CN110531691A - 基于lora物联网的堤坝监测终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LORA物联网的堤坝监测终端，其包括传感器、中控模块、LORA通信模块；其中所述传感器，用于检测堤坝的水压和/或渗压;所述中控模块，用于收集传感器所采集的堤坝参数、对堤坝监测终端进行控制、并通过所述LORA通信模块与远方的上位机进行无线通信；本发明采用LORA、NB‑IOT、3G/4G/5G无线通信，设备选点方便，无需布线，有效减少了施工及后期维护成本，同时多种通信方式兼容，在任何场景下自由切换；集控网关通信接口丰富，支持多样组网模式；系统支持气压修正算法，有效提升了数据采集精度；支持蓝牙APP/PC无线调试和设置，方便系统维护；采用低功耗设计，可持续供电≥5年。
Description
技术领域
本发明涉及监测设备，尤其涉及一种使用LORA物联网技术应用堤坝参数测量，为水库大坝、桥梁、隧道轨道交通、边坡、尾矿库、基坑建筑等工程业界提供一站式分布式安全监测终端。
背景技术
当前，水安全和水危机已经成为制约我国社会和经济发展的突出因素。水库工程对下游乡镇防洪和灌溉意义重大，在促进当地经济发展中，发挥了巨大作用，地位极其重要。大坝建成蓄水后，由于库水位作用，导致坝体、坝基和坝肩出现渗流现象，这对大坝安全是不利的，但又难以避免。对大坝渗流进行有效的监测，对大坝安全防范将起到重要作用。根据国外资料统计，由于大坝渗流问题引起的失事的工程占失事总数的40.5%。我国水利部也对建国20年来全国241座大型水库先后发生的1000宗工程事故进行过程整理分析，其中渗流事故317宗，占事故总数的31.7%。可见渗流异常是大坝事故的重要原因。
随着我国水利建设事业的不断的发展，大坝安全问题受到了越来越多的重视。现存的大坝安全监测系统多是有线的系统。它们还存在很多的问题，例如：监测测点不能随便选择，布置不灵活，布线工程繁琐，防雷防鼠很困难，线路维护困难，线路分布参数变化影响测量精度等等。
因此，如何设计一种基于无线通信形式的堤坝物联网监测终端是业内亟需解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种基于LORA物联网的堤坝监测终端.
本发明采用的技术方案是设计一种基于LORA物联网的堤坝监测终端，其包括传感器、中控模块、LORA通信模块；其中所述传感器，用于检测堤坝的水压和/或渗压;所述中控模块，用于收集传感器所采集的堤坝参数、对堤坝监测终端进行控制、并通过所述LORA通信模块与远方的上位机进行无线通信。
所述中控模块通过振弦信号激励模块向所述传感器发送激励信号，通过监测信号采集模块接收所述传感器发回的传感信号。
所述振弦信号激励模块包括依次串联的激励信号发生电路和第一信号放大电路；所述监测信号采集模块包括依次串联的第二信号放大电路、滤波电路；所述第一信号放大电路由12V升压电路供电；所述第二信号放大电路和滤波电路由5V升压电路供电。
所述堤坝监测终端还包括NB-IOT通信模块和3G/4G/5G通信模块；所述中控模块通过NB-IOT通信模块和3G/4G/5G通信模块与远方的上位机进行无线通信。
所述中控模块连接RS232通信模块、RS485通信模块、蓝牙通信模块和USB通信模块。
所述中控模块连接气压监测模块、以检测堤坝监测终端所在地的气压。
所述中控模块连接存储器、蜂鸣器、运行指示灯。
所述中控模块连接电流电压模拟量输入模块。
所述中控模块连接干簧管磁感应唤醒模块和RTC唤醒模块。
所述堤坝监测终端还包括电源管理模块，所述电源管理模块包括蓄电池和连接蓄电池的第一至第四电源开关，所述中控模块控制第一至四电源开关的通断，所述第一电源开关向气压监测模块、存储器供电，所述第二电源开关向振弦信号激励模块和监测信号采集模块供电，所述第三电源开关向蓝牙通信模块和USB通信模块供电，所述第四电源开关向LORA通信模块、NB-IOT通信模块和3G/4G/5G通信模块供电。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
本发明采用LORA、NB-IOT、3G/4G/5G无线通信，设备选点方便，无需布线，有效减少了施工及后期维护成本，同时多种通信方式兼容，在任何场景下自由切换；集控网关通信接口丰富，支持多样组网模式；系统支持气压修正算法，有效提升了数据采集精度；支持蓝牙APP/PC无线调试和设置，方便系统维护；采用低功耗设计，可持续供电≥5年。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是本发明较佳实施例电路功能组成框图；
图2是本发明较佳实施例功耗管理结构图；
图3是本发明较佳实施例信号采集电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明公开了一种基于LORA物联网的堤坝监测终端，参看图1示出的较佳实施例电路功能组成框图，其包括传感器、中控模块、LORA通信模块；其中所述传感器，用于检测堤坝的水压和/或渗压;所述中控模块，用于收集传感器所采集的堤坝参数、对堤坝监测终端进行控制、并通过所述LORA通信模块与远方的上位机进行无线通信。
LORA是一种低功耗局域网无线标准，它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。传输距离：城镇可达2-5 Km ， 郊区可达15 Km 。工作频率：ISM频段 包括433、868、915 MH等。容量：一个LORA网关可以连接上千上万个LORA节点。数据速率：0.3-50kbps。LORA通讯频段是：410-525Mhz，涵盖了国际上免费的频段。本发明公开的堤坝监测终端将监测到的堤坝参数通过LORA物联网向远端的上位机发送，并接收上位机的控制解决了现有技术中的诸多缺陷，例如：监测测点不能随便选择，布置不灵活，布线工程繁琐，防雷防鼠很困难，线路维护困难，线路分布参数变化影响测量精度等等。基于LORA传输的分布式堤坝物联网采集系统可有效解决有线监测的相关问题。
在较佳实施例中，传感器采用振弦式传感器。所述中控模块通过振弦信号激励模块向所述传感器发送激励信号，通过监测信号采集模块接收所述传感器发回的传感信号。参看图3示出的信号采集电路示意图，所述振弦信号激励模块包括依次串联的激励信号发生电路和第一信号放大电路；激励信号发生电路发出频率范围为300～6000Hz的PWM激励信号，然后经过第一信号放大电路放大激励信号，最后送给传感器。所述监测信号采集模块包括依次串联的第二信号放大电路、滤波电路；由传感器传回的信号为方波信号，其频率亦为300～6000Hz，该信号经过第二信号放大电路的放大，再经过滤波电路的滤波，最后送到中控模块，即可获悉堤坝的水压和渗流参数。所述第一信号放大电路由12V升压电路供电；所述第二信号放大电路和滤波电路由5V升压电路供电。
为丰富扩展本发明的通信方式，在较佳实施例中，所述堤坝监测终端还包括NB-IOT通信模块和3G/4G/5G通信模块；所述中控模块通过NB-IOT通信模块和3G/4G/5G通信模块与远方的上位机进行无线通信。
在较佳实施例中，所述中控模块连接RS232通信模块、RS485通信模块、蓝牙通信模块和USB通信模块。可以通过RS232通信和RS485通信模块远方上午机进行有线通信，还可以通过蓝牙通信模块和USB通信模块进行近距离的通信、检视和控制。在较佳实施例中，通信方式可以选择，一次只用一种，可根据实际需要进行选择。
在较佳实施例中，所述中控模块连接气压监测模块、以检测堤坝监测终端所在地的气压。所述中控模块连接存储器、蜂鸣器、运行指示灯。
所述传感器传输回来中控模块的信号是方波信号，为扩展本发明的所能采集信号的类型，在较佳实施例中，所述中控模块连接电流电压模拟量输入模块。模拟类的检测信号，可以通过电流电压模拟量输入模块输入到中控模块。如此，可极大方便用户选用各种传感设备。
为降低能耗，堤坝监测终端设有低功耗休眠模式，所述中控模块连接干簧管磁感应唤醒模块和RTC唤醒模块，唤醒模块发出唤醒信号，可以将中控模块由低功耗休眠模式中唤醒。RTC唤醒属于定时唤醒，用于产品主动采集信号和主动数据通信。干簧管磁感应唤醒属于手动唤醒，通过磁铁靠近干簧管磁感应唤醒模块中的干簧管，干簧管动作，从而唤醒中控模块。采用磁感应方式唤醒设备的优点为免拆状壳，同时不影响产品的防水设计和安装。
参看图2示出的焦炯实施例，堤坝监测终端还包括电源管理模块，所述电源管理模块包括蓄电池和连接蓄电池的第一至第四电源开关，所述中控模块控制第一至四电源开关的通断，所述第一电源开关向气压监测模块、存储器供电，所述第二电源开关向振弦信号激励模块和监测信号采集模块供电，所述第三电源开关向蓝牙通信模块和USB通信模块供电，所述第四电源开关向LORA通信模块、NB-IOT通信模块和3G/4G/5G通信模块供电。
堤坝监测终端的工作状态分为：低功耗休眠状态，信号采集状态，数据通信状态。工作状态的变化顺序为：低功耗休眠状态->信号采集状态->数据通信状态->低功耗休眠状态。堤坝监测终端运维时，信号采集和数据通信将可能同时启用。
1）低功耗休眠状态：第一至四电源开关都关断，此为堤坝监测终端的常态，占产品整个使用过程中98%以上的时间。
2）信号采集状态：第一和第二电源开关导通，第三和第四电源开关关断。信号采集时，需要对传感器进行供电，因此其整体功耗无法明确数值，如果不考虑对外电能消耗，产品此时的功耗在采集振弦传感器时功耗大约40mA/3.6V，持续时间小于5秒。4～20mA和1～5V信号时，功耗大约10mA，持续时间需要考虑传感器的稳定时间。
3）数据通信状态：第一至第三电源开关关断，第四电源开关导通。工作电流由通信方式确定，采用LORA通信时，接收电流45mA左右，发送电流150mA左右（持续时间小于0.5秒），在服务器响应及时的情况下，维持时间大约5秒。采用NB-IOT和2G/3G/4G通信时，工作电流和工作时间受当时产品所处环境的基站信号质量影响，无法得到明确的数值，一般持续NB-IOT和2G时工作电流在50mA左右。3G和4G在100mA左右。发送瞬间电流不定。
4）维护状态：非堤坝监测终端的常态状态，此时4个模块均可在供电状态。
以上实施例仅为举例说明，非起限制作用。任何未脱离本申请精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于本申请的权利要求范围之中。
Claims (10)
1.一种基于LORA物联网的堤坝监测终端，其特征在于：包括传感器、中控模块、LORA通信模块；其中
所述传感器，用于检测堤坝的水压和/或渗压;
所述中控模块，用于收集传感器所采集的堤坝参数、对堤坝监测终端进行控制、并通过所述LORA通信模块与远方的上位机进行无线通信。
2.如权利要求1所述的基于LORA物联网的堤坝监测终端，其特征在于：所述中控模块通过振弦信号激励模块向所述传感器发送激励信号，通过监测信号采集模块接收所述传感器发回的传感信号。
3.如权利要求2所述的基于LORA物联网的堤坝监测终端，其特征在于：所述振弦信号激励模块包括依次串联的激励信号发生电路和第一信号放大电路；所述监测信号采集模块包括依次串联的第二信号放大电路、滤波电路；所述第一信号放大电路由12V升压电路供电；所述第二信号放大电路和滤波电路由5V升压电路供电。
4.如权利要求3所述的基于LORA物联网的堤坝监测终端，其特征在于：还包括NB-IOT通信模块和3G/4G/5G通信模块；所述中控模块通过NB-IOT通信模块和3G/4G/5G通信模块与远方的上位机进行无线通信。
5.如权利要求4所述的基于LORA物联网的堤坝监测终端，其特征在于：所述中控模块连接RS232通信模块、RS485通信模块、蓝牙通信模块和USB通信模块。
6.如权利要求5所述的基于LORA物联网的堤坝监测终端，其特征在于：所述中控模块连接气压监测模块、以检测堤坝监测终端所在地的气压。
7.如权利要求6所述的基于LORA物联网的堤坝监测终端，其特征在于：所述中控模块连接存储器、蜂鸣器、运行指示灯。
8.如权利要求7所述的基于LORA物联网的堤坝监测终端，其特征在于：所述中控模块连接电流电压模拟量输入模块。
9.如权利要求8所述的基于LORA物联网的堤坝监测终端，其特征在于：所述中控模块连接干簧管磁感应唤醒模块和RTC唤醒模块。
10.如权利要求9所述的基于LORA物联网的堤坝监测终端，其特征在于：还包括电源管理模块，所述电源管理模块包括蓄电池和连接蓄电池的第一至第四电源开关，所述中控模块控制第一至四电源开关的通断，所述第一电源开关向气压监测模块、存储器供电，所述第二电源开关向振弦信号激励模块和监测信号采集模块供电，所述第三电源开关向蓝牙通信模块和USB通信模块供电，所述第四电源开关向LORA通信模块、NB-IOT通信模块和3G/4G/5G通信模块供电。
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