CN110830949A - 基于4g/5g的北斗同步高速实时无线传感器采集系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统及方法，传感器向FPGA芯片组发送传感器检测信息；北斗校时模块通过触发/电源模块向供电/通信复合模块发送校时信息；触发/电源模块还向供电/通信复合模块发送触发信息；供电/通信复合模块给FPGA芯片组进行供电并分离出校时信息和触发信息发送至FPGA芯片组；4G/5G通信模块用于将触发数据以生产简报的方式实时上报至云端，并将检测信息的超限数据以生产简报的方式上报至云端。本发明可以保证若干传感器的校时以及独立运行，且无需进行大量线缆的铺设，易于系统的维护，符合抢险任务的传感器数据采集同步性和高精度要求。

Description

基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统及方法
技术领域
本发明属于无线传感器技术领域，涉及一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统及方法。
背景技术
当前国内市场上使用的无线传感器，都是基于ZigBee、lora、FM、2G、NB-IOT等，这些传感器均只能实现小数据低功耗静态采集发送，同步性、时序、数据量均不能满足未来桥梁、结构物、地质灾害等高速、同步、实时、大量数据的同步预处理采集发送要求。
目前高速动态数据采集的方案，均使用光纤或分布式传感器等加上高速数据采集终端等来实现高速动态数据的收集处理。这样需要在现场布设工控电脑、UPS、数据采集终端、网络、保温机柜、大量电缆、大量线缆保护管等，线网密布，干扰大，同样不利于超高精度采集。
此种高速动态数据采集的方案安装周期较长，不能快速的布设和紧急布设抢险任务等，且布设成本相对较高。后期维护不易、不能快速诊断、更换，尤其相对于铁路桥来说天窗时间相对宝贵，需快速安装且能快速的解决某点位故障。并且各参数不能在同一时间同步采集，例如应力、温度、挠度、振动、索力、加速度、振幅、位移、裂缝等参数，无法保证数据采集的时序精度。
因此，提供一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统及方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对上述研究现状和存在的问题，提供了一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统及方法。通过供电/通信复合模块，可以保证若干传感器的校时以及独立运行，且无需进行大量线缆的铺设，易于系统的维护，符合抢险任务的传感器数据采集同步性和高精度要求。
为实现上述目的其具体方案如下：
一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统，包括传感器、FPGA芯片组、北斗校时模块、触发/电源模块、供电/通信复合模块和4G/5G通信模块；其中，
所述传感器向所述FPGA芯片组发送传感器检测信息；
所述北斗校时模块通过所述触发/电源模块向所述供电/通信复合模块发送校时信息；
所述触发/电源模块在有车辆经过时，还向所述供电/通信复合模块发送触发信息；
所述供电/通信复合模块给FPGA芯片组进行供电并分离出校时信息和触发信息发送至所述FPGA芯片组；
所述4G/5G通信模块连接所述FPGA芯片组，FPGA芯片组在收到触发信息时，4G/5G通信模块以生产简报的方式将触发信息实时上报至云端，并将所述检测信息中的超限数据以生产简报的方式上报至云端。
优选的，基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统还包括数据采集模块和信号转换模块，所述传感器依次连接所述信号转换模块和所述数据采集模块；
信号转换模块用于将传感器发送的微振信号放大、并将电流电压信号进行整形滤除干扰；
数据采集模块用于采集经信号转换后检测信息的参数数据，包括24位电流、24位电压、24位频率，以及振动加速度频谱。
优选的，基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统还包括时钟模块和存储模块，所述时钟模块和所述存储模块均连接所述FPGA芯片组；
存储模块包括参数区、触发数据缓存区和超限数据存储区；其中，触发数据缓存区用于存储所述触发/电源模块发送的触发信息，超限数据存储区用于存储传感器检测的超限数据，所述检测信息包括正常数据和超限数据；
时钟模块用于对超限数据和触发信息提供时序数据，并在所述存储模块进行有时序保存。
优选的，所述传感器、FPGA芯片组、供电/通信复合模块和4G/5G通信模块均封装于IP67防护外壳内部。所述IP67防护外壳上设置有防水的电源接口和外置天线接口。
优选的，所述触发/电源模块在车辆经过时触发，并拉高供电/通信复合模块电压，传感器触发并获取触发时刻前后固定时长的检测信息，检测信息上传至云端，其中超限数据以生产简报的方式通过4G/5G通信模块上传至云端；在车辆未经过时，所述触发/电源模块用于对不同无线传感器采集系统的所述传感器之间的校时操作，此时传感器均工作在等待状态，并以给定周期执行检测操作，若检测信息中包含超限数据，则超限数据以生产简报的方式通过4G/5G通信模块上传至云端。
优选的，基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统还包括蓝牙模块，用户终端通过蓝牙模块连接到所述FPGA芯片组，进行传感器校准、数据查看、数据导出、超限值设定、IP/端口设置、触发模式和报警方式的设置操作。
优选的，基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统还包括无线网络模块，用户终端可以通过无线WIFI或GPRS连接到所述FPGA芯片组。
本发明还提供了一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集方法，包括如下步骤：
当未有车辆经过时，触发/电源模块不触发，多个无线传感器采集系统的传感器每隔固定周期相互校时，触发/电源模块发出校时命令，令各传感器时钟同步，此时传感器均工作在等待状态，并以给定周期执行检测操作，若检测信息中包含超限数据，则超限数据以生产简报的方式通过4G/5G通信方式上传至云端；
当有车辆经过时，触发/电源模块发出触发信息，将供电/通信复合模块电压升高至工作电压，传感器触发并获取触发时刻前后固定时长的检测信息，检测信息上传至云端，其中超限数据以生产简报的方式通过4G/5G无线方式上传至云端。
优选的，所述检测信息包括超限数据，所述传感器记录所述超限数据进行保存同时加快采集频率，传感器内部的存储器存储检测信息中的超限数据，当所述传感器连续固定次数抓捕到超限数据时，超限数据以生产简报的方式实时上报云端，云端进行实时判断和处理。
优选的，传感器发送的检测信息经过信号转换后，进行预处理，之后生成所述生产简报，通过无线网络发送至用户终端；预处理包括FFT和信号过滤，无线网络包括WIFI网络和4G/5G网络，所述无线网络包括蓝牙，以及4G/5G网络。
优选的，所述生产简报采用ASCII字符形式并加以排序，包括项目名称、坐标、采集时间、传感器类型、传感器编号、当前电源电压、当前温度、数据值以及CRC校验码。
本发明相较现有技术具有以下有益效果：
本发明每个传感器独立运行、无需工控机、UPS、恒温机柜等，可高速且有效的布设系统，且相互之间无数据干扰，极其易于维护。系统均采用12-24V直流供电，不会干扰铁路通讯系统。每个传感器均可匀称控制，传感器之间只需供应一个两线的触发电源，减少动态数据采集系统80%的传感器线缆铺设，减少70%的施工周期和人工成本，减少40%的系统费用，减少50%的系统体积。易操作易安装，其同步性、时序、数据量均能够满足未来桥梁、结构物、地质灾害等高速、同步、实时、大量数据的同步预处理采集发送要求，便于后期批量化布设，进行抢险任务的实施，对于维护和布设工人的技术水平要求较低。并且保证在同一时间同步采集传感器数据，确保数据采集的时序精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统的框架图；
图2附图为本发明一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1，为一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统框架图，包括传感器，FPGA芯片组、北斗校时模块、触发/电源模块、供电/通信复合模块、4G/5G通信模块；传感器向FPGA芯片组发送传感器检测信息；北斗校时模块通过触发/电源模块向供电/通信复合模块发送校时信息；触发/电源模块还向供电/通信复合模块发送触发信息；供电/通信复合模块给FPGA芯片组进行供电并分离出校时信息和触发信息发送至FPGA芯片组；4G/5G通信模块连接FPGA芯片组，FPGA芯片组在收到触发信息时，4G/5G通信模块以生产简报的方式将触发信息实时上报至云端，并将检测信息中的超限数据以生产简报的方式上报至云端。其中，需要进一步说明的是，
北斗校时模块：用于时间同步与校准和地图坐标定位功能、GIS地图展示，在等待车辆的过程中，每隔一定时间自动校时。
FPGA芯片组：高达600MHZ工作频率、可嵌入式系统、进行复杂运算分析过滤工作、生产相应简报。
在一个具体的实施例中，传感器依次连接信号转换模块、数据采集模块；信号转换模块用于将传感器发送的微振信号放大、电流电压信号进行整形滤除干扰；数据采集模块用于采集经信号转换后检测信息的参数数据，包括经24位AD转换器芯片得到的电流、电压、频率，还包括由振动加速度所测数值点得到的振动加速度频谱。传感器包括位移计、裂缝计、应变计、加速度计，以及检测索力、振幅、挠度、温度、温湿度、风速风向、倾角的传感器。
在一个具体的实施例中，时钟模块和存储模块均连接FPGA芯片组；存储模块采用128G数据存储器，包括参数区、触发数据缓存区和超限数据存储区；其中，触发数据缓存区用于存储触发/电源模块发送的触发信息，超限数据存储区用于存储传感器检测的超限数据，所述检测信息包括正常数据和超限数据；超限数据保存终生。时钟模块用于对超限数据和触发信息提供时序数据，并在存储模块进行有时序保存。
传感器、FPGA芯片组、供电/通信复合模块和4G/5G通信模块均封装于IP67防护外壳内部，适用于外部露天安装条件。IP67防护外壳上设置有防水的电源接口和外置的天线接口。
在一个具体的实施例中，基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统还包括蓝牙模块，用户终端通过蓝牙模块连接到FPGA芯片组，进行传感器校准、数据查看、数据导出、超限值设定、IP/端口设置、触发模式、报警方式的设置操作，用于未置IP和端口时人机交互调试设置参数、和传感器校准。
本实施例还公开了一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集方法，包括如下步骤：
当未有车辆经过时，触发/电源模块不触发，多个无线传感器采集系统的传感器每隔5分钟相互校时，触发/电源模块发出校时命令，令各传感器时钟同步，此时传感器均以给定周期正常执行检测工作，若检测信息中不包含超限数据，则检测信息存储在传感器自身的专用存储区，只存2-3分钟内的数据，存满就覆盖；若检测信息中包含超限数据，则超限数据以生产简报的方式通过4G/5G通信方式上传至云端。本实施例中可以部署多套无线传感器采集系统，多套系统中的传感器之间进行校时。
当有车辆经过时，触发/电源模块发出触发信息，触发/电源模块通过激光触发系统识别车辆经过的信号，将供电/通信复合模块电压升高至工作电压，各传感器立即响应，将触发前10秒以及触发后10秒的传感器检测信息一并上传至云端（高铁需要这一功能，由于高铁时速过快），其中超限数据以生产简报的方式通过4G/5G无线方式上传至云端。生产简报采用ASCII字符形式并加以排序，包括项目名称、坐标、采集时间、传感器类型、传感器编号、当前电源电压、当前温度、数据值以及CRC校验码，其中CRC校验码是在生产简报上传至云端过程中用于校验的字节；其中数据值为根据检测信息计算得到的数据值，包括功率、振幅因数等。
当处于极端天气（滑坡、飓风、洪水）时，且某一个环境检测数据超限时，记录超限数据进行保存同时加快采集频率，例如，等待状态的采集频率为50hz，加快后达到2khz；传感器内部的存储器存储检测信息中的超限数据和异常数据，当传感器连续3次抓捕到超限数据时，超限数据和异常数据以生产简报的方式实时上报云端，云端进行实时判断和处理。
在一个具体的实施例中，传感器发送的检测信息经过信号转换后，进行预处理，之后生成生产简报，通过无线网络发送至云端和/或用户终端，无线网络包括蓝牙，以及4G/5G网络；预处理包括FFT和信号过滤。发送至云端和/或用户终端的生产简报采用人机交互模式，手机APP可通过蓝牙连接到传感器，进行传感器校准、数据查看、数据导出、超限值设定、IP/端口设置、触发模式、报警方式的调整等。
以上对本发明所提供的一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统，其特征在于，包括传感器、FPGA芯片组、北斗校时模块、触发/电源模块、供电/通信复合模块和4G/5G通信模块；其中，
所述传感器向所述FPGA芯片组发送传感器检测信息；
所述北斗校时模块通过所述触发/电源模块向所述供电/通信复合模块发送校时信息；
所述触发/电源模块在有车辆经过时，还向所述供电/通信复合模块发送触发信息；
所述供电/通信复合模块给FPGA芯片组进行供电并分离出校时信息和触发信息发送至所述FPGA芯片组；
所述4G/5G通信模块连接所述FPGA芯片组，FPGA芯片组在收到触发信息时，4G/5G通信模块以生产简报的方式将触发信息实时上报至云端，并将所述检测信息中的超限数据以生产简报的方式上报至云端。
2.根据权利要求1所述的一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统，其特征在于，还包括数据采集模块和信号转换模块，所述传感器依次连接所述信号转换模块和所述数据采集模块；
信号转换模块用于将传感器发送的微振信号放大，并将电流电压信号进行整形滤除干扰；
数据采集模块用于采集经信号转换后检测信息的参数数据，包括24位电流、24位电压、24位频率，以及振动加速度频谱。
3.根据权利要求1所述的一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统，其特征在于，还包括时钟模块和存储模块，所述时钟模块和所述存储模块均连接所述FPGA芯片组；
存储模块包括参数区、触发数据缓存区和超限数据存储区；其中，触发数据缓存区用于存储所述触发/电源模块发送的触发信息，超限数据存储区用于存储传感器检测的超限数据，所述检测信息包括正常数据和超限数据；
时钟模块用于对超限数据和触发信息提供时序数据，并在所述存储模块进行有时序保存。
4.根据权利要求1所述的一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统，其特征在于，所述传感器、FPGA芯片组、供电/通信复合模块和4G/5G通信模块均封装于IP67防护外壳内部。
5.根据权利要求1所述的一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统，其特征在于，所述触发/电源模块在车辆经过时触发，并拉高供电/通信复合模块电压，传感器触发并获取触发时刻前后固定时长的检测信息，检测信息上传至云端，其中超限数据以生产简报的方式通过4G/5G通信模块上传至云端；在车辆未经过时，所述触发/电源模块用于对不同无线传感器采集系统的所述传感器之间的校时操作，此时传感器均工作在等待状态，并以给定周期执行检测操作，若检测信息中包含超限数据，则超限数据以生产简报的方式通过4G/5G通信模块上传至云端。
6.根据权利要求1所述的一种基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统，其特征在于，还包括蓝牙模块，用户终端通过蓝牙模块连接到所述FPGA芯片组，进行传感器校准、数据查看、数据导出、超限值设定、IP/端口设置、触发模式和报警方式的设置操作。
7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的基于4G/5G的北斗同步高速实时无线传感器采集系统的采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
当未有车辆经过时，触发/电源模块不触发，多个无线传感器采集系统的传感器每隔固定周期相互校时，触发/电源模块发出校时命令，令各传感器时钟同步，此时传感器均工作在等待状态，并以给定周期执行检测操作，若检测信息中包含超限数据，则超限数据以生产简报的方式通过4G/5G通信方式上传至云端；
当有车辆经过时，触发/电源模块发出触发信息，将供电/通信复合模块电压升高至工作电压，传感器触发并获取触发时刻前后固定时长的检测信息，检测信息上传至云端，其中超限数据以生产简报的方式通过4G/5G无线方式上传至云端。
8.根据权利要求7所述的采集方法，其特征在于，所述检测信息包括超限数据，所述传感器记录所述超限数据进行保存同时加快采集频率，传感器内部的存储器存储检测信息中的超限数据，当所述传感器连续固定次数抓捕到超限数据时，超限数据以生产简报的方式实时上报云端，云端进行实时判断和处理。
9.根据权利要求7所述的采集方法，其特征在于，传感器发送的检测信息经过信号转换后，进行预处理，之后生成所述生产简报，通过无线网络发送至用户终端；预处理包括FFT和信号过滤，所述无线网络包括蓝牙，以及4G/5G网络。
10.根据权利要求7所述的采集方法，其特征在于，所述生产简报采用ASCII字符形式并加以排序，包括项目名称、坐标、采集时间、传感器类型、传感器编号、当前电源电压、当前温度、数据值以及CRC校验码。
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