雪深度计固定至采集设备的正上方。

其中，激光雪深度计还包括远程连接接口，远程连接接口与中控模块相连接，且激光雪深度计通过远程连接接口连接至服务器。

一种基于上述的激光雪深度测量系统实现雪深度测量的方法，其包括以下步骤：

(1)、安装激光雪深度测量系统；

(2)、对激光雪深度测量系统中的激光雪深度计进行初始化；

(3)、用户控制激光雪深度计进行相应测量。

在一种较佳的实施例中，激光雪深度测量系统包括服务器以及采集设备，服务器为远程服务器，采集设备为金属采集桶；激光雪深度测量系统还包括固定装置，用于将激光雪深度计固定至采集设备的正上方。

其中，步骤(1)包括：

(1.1)、水平安装采集设备；

(1.2)、安装固定装置；

(1.3)、通过步骤(1.2)中安装好的固定装置，将激光雪深度计安装至采集设备的正上方；

(1.4)、将激光雪深度计的远程连接接口连接至服务器。

在一种较佳的实施例中，步骤(2)为：

激光雪深度计包括中控模块与激光距离测量传感器，其中，激光雪深度计通过激光距离测量传感器探测激光雪深度测量系统中采集设备的初始深度，并将该初始深度上传至激光雪深度测量系统中的服务器。

在一种较佳的实施例中，步骤(3)包括：

(3.1)、用户通过服务器向激光雪深度计下发测量指令；

(3.2)、激光雪深度计获取该测量指令，并根据该测量指令进行相应测量；

(3.3)、激光雪深度计得到相应测量数据，并将其上传至服务器。

其中，激光雪深度计还包括温度测量模块，温度测量模块也与中控模块相连接，用于测量该激光雪深度计所处的环境温度，测量指令包括雪深度测量指令和温度测量指令，且

测量指令包括雪深度测量指令时，步骤(3.2)为：

激光雪深度计获取该测量指令，并根据该测量指令，通过激光距离测量传感器进行相应测量，获取雪深度数值。

测量指令包括温度测量指令时，步骤(3.2)为：

激光雪深度计获取该测量指令，并根据该测量指令，通过温度测量模块进行相应测量，获取温度数值。

在一种较佳的实施例中，步骤(3)中获取的相应测量的数据大于一种时，激光雪深度计通过中控模块对待上传的数据进行打包后再上传至服务器。

在一种较佳的实施例中，中控模块根据激光距离测量传感器获取的采集设备内雪平面的距离数值，以及采集设备的初始深度，获取雪深度数值，具体为：

雪深度数值＝|距离数值‐初始深度|。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

本发明选用激光测距模块作为激光距离测量传感器，对雪深度进行测量；由于激光测距模块具有精度高(精度可达到1mm)、测量速度快和抗干扰能力强等优点，因此选择激光距离测量传感器替代超声传感器，使得激光雪深度计可以达到较高的测量精度，从而具有较高的实用意义和市场价值。

附图说明

图1为本发明的激光雪深度计的电路框图。

图2为本发明的激光雪深度计的功能性需求示意图。

图3为本发明的激光雪深度计的透视图。

图4为本发明的激光雪深度测量系统的安装结构示意图。

附图标记：

外部接线孔1、板载温度传感器2、激光距离测量传感器3、底壳4、PCB板固定装置5、主控板6、筒壁7、顶壳8、传感器限位固定孔9、第二固定柱10、探头固定座11、激光雪深度计12、积雪桶13、积雪桶底座14、底板15、第一固定柱16和探头固定架17。

具体实施方式

本发明提供了一种激光雪深度计及其测量系统和测量方法。

<激光雪深度计>

如图1所示，激光雪深度计12包括激光距离测量传感器3、中控模块、远程连接接口和温度测量模块；其中，激光距离测量传感器3与中控模块相互连接，激光距离测量传感器3用于测量雪深度，获取测量数值，中控模块用于处理测量数值，并控制激光距离测量传感器3；远程连接接口与中控模块相连接；温度测量模块也与中控模块相连接，用于测量该激光雪深度计12所处的环境温度；中控模块为微控制器MCU。

如图3所示，在该具体实施例中，温度测量模块可包括板载温度传感器2，和/或激光距离测量传感器3中设置的温度检测单元，温度测量模块和激光距离测量传感器3都设置于激光雪深度计12的外壳中，激光雪深度计12的外壳为柱形，包括筒壁7、底壳4和顶壳8，顶壳8上设置有外部接线孔1以及传感器限位固定孔9，中控模块和激光距离测量传感器3都设置于主控板6上，主控板6固定于PCB板固定装置5上，且PCB板固定装置5设置在激光雪深度计12的外壳的底壳4上。

<激光雪深度测量系统>

激光雪深度测量系统包括激光雪深度计12、采集设备、服务器以及固定装置；其中，采集设备用于对雪进行采集，服务器与激光雪深度计12相连接，获取激光雪深度计12的测量数据，并对该测量数据进行处理，采集设备为金属采集桶，服务器为远程服务器。如图4所示，在该具体实施例中，固定装置包括探头固定架17、探头固定座11、第一固定柱16以及第二固定柱10，第一固定柱16、第二固定柱10两者互相垂直，且探头固定架17设置于第二固定柱10上，探头固定座11设置于探头固定架17下方，用于安装激光雪深度计12，且金属采集桶为积雪桶13，通过设置于积雪桶13底部的积雪桶底座14设置到底板15上，且底板15也垂直于第一固定柱16，与第二固定柱10平行。

在具体的使用过程中，固定装置用于将激光雪深度计12固定至采集设备的正上方。

在具体实施例中，激光雪深度计12包括激光距离测量传感器3和温度测量模块，两者均安装在激光雪深度计12的外壳中，均与中控模块相连接，且中控模块与服务器相连接，将测量的数据上传至服务器，用户通过登录该服务器，从而获取该服务器中存储的测量数据，该服务器为远程服务器。

其中，激光距离测量传感器3通过串口的方式连接到中控模块，中控模块为一微控制器MCU，设置于激光雪深度计12的主控板6上。

温度测量模块为一板载温度传感器2，通过单总线方式连接到主控板6的微控制器MCU，在一种具体实施例中，还可通过激光距离测量传感器3自带的温度检测单元辅助进行温度采集，通过该激光距离测量传感器3获取温度值，此时，微控制器MCU通过串口读取温度值(激光距离测量传感器3通过串口连接至中控模块)。

实际上，激光雪深度计12还包括远程连接接口，该远程连接接口为RS485接口，且中控模块通过RS485接口连接以太网转换模块，而以太网转换模块通过TCP连接方式连接至远程服务器。

<雪深度测量的方法>

实现雪深度测量的方法包括以下步骤：

(1)、安装激光雪深度测量系统；

(2)、对激光雪深度测量系统中的激光雪深度计12进行初始化；

(3)、用户控制激光雪深度计12进行相应测量。

实际上，激光雪深度测量系统包括服务器以及采集设备，服务器为远程服务器，采集设备为金属采集桶；激光雪深度测量系统还包括固定装置，用于将激光雪深度计12固定至采集设备的正上方。

其中，步骤(1)包括：

(1.1)、水平安装采集设备；

(1.2)、安装固定装置；

(1.3)、通过步骤(1.2)中安装好的固定装置，将激光雪深度计12安装至采集设备的正上方；

(1.4)、将激光雪深度计12的远程连接接口连接至服务器。

其中，步骤(2)为：激光雪深度计12包括中控模块与激光距离测量传感器3，激光雪深度计12通过激光距离测量传感器3探测激光雪深度测量系统中采集设备的初始深度，并将该初始深度上传至激光雪深度测量系统中的服务器。

激光雪深度计12需要配备使用金属采集桶来采集雪，且激光雪深度计12垂直向下固定于金属采集桶上方的固定装置中，在首次测量前，记录该激光雪深度计12的镜头距离金属采集桶底部的高度，并将该数据上传至服务器。

其中，步骤(3)包括：

(3.1)、当激光雪深度计12连接到服务器后，用户通过服务器向该激光雪深度计12下发测量指令；

(3.2)、激光雪深度计12获取该测量指令后，并根据该测量指令进行测量距离数据和温度数据；

(3.3)、激光雪深度计12将上述的距离数据和温度数据以特定的协议打包为一组数据，并将其发送至服务器。

激光雪深度计12还包括温度测量模块，温度测量模块也与中控模块相连接，用于测量该激光雪深度计12所处的环境温度。

其中，测量指令包括雪深度测量指令和温度测量指令，且

测量指令包括雪深度测量指令时，步骤(3.2)为：

激光雪深度计12获取该测量指令，并根据该测量指令，通过激光距离测量传感器3进行相应测量，获取雪深度数值，即距离数据。

在一种具体实施例中，激光距离测量传感器3运用光学中的三角测距原理进行距离测量。

三角测距原理概述：激光距离测量传感器3内部设置有红外发射装置，红外发射装置按照一定的角度发射红外光束，光束遇到被测物体后将会反射回来，反射回来的光线被激光距离测量传感器3检测并获取一个偏移量。进而可以计算出激光器到物体的距离。

测量指令包括温度测量指令时，步骤(3.2)为：

激光雪深度计12获取该测量指令，并根据该测量指令，通过温度测量模块进行相应测量，获取温度数值，即温度数据。

实际上，步骤(3)中获取的相应测量的数据大于一种时，激光雪深度计12通过中控模块对待上传的数据进行打包后再上传至服务器。

中控模块根据激光距离测量传感器3获取的采集设备内雪平面的距离数值，以及采集设备的初始深度(安装时配置)，获取雪深度数值，具体为：

雪深度数值＝|距离数值‐初始深度|。

在一种具体实施例中，中控模块测量距离数值的工作原理如下：

微控制器MCU采用STM32，通过串口方式与激光距离测量传感器3连接，在测量中，首先，微控制器MCU对激光距离测量传感器发送“开始测量”的指令，等待1s后，激光距离测量传感器3发送本次测量的距离数值给微控制器MCU，微控制器MCU将该距离数值转换为浮点类型的数据保存到片内制定内存空间。

在一种具体实施例中，如图2所示，该激光雪深度计12具有以下需求结构：

温度采集、雪深度测量、远程通信及实时系统。其中，远程通信包括雪深度遥测和温度遥测，实时系统包括通信线程、守护线程和数据处理，而数据处理包括雪深度处理和温度处理。对应的功能如表1所示：

表1激光雪深度计的功能性需求

功能名称	优先级	简要描述
			温度采集	高	对环境温度进行测量
雪深度测量	高	雪深度测量
			远程通信	高	连接远程服务器
雪深度遥测	中	雪深度数据发送给服务器
			温度遥测	中	温度数据发送给服务器
实时系统	高	实时系统运行环境
			通信线程	中	通信协议的实现
守护线程	中	硬件驱动、看门狗等实现
			雪深度处理	低	对采集的雪深度的数据进行处理
温度处理	低	对采集的温度的数据进行处理

而温度采集如下：

(1)、功能描述：对环境温度进行测量，利用温度测量模块对该温度测量模块所处环境进行温度测量；

(2)、输入项：环境温度；

(3)、处理描述：使用温度测量模块进行温度测量，并对测量数据进行数据处理，保存至指定的内存空间；

(4)、输出项：当前温度数值。

而雪深度测量如下：

(1)、功能描述：对雪深度进行测量，利用激光距离测量传感器对雪深度进行测量；

(2)、输入项：积雪深度；

(3)、处理描述：使用激光距离测量传感器进行深度测量，并对测量数据进行数据处理，保存至指定的内存空间；

(4)、输出项：当前深度数值。

在具体实施例中，温度采集和雪深度测量所得的数据存储到的指定的内存空间可由用户自行设定。

而远程通信如下：

(1)、功能描述：通过RS485接口连接远程服务器，处理远程服务器发送的指令，并回复数据信息；

(2)、输入项：远程服务器指令；

(3)、处理描述：接收到远程服务器指令后，中控模块根据不同的指令完成对应的通信工作；且支持PC检测软件、远程检测平台和移动云检测；

(4)、输出项：待回复数据。

而雪深度遥测如下：

(1)、功能描述：服务器远程监测雪深度；

(2)、输入项：处理后的雪深度数据；

(3)、处理描述：接收数据、保存数据。

而温度遥测如下：

(1)、功能描述：服务器远程遥测温度；

(2)、输入项：处理后的温度数据；

(3)、处理描述：接收数据、保存数据。

而实时系统如下：

(1)、功能描述：运行FreeRtos系统；

(2)、处理描述：设备(激光距离测量传感器等)的驱动、相关数据的处理以及协议处理等。

而通信线程如下：

(1)、功能描述：用于实现收发数据和对数据的打包处理；

(2)、处理描述：接收RS485接口传输的数据，根据相应的通信协议运行指定的处理线程；

(3)、输出项：消息队列。

而守护线程如下：

(1)、功能描述：硬件驱动，以及实现看门狗等；

(2)、处理描述：守护线程、定时喂看门狗、硬件驱动、硬件错误处理以及通信错误处理。

而雪深度处理如下：

(1)、功能描述：对采集的雪深度的数据进行处理；

(2)、输入项：测量获取的雪深度数据；

(3)、处理描述：对雪深度数据进行处理，判定数据的有效性和进行数据的单位转换；

(4)、输出项：待打包的雪深度数据。

而温度处理如下：

(1)、功能描述：对采集的温度进行处理；

(2)、输入项：测量获取的温度数据；

(3)、处理描述：对温度数据进行处理，判定数据的有效性，并进行温度数据的数值转换；

(4)、输出项：待打包的温度数据。

为了经受恶劣的环境和环境监测需要，该激光雪深度计12的外壳采用全防水防爆构造，适合于各种严酷的环境(如耐低温)，内置激光距离测量传感器，测量范围在0.02到50m之间，精度为±1mm。

在一种具体实施例中，该激光雪深度计12具有五根外部接线，分别为黄线、红线、蓝线、绿线和屏蔽线，其接线方式表2所示：

表2激光雪深度计中的连线

激光雪深度计12在生产验收时应当先对整体进行检查，查看有无损坏之处，若完好，则对该激光雪深度计12供电，且供电电压为直流12V。在具体实施例中，使用专用电脑软件对激光雪深度计12进行测试，在测量过程中，激光探头发射红光且伴随有蜂鸣器短促“滴”声(微弱)出现，1s内有数据回复，且有效数据均不为0。

在具体实施例中，激光雪深度计12还配置有固定架，并通过该固定架进行安装。

需要注意的是，该激光雪深度计12的采集精度和灵敏度高，虽然设计时已经做了屏蔽处理，但为了得到精准的测量数据，使用时应远离电噪源，如动力线、发电机、电机、变压器和弧焊机等，并可根据需要选择适合的滤波器，且该激光雪深度计12的电缆的连接加长可使用专用接头。

且该激光雪深度计12的每条通道都自带防雷保护功能，若使用其他厂商的仪器进行读数，则必须平时即将电缆良好接地，或连接与用于读数的其他厂商的仪器配套的浪涌避雷器。

该激光雪深度计12的主要技术指标如下：

标准量程：0.02‐50m、测量精度：±1mm、测量时间：1s、耐冲击：2000g、供电电压：DC12V、测温量程：‐40～85℃、测温精度：0.5℃、通信接口：RS485，通信距离大于1000米、波特率：9600bps、供电电压：DC 9～36V、电流：＜500mA、功耗：＜6W。

在一种具体的实施例中，采集桶的高度L＝600mm，采集桶的直径n＝600mm，采集桶的板材的厚度δ＝8mm。

工作环境需求：

温度：‐35～+40℃、湿度：≤80％、大气压力：70～l06kPa。

运输和存储环境：

温度：‐40～+55℃、湿度：≤93％、大气压力：50～l06kPa，优选为70～106kPa。

如果激光雪深度计12读数出现问题，可采取以下步骤进行问题排查：

(1)、检查激光雪深度计12的安装是否有误；

(2)、检查激光雪深度计12与采集仪之间的连线是否有问题；

(3)、检查采集仪电源是否有问题，如电源供电过大，请查看是否是电源过载，烧坏激光雪深度计12；

(4)、如果软件波形读数出现有规律的干扰，则检查采集仪器和激光雪深度计12是否远离电噪声源。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光雪深度计，其特征在于：其包括相互连接的激光距离测量传感器和中控模块，其中，所述激光距离测量传感器用于测量雪深度，获取测量数值，所述中控模块用于处理测量数值，并控制所述激光距离测量传感器。

2.根据权利要求1所述的激光雪深度计，其特征在于：其还包括远程连接接口，所述远程连接接口与所述中控模块相连接；和/或，

其还包括温度测量模块，所述温度测量模块也与所述中控模块相连接，用于测量该激光雪深度计所处的环境温度；和/或，

所述中控模块为微控制器MCU。

3.一种具有权利要求1或2所述的激光雪深度计的激光雪深度测量系统，包括激光雪深度计，其特征在于：其还包括采集设备以及服务器，所述采集设备用于对雪进行采集，所述服务器与所述激光雪深度计相连接，获取所述激光雪深度计的测量数据，并对该测量数据进行处理，所述采集设备为金属采集桶，所述服务器为远程服务器；和/或，

其还包括固定装置，用于将所述激光雪深度计固定至所述采集设备的正上方；和/或，

所述激光雪深度计还包括远程连接接口，所述远程连接接口与所述中控模块相连接，且所述激光雪深度计通过所述远程连接接口连接至所述服务器。

4.一种基于权利要求3所述的激光雪深度测量系统实现雪深度测量的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

(1)、安装激光雪深度测量系统；

(2)、对所述激光雪深度测量系统中的激光雪深度计进行初始化；

(3)、用户控制所述激光雪深度计进行相应测量。

5.根据权利要求4所述的实现雪深度测量的方法，其特征在于：所述激光雪深度测量系统包括服务器以及采集设备，所述服务器为远程服务器，所述采集设备为金属采集桶；所述激光雪深度测量系统还包括固定装置，用于将所述激光雪深度计固定至所述采集设备的正上方，所述步骤(1)包括：

(1.1)、水平安装所述采集设备；

(1.2)、安装所述固定装置；

(1.3)、通过步骤(1.2)中安装好所述固定装置，将所述激光雪深度计安装至所述采集设备的正上方；

(1.4)、将激光雪深度计的远程连接接口连接至所述服务器。

6.根据权利要求4所述的实现雪深度测量的方法，其特征在于：所述步骤(2)为：

所述激光雪深度计包括中控模块与激光距离测量传感器，所述激光雪深度计通过所述激光距离测量传感器探测所述激光雪深度测量系统中采集设备的初始深度，并将该初始深度上传至所述激光雪深度测量系统中的服务器。

7.根据权利要求4所述的实现雪深度测量的方法，其特征在于：所述步骤(3)包括：

(3.1)、用户通过服务器向所述激光雪深度计下发测量指令；

(3.2)、所述激光雪深度计获取该测量指令，并根据该测量指令进行相应测量；

(3.3)、所述激光雪深度计得到相应测量数据，并将其上传至所述服务器。

8.根据权利要求6或7所述的实现雪深度测量的方法，其特征在于：所述激光雪深度计还包括温度测量模块，所述温度测量模块也与所述中控模块相连接，用于测量该激光雪深度计所处的环境温度，所述测量指令包括雪深度测量指令和温度测量指令，且

所述测量指令包括雪深度测量指令时，所述步骤(3.2)为：

所述激光雪深度计获取该测量指令，并根据该测量指令，通过所述激光距离测量传感器进行相应测量，获取雪深度数值；

所述测量指令包括温度测量指令时，所述步骤(3.2)为：

所述激光雪深度计获取该测量指令，并根据该测量指令，通过所述温度测量模块进行相应测量，获取温度数值。

9.根据权利要求4或6所述的实现雪深度测量的方法，其特征在于：所述步骤(3)中获取的相应测量的数据大于一种时，所述激光雪深度计通过中控模块对待上传的数据进行打包后再上传至所述激光雪深度测量系统中的服务器。

10.根据权利要求5或6所述的实现雪深度测量的方法，其特征在于：所述中控模块根据所述激光距离测量传感器获取的采集设备内雪平面的距离数值，以及采集设备的初始深度，获取雪深度数值，具体为：

雪深度数值＝|距离数值‐初始深度|。