CN111123294A - 一种地形监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及地形监测技术领域，具体公开了一种地形监测系统，包括监测终端、主控站、控制中心服务器和差分广播站，差分广播站输出差分数据至监测终端；监测终端用于采集原始数据，及接收主控站或者控制中心服务器发出的控制指令；主控站，用于通过服务器通信模块与控制中心服务器通信，及通过监测终端通信模块控制监测终端；主控站控制模块用于通过主控站来操控监测终端，监测终端控制模块用于通过4G通信模块控制监测终端，数据解算展示模块将数据以各种图形化形式发布至UI展示层进行展示；本发明采用多种工作模式及多种通信链路设计，使得该地形监测系统能适应更多的生产环境，同时具备远程控制功能，能够更加灵活的适应复杂多变的应用场景。

Description

一种地形监测系统
技术领域
本发明涉及地形监测技术领域，更具体地，涉及一种地形监测系统。
背景技术
近年来基于GNSS定位技术的地形监测终端逐渐成为了地形变形监测行业中的主流。变形监测涵盖了房屋桥梁、堤坝矿山边坡、围海造田沉降等众多领域。在围海造田沉降监测领域中目前主要的监测方法则是利用人工手动采集数据，然后手动计算出沉降量。一般围海造田项目所涉及的区域一般比较大最小的也有15平方公里大小，而传统的方法则是依靠人工，利用RTK设备在设定的位置依次采点，基本是半个月采集一次，十天左右的时间才能完成一次采集，耗费了大量人力、物力、时间等资源。另外市场上现在主流的监测设备一般都是利用GNSS接收机24小时不停机连续监测，而在监测矿区以及堤坝或是其他野外环境供电和通信往往是比较难以解决的问题。针对野外大量的、通信条件不佳的监测项目，该种设备则需要花费更大的代价去实现。
发明内容
针对现有技术中存在的上述弊端，本发明的目的是提供一种地形监测系统，旨在实现低功耗、多通信链路组合、全自动无人值守的地形监测。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
一种地形监测系统，包括监测终端、主控站、控制中心服务器和差分广播站，所述监测终端包括无线串口通信模块和4G通信模块，所述控制中心服务器分别与所述主控站、监测终端对应连接，所述主控站与所述监测终端连接，所述监测终端与所述差分广播站连接，其中，所述监测终端通过所述无线串口通信模块与所述主控站进行数据交互，所述监测终端通过所述4G通信模块与所述控制中心服务器进行数据交互；其中，所述差分广播站，输出差分数据至所述监测终端；所述监测终端，用于采集原始数据，及用于接收所述主控站或者所述控制中心服务器发出的控制指令，回复相应的响应消息并按照所述控制指令开启工作任务；所述主控站，用于通过服务器通信模块与所述控制中心服务器通信，及通过监测终端通信模块控制所述监测终端；所述控制中心服务器包括主控站控制模块、监测终端控制模块和数据解算展示模块，所述主控站控制模块用于通过所述主控站来操控所述监测终端，所述监测终端控制模块用于通过所述4G通信模块控制所述监测终端，所述数据解算展示模块具备数据解算和图形化数据的功能，将数据以各种图形化形式发布至UI展示层进行展示。
优选的，所述主控站还用于控制所述监测终端按时上报采集到的原始数据，并将收集到的数据汇总推送到所述控制中心服务器上，交由所述控制中心服务器进行数据处理。
优选的，所述控制中心服务器还用于将所述监测终端上报的原始数据进行转换和存档。
优选的，所述监测终端包括安装支架，所述安装支架的上端固定连接有防水箱，所述防水箱的上端安装有太阳能电池板，所述防水箱内部设置有太阳能控制器、蓄电池和主机，所述太阳能电池板、蓄电池、主机分别接入太阳能控制器的对应接口，所述安装支架的顶端位于所述太阳能电池板的上侧安装有GNSS天线，所述防水箱的左侧通过紧固件分别安装有4G天线和LORA天线，所述所述防水箱的右侧通过紧固件安装有ZigBee天线，其中，所述GNSS天线、4G天线、LORA天线、ZigBee天线通过定制线缆与主机相连。
优选的，所述主机包括控制底板，所述控制底板上安装有可拆卸的Lora通信模块、4G通信模块、ZigBee模块和GNSS高精度定位模块，所述控制底板通过配合方式安装在主机外壳中，所述主机外壳的前面板上分别开设有Lora通信模块、4G通信模块、ZigBee模块、GNSS高精度定位模块对应的天线接口。
优选的，所述控制底板上还安装有功放模块。
优选的，所述控制底板上开设有以太网口。
优选的，所述主机外壳的前面板上还开设有数据导出USB接口以及电源接口。
本发明实施例的地形监测系统具有以下优点：1、可接受外部控制切换通信链路，可接受外部控制切换工作模式；2、控制中心服务器可控制监测终端按参数工作与休眠或唤醒；3、在无线串口通信链路下，可受现场主控站的控制按时上报文件；4、在4G通信链路下，可实现在工作结束之后按流程上报相应的数据；本发明采用多种工作模式及多种通信链路设计，使得该地形监测系统能适应更多的生产环境，同时具备远程控制功能，能够更加灵活的适应复杂多变的应用场景，一次部署，中间无需操作即可实现连续自动化监测。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种地形监测系统的整体框架示意图；
图2为本发明实施例提供的监测终端整体结构示意图；
图3为本发明实施例提供的主机内部构造示意图；
图4为本发明实施例提供的无线串口和以太网通信系统拓补图；
图5为本发明实施例提供的4G通信系统拓补图；
图6为本发明实施例提供的监测终端的供电关系图；
图7为本发明实施例提供的监测终端在无线串口通信链路下的工作流程图；
图8为本发明实施例提供的监测终端在4G通信链路下的工作流程图；
图9为本发明实施例提供的主控站在监测终端观测结束时的工作流程图；
图10为本发明实施例提供的监测终端在RTK模式下的工作流程图；
图中：1、GNSS天线；2、4G天线；3、LORA天线；4、蓄电池；5、主机；51、Lora通信模块；52、功放模块；53、4G通信模块；54、以太网口；55、控制底板；56、ZigBee模块；57、GNSS高精度定位模块；6、安装支架；7、防水箱；8、太阳能控制器；9、ZigBee天线；10、太阳能电池板。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的地形监测系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。显然，所描述的实施例为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，一种地形监测系统，包括监测终端、主控站、控制中心服务器和差分广播站，所述监测终端包括无线串口通信模块和4G通信模块，所述控制中心服务器分别与所述主控站、监测终端对应连接，所述主控站与所述监测终端连接，所述监测终端与所述差分广播站连接，其中，所述监测终端通过所述无线串口通信模块与所述主控站进行数据交互，所述监测终端通过所述4G通信模块与所述控制中心服务器进行数据交互；其中，所述差分广播站，输出差分数据至所述监测终端；所述监测终端，用于采集原始数据，及用于接收所述主控站或者所述控制中心服务器发出的控制指令，回复相应的响应消息并按照所述控制指令开启工作任务；所述主控站，用于通过服务器通信模块与所述控制中心服务器通信，及通过监测终端通信模块控制所述监测终端；所述控制中心服务器包括主控站控制模块、监测终端控制模块和数据解算展示模块，所述主控站控制模块用于通过所述主控站来操控所述监测终端，所述监测终端控制模块用于通过所述4G通信模块控制所述监测终端，所述数据解算展示模块具备数据解算和图形化数据的功能，将数据以各种图形化形式发布至UI展示层进行展示。
监测终端其实就是整个自动化监测系统中的一个传感器，负责原始数据的采集，作为整个系统的数据支撑，但其又具备一定的自主功能，可根据配置参数有规律的主动工作与休眠，同时可以实现与控制中心服务器的信息交互。
在利用无线串口通信方式时，由于其通信距离、带宽都有限制，无法与远端的控制中心服务器直接通信，而本系统中设计的主控站包括监测终端通信模块和服务器通信模块，既能在现场控制各个监测终端又能与控制中心服务器实现通信，起到了监测终端与控制中心服务器之间的沟通桥梁作用；另外，主控站还具备控制各个监测终端按时上报观测数据，并将收集的数据汇总推送到控制中心服务器上，交由控制中心服务器做进一步处理的功能，当利用4G通信模块作为通信通道时，监测终端可采用TCP方式直接与控制中心服务器通信，此时主控站将会停止自己的控制功能，将终端控制权交由控制中心服务器，直到控制中心服务器停用4G，控制权才会交回到现场的主控站。
差分广播站在整个系统需要采集RTK数据时起作用，为现场的所有的监测终端提供差分服务，下放差分数据，使监测终端能够达到固定并取下固定解数据以供系统后续分析所用。
当监测终端需要利用无线串口通信模块传输数据时，控制中心服务器能通过主控站来操控各监测终端，具体的，主控站控制模块通过主控站来操控各监测终端。
当监测终端采用4G通信模块传输数据时，控制中心服务器通过4G通信模块直接控制到各监测终端，具体的，监测终端控制模块通过4G通信模块直接控制到各监测终端。
控制中心服务器具备将各监测终端上报的原始数据进行转换和存档的功能，同时数据解算展示模块具备数据解算、图形化数据的功能，能够将数据以各种图形化形式发布至UI展示层(web端)，用户可以在线查询相关设备的监测结果等。
在本实施例中，所述主控站还用于控制所述监测终端按时上报采集到的原始数据，并将收集到的数据汇总推送到所述控制中心服务器上，交由所述控制中心服务器进行数据处理。
在本实施例中，所述控制中心服务器还用于将所述监测终端上报的原始数据进行转换和存档。
如图2所示，所述监测终端包括安装支架6，所述安装支架6的上端固定连接有防水箱7，所述防水箱7的上端安装有太阳能电池板10，所述防水箱7内部设置有太阳能控制器8、蓄电池4和主机5，所述太阳能电池板10、蓄电池4、主机5分别接入太阳能控制器8的对应接口，所述安装支架6的顶端位于所述太阳能电池板10的上侧安装有GNSS天线1，所述防水箱7的左侧通过紧固件分别安装有4G天线2和LORA天线3，所述所述防水箱7的右侧通过紧固件安装有ZigBee天线9，其中，所述GNSS天线1、4G天线2、LORA天线3、ZigBee天线9通过定制线缆分别与主机5相连。
在本实施例中，所述GNSS天线1、4G天线2、LORA天线3、ZigBee天线9通过定制线缆分别与主机5相连，为主机5提供对应类型的数据信号接收支撑。
在本实施例中，所述太阳能电池板10、蓄电池4、主机5分别接入太阳能控制器8的对应接口，形成监测终端的循环供电系统；使用的蓄电池4及太阳能电池板10体积大大减小，部署安装更加方便。
在本实施例中，各部件可通过紧固件固定安装在安装支架6上。
在本实施例中，GNSS天线1的型号为GPS500，4G天线2为SMA内螺内针全向天线，LORA天线3为SMA公头内针纯铜天线，蓄电池4的型号为UP-RW1245ST1，主机5的型号为SM002，太阳能控制器8为SYC型12V/24V自动切换太阳能控制器，ZigBee天线9为NP2327140NK00型2.4g平板14dBi高增益定向室外天线，太阳能电池板10采用型号为SYSP的18V10W单晶太阳能电池板。
如图3所示，所述主机5包括控制底板55，所述控制底板55上安装有可拆卸的Lora通信模块51、4G通信模块53、ZigBee模块56和GNSS高精度定位模块57，所述控制底板55通过配合方式安装在主机外壳中，所述主机外壳的前面板上分别开设有Lora通信模块51、4G通信模块53、ZigBee模块56、GNSS高精度定位模块57对应的天线接口。
在本实施例中，所述控制底板55上还安装有功放模块52。
在本实施例中，所述控制底板55上开设有以太网口54。
在本实施例中，所述主机外壳的前面板上还开设有数据导出USB接口以及电源接口。
在本实施例中，Lora通信模块51的型号为AS32-TTL1W，功放模块52的型号为XQ-02A，4G通信模块53的型号为EC20，控制底板55的型号为SubM V1.5，ZigBee模块56的型号为AS69-T20，GNSS高精度定位模块57的型号为K708。
地形监测方法的整体设计逻辑顺序依次为终端布设、数据采集、数据上报、收集汇总、解算入库、发布展示。
地形监测系统有两种工作模式：静态观测模式和RTK模式，具体如下：
第一种，静态观测模式，是利用GNSS高精度定位模块57将静态观测到的原始数据实时保存为一个文件，然后按照制定的传输方案将文件分包上传至主控站，最后再到控制中心服务器上，通过软件自动将观测到的原始数据文件转换为Rinex文件储存在控制中心服务器中。
第二种，RTK模式，是利用GNSS高精度定位模块57实时接收差分广播站下发的差分数据，然后获取固定解，并将该数据通过主控站上传到控制中心服务器存储。
本发明提供的地形监测系统在通信上实现两种链路：第一种为无线串口与以太网组合使用，第二种为4G网络，通信协议采用基于JT808协议的自定义协议，在数据传输中不但使系统具备了良好的延展性，并且在数据传输上能起到一定的保密性，具体如下：
第一种，无线串口与以太网组合使用，参见图4，该方式几乎可以应对大部分的监测需求，无线串口通信模块可以提供相对稳定的现场通信，保证数据能够正常汇集到现场主控站，再由主控站通过以太网推送至控制中心服务器，经由控制中心服务器解算存储；在实际工作中，主控站可通过ZigBee模块发送参数配置、参数查询、文件上报、RTK数据上报、线路切换、工作模式切换等指令到监测终端，而监测终端则可以利用ZigBee模块将对应指令的响应消息发送到主控站；因为在任何模式下都需要ZigBee模块来实现主控站与监测终端的信息交互，所以ZigBee模块一直参与工作，但是Lora通信模块只有在RTK模式下才参与工作，在静态观测模式下是处于关停状态的。
第二种，无线串口与以太网组合使用，参见图5，采用4G通信模块通信时，监测终端与控制中心服务器直接相连，采用TCP/IP的通信方式，由于在4G链路下，可能会采用RTK模式来实现监测，所以在设计中会配合Lora通信模块来实现该功能。
在本实施例中，通过持久供电和降低耗电两种方式来控制监测终端的功耗平衡，第一种为持久供电方式，如图6所示，为监测终端的供电关系图，结合监测终端的布施现场与安装方式，采用铅酸蓄电池作为储能供能容器，在外部架设太阳能电池板10为蓄电池4的储能提供保证。平常在设备正常工作耗电的同时，在天气好的情况下太阳能也能实时为蓄电池4充电，以备阴天下雨时设备的正常运转；第二种为降低耗电方式，由于本套系统中的监测终端是按照每天规定的一个时间段周而复始的工作，所以会存在大量的非工作时间，在这一时间段内，其实是不要为终端供电的，但是可能在某一个时间段需要配置更改监测终端的参数，如果对应的供能模块一直处于掉电状态，则无法实现自由配置，结合这几点，采用间歇性休眠与唤醒机制。
具体的，降低耗电方式中，通过底板控制程序实现控制不同的供能模块在对应的工作模式下上电参与工作；在非工作时段时，会间隔的打开ZigBee模块来检测是否有外部控制指令需要执行，如果有则会执行任务，反之会进入休眠等待下次唤醒；由于无线串口通信链路下，所有的监测终端始终都是只有在接收指令才会执行操作，其工作流程参见附图7；采用休眠唤醒工作模式，极大程度上降低了设备的能耗。
在4G通信链路下，可以实现多终端并行上报数据，所以在终端控制上只有在参数配置、参数查询、模式切换、线路切换时才会是服务端主动控制，在文件数据上报时，则是由终端主动发起，工作流程参见附图8。
主控站会在监测终端观测结束时，按照一定顺序主动向其归属的监测终端发送上传文件指令，然后根据监测终端响应的消息进行下一步处理，具体工作流程如参见附图9。
在RTK模式下，监测终端会根据获取的固定解保存数据，等待主控站主动要求终端上报该数据，具体流程参见附图10。
本发明实施例的地形监测系统具有以下优点：1、可接受外部控制切换通信链路，可接受外部控制切换工作模式；2、控制中心服务器可控制监测终端按参数工作与休眠或唤醒；3、在无线串口通信链路下，可受现场主控站的控制按时上报文件；4、在4G通信链路下，可实现在工作结束之后按流程上报相应的数据；本发明采用多种工作模式及多种通信链路设计，使得该地形监测系统能适应更多的生产环境，同时具备远程控制功能，能够更加灵活的适应复杂多变的应用场景，一次部署，中间无需操作即可实现连续自动化监测。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种地形监测系统，其特征在于，包括监测终端、主控站、控制中心服务器和差分广播站，所述监测终端包括无线串口通信模块和4G通信模块，所述控制中心服务器分别与所述主控站、监测终端对应连接，所述主控站与所述监测终端连接，所述监测终端与所述差分广播站连接，其中，所述监测终端通过所述无线串口通信模块与所述主控站进行数据交互，所述监测终端通过所述4G通信模块与所述控制中心服务器进行数据交互；其中，
所述差分广播站，用于输出差分数据至所述监测终端；
所述监测终端，用于采集原始数据，及用于接收所述主控站或者所述控制中心服务器发出的控制指令，回复相应的响应消息并按照所述控制指令开启工作任务；
所述主控站，用于通过服务器通信模块与所述控制中心服务器通信，及通过监测终端通信模块控制所述监测终端；
所述控制中心服务器包括主控站控制模块、监测终端控制模块和数据解算展示模块，所述主控站控制模块用于通过所述主控站来操控所述监测终端，所述监测终端控制模块用于通过所述4G通信模块控制所述监测终端，所述数据解算展示模块具备数据解算和图形化数据的功能，将数据以各种图形化形式发布至UI展示层进行展示。
2.根据权利要求1所述的地形监测系统，其特征在于，所述主控站，还用于控制所述监测终端按时上报采集到的原始数据，并将收集到的数据汇总推送到所述控制中心服务器上，交由所述控制中心服务器进行数据处理。
3.根据权利要求1所述的地形监测系统，其特征在于，所述控制中心服务器，还用于将所述监测终端上报的原始数据进行转换和存档。
4.根据权利要求1所述的地形监测系统，其特征在于，所述监测终端包括安装支架(6)，所述安装支架(6)的上端固定连接有防水箱(7)，所述防水箱(7)的上端安装有太阳能电池板(10)，所述防水箱(7)内部设置有太阳能控制器(8)、蓄电池(4)和主机(5)，所述太阳能电池板(10)、蓄电池(4)、主机(5)分别接入太阳能控制器(8)的对应接口，所述安装支架(6)的顶端位于所述太阳能电池板(10)的上侧安装有GNSS天线(1)，所述防水箱(7)的左侧通过紧固件分别安装有4G天线(2)和LORA天线(3)，所述所述防水箱(7)的右侧通过紧固件安装有ZigBee天线(9)，其中，所述GNSS天线(1)、4G天线(2)、LORA天线(3)、ZigBee天线(9)通过定制线缆分别与所述主机(5)相连。
5.根据权利要求4所述的地形监测系统，其特征在于，所述主机(5)包括控制底板(55)，所述控制底板(55)上安装有可拆卸的Lora通信模块(51)、4G通信模块(53)、ZigBee模块(56)和GNSS高精度定位模块(57)，所述控制底板(55)通过配合方式安装在主机外壳中，所述主机外壳的前面板上分别开设有Lora通信模块(51)、4G通信模块(53)、ZigBee模块(56)、GNSS高精度定位模块(57)对应的天线接口。
6.根据权利要求5所述的地形监测系统，其特征在于，所述控制底板(55)上还安装有功放模块(52)。
7.根据权利要求5所述的地形监测系统，其特征在于，所述控制底板(55)上开设有以太网口(54)。
8.根据权利要求5所述的地形监测系统，其特征在于，所述主机外壳的前面板上还开设有数据导出USB接口以及电源接口。
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