CN109410546A - 用于长期应变监测的NB-IoT无线传感器及传感方法 - Google Patents

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吴刚
蒋剑彪
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Abstract

本发明公开了用于长期应变监测的NB‑IoT无线传感器，包括电阻式应变片和应变温度补偿片，电阻式应变片和应变温度补偿片分别将采集到的信号发送给应变信号放大模块，应变信号放大模块对信号进行放大和A/D转换后发送给核心板，核心板与NB‑IoT模块进行通信，NB‑IoT模块与云端服务器进行通信。本发明解决了有线应变采集设备成本高、布线困难，现场安装难度大等问题，通过低成本、低功耗、高精度方式，实现了基础设施应变数据的长期、实时监测。

Description

用于长期应变监测的NB-IoT无线传感器及传感方法
技术领域
本发明涉及NB-IoT无线传感技术，特别是涉及NB-IoT无线传感器和传感方法。
背景技术
当前大部分应变数据以有线传输为主，其中电阻式即应变电桥原理占绝大部分，其具有高精度、高灵敏度等特点，但是传输距离有限，现场位移传感器布线困难，更重要的是，若对桥梁、建筑物等基础设施集群应变进行长期监测，每个桥梁或建筑物均应放置相应的采集设备，将带来极高的安装成本和后期维护成本。桥梁等供电条件不足的环境下，有线采集设备更是难以维持正常工作。
采用无线技术有利于集群、大规模布设位移传感器，且方便数据集中管理。当前无线技术多样，但大部分存在高功耗问题，桥梁等基础设施现场环境复杂，供电困难，高功耗无线传输技术如WiFi，ZigBee，4G等难以满足长期使用要求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种低成本、低功耗的用于长期应变监测的NB-IoT无线传感器及传感方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的用于长期应变监测的NB-IoT无线传感器，包括电阻式应变片和应变温度补偿片，电阻式应变片和应变温度补偿片分别将采集到的信号发送给应变信号放大模块，应变信号放大模块对信号进行放大和A/D转换后发送给核心板，核心板与NB-IoT模块进行通信，NB-IoT模块与云端服务器进行通信。
进一步，还包括为核心板和应变信号放大模块供电的供能模块。
进一步，所述供能模块包括锂电池。
进一步，所述核心板采用MSP430核心板。
进一步，所述电阻式应变片采用BX120-50AA混凝土应变计。
采用本发明所述的用于长期应变监测的NB-IoT无线传感器的传感方法，包括以下步骤：
S1：电阻式应变片和应变温度补偿片分别将采集到的信号发送给应变信号放大模块；
S2：应变信号放大模块对信号进行放大和A/D转换，然后将信号发送给核心板；
S3：核心板合成AT指令并发送给NB-IoT模块；
S4：NB-IoT模块收到AT指令后，执行网络寻找与注册，建立UDP协议连接，传输信号至指定的IP；
S5：云端服务器对接收到的信号进行解析并实时存储到指定的数据库表中。
有益效果：本发明公开了一种用于长期应变监测的NB-IoT无线传感器及传感方法，解决了有线应变采集设备成本高、布线困难，现场安装难度大等问题，通过低成本、低功耗、高精度方式，实现了基础设施应变数据的长期、实时监测。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中NB-IoT无线传感器的示意图；
图2为本发明具体实施方式中传感方法的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种用于长期应变监测的NB-IoT无线传感器，如图1所示，包括电阻式应变片和应变温度补偿片，电阻式应变片和应变温度补偿片分别将采集到的信号发送给应变信号放大模块，应变信号放大模块对信号进行放大和A/D转换后发送给核心板，核心板与NB-IoT模块进行通信，NB-IoT模块与云端服务器进行通信。还包括为核心板和应变信号放大模块供电的供能模块。
各部分介绍如下：
(1)供能模块
采用锂电池提供3.7V标准电压为核心板和应变信号放大模块供电。
(2)电阻式应变片
采用BX120-50AA混凝土应变计，电阻值为120±1Ω，供电电压3-10V，灵敏系数2.0±1％，适用温度为-10℃～60℃，具有输出灵敏度高，线性好，体积小等特点，应变温度补偿片与上述特征一致。
(3)核心板
采用MSP430F5438A低功耗处理器芯片，具有三个16位定时器、一个高性能12位ADC、多达四个通用串行通信接口(USCI)、一个硬件乘法器、DMA、具有报警功能的RTC模块和87个I/O引脚。核心板包括电源开关、DC12V输入、串口通信。扩展接口支持I2C，保证核心板与NB-IoT模块正常通信。该核心板主要实现低功耗数据存储，控制电阻式应变片和应变温度补偿片的采集频率，AT指令通信与串口调试功能。通过编译C语言单片机程序，设定接收电阻式应变片和应变温度补偿片数据频率，通过单片机内部时钟确定是否接收电阻式应变片和应变温度补偿片数据；编译C语言程序生成AT指令并发送至NB-IoT模块。
(4)NB-IoT模块
采用BC95-B20频段为850MHz模块，管脚数量为94，供电电压3.1V～4.2V，典型值3.8V，工作温度为-40℃～+85℃，采用AT指令控制，以UDP协议传输数据。该模块接收核心板AT指令后，执行网络寻找与注册，建立UDP协议连接，传输传感数据至指定IP、端口。该模块主要AT指令包括：“AT+CFUN＝1”设定工作模式，“AT+CGDCONT＝1,”IP”,”APN””设定入网方式，“AT+CGATT＝1”附着网络，“AT+CSQ”查询信号强度，“AT+CEREG？”查询注册网络状态，通过“AT+NSOCR”向指定公网IP发送16进制数据。
(5)云端服务器
使用Python编写UDP协议接口程序，使用socket库建立8082端口接收程序，接收无线数据，按照ID标识解析数据，使用MangoDB实时存储数据至指定数据库表中。
本具体实施方式还公开了采用NB-IoT无线传感器的传感方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1：电阻式应变片和应变温度补偿片分别将采集到的信号发送给应变信号放大模块；
S2：应变信号放大模块对信号进行放大和A/D转换，然后将信号发送给核心板；
S3：核心板合成AT指令并发送给NB-IoT模块；
S4：NB-IoT模块收到AT指令后，执行网络寻找与注册，建立UDP协议连接，传输信号至指定的IP；
S5：云端服务器对接收到的信号进行解析并实时存储到指定的数据库表中。

Claims (6)

1.用于长期应变监测的NB-IoT无线传感器，其特征在于：包括电阻式应变片和应变温度补偿片，电阻式应变片和应变温度补偿片分别将采集到的信号发送给应变信号放大模块，应变信号放大模块对信号进行放大和A/D转换后发送给核心板，核心板与NB-IoT模块进行通信，NB-IoT模块与云端服务器进行通信。
2.根据权利要求1所述的用于长期应变监测的NB-IoT无线传感器，其特征在于：还包括为核心板和应变信号放大模块供电的供能模块。
3.根据权利要求2所述的用于长期应变监测的NB-IoT无线传感器，其特征在于：所述供能模块包括锂电池。
4.根据权利要求1所述的用于长期应变监测的NB-IoT无线传感器，其特征在于：所述核心板采用MSP430核心板。
5.根据权利要求1所述的用于长期应变监测的NB-IoT无线传感器，其特征在于：所述电阻式应变片采用BX120-50AA混凝土应变计。
6.采用根据权利要求1所述的用于长期应变监测的NB-IoT无线传感器的传感方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：电阻式应变片和应变温度补偿片分别将采集到的信号发送给应变信号放大模块；
S2：应变信号放大模块对信号进行放大和A/D转换，然后将信号发送给核心板；
S3：核心板合成AT指令并发送给NB-IoT模块；
S4：NB-IoT模块收到AT指令后，执行网络寻找与注册，建立UDP协议连接，传输信号至指定的IP；
S5：云端服务器对接收到的信号进行解析并实时存储到指定的数据库表中。
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