CN112034746A - 一种基于无线充电传感器网络的隧道监测系统及方法 - Google Patents

一种基于无线充电传感器网络的隧道监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种基于无线充电传感器网络的隧道监测系统及方法，属于隧道工程领域，该检测系统包括信号指令模块、巡检机器人、无线充电模块以及隧道监控平台；所述信号指令模块被配制用于给巡检机器人下达充电指令和巡检指令，所述巡检机器人上设有线路故障检测装置和图片拍摄装置；所述无线充电模块包括原边线圈和副边线圈；所述原边线圈设置在巡检机器人上，所述副边线圈设置在隧道中；所述副边线圈上连接检测传感器模块；所述检测传感器模块和巡检机器人将监测的信息传送给隧道监控平台。该检测系统可解决无线传感器网络中的能量问题，实现传感器全寿命周期的使用；同时可实现隧道的整体化监测，达到传统监测方式无法实现的全局监测效果。

Description

一种基于无线充电传感器网络的隧道监测系统及方法
技术领域
本公开属于隧道工程领域，具体是涉及了一种基于无线充电传感器网络的隧道监测系统及方法。
背景技术
这里的陈述仅提供与本公开相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
无线监测技术在隧道重大地质灾害风险源监测中具有良好的应用前景，相对传统监测手段而言，具有穿透能力强、监测范围广、监测密度大、监测数据调取分析效率高、监测成本低等优点。随着无线传感器网络的发展，无线传感器网络中的能量问题也日益突出，造成在监测的过程中会出现监测信息漏报、误报现象。
发明内容
为了解决现有技术中存在的技术问题，本公开的目的是一种基于无线充电传感器网络的隧道监测系统及方法，可有效解决监测信息漏报、误报现象，实现隧道中不同灾害源灾变信息的长时稳定获取与并行实时传输，克服实际工程中供电、信号采集线路破损造成监测数据缺失以及外部布线不利隧道外观美观等问题。
本公开第一目的提供了一种基于无线充电传感器网络的隧道监测系统，该系统包括信号指令模块、巡检机器人、无线充电模块以及隧道监控平台；所述信号指令模块被配制用于给巡检机器人下达充电指令和巡检指令，所述巡检机器人上设有线路故障检测装置和图片拍摄装置；所述无线充电模块包括原边线圈和副边线圈；所述原边线圈设置在巡检机器人上，所述副边线圈设置在隧道中的检测点位置；所述副边线圈上连接检测传感器模块；所述检测传感器模块和巡检机器人将监测的信息传送给隧道监控平台，
进一步地，所述检测传感器模块，包括至少一个检测传感器，所述检测传感器通过ZigBee节点将所监测的信息发送到无线数据传输与处理模块；所述无线数据传输与处理模块再将监测的信息传送给隧道监控平台。
进一步地，所述无线数据传输与处理模块包括无线数据传输与数据处理，所述无线数据传输是利用ZigBee无线数据传输装置进行高效数据传输，ZigBee无线数据传输装置与无线数据采集仪进行无线连接；所述数据处理是将数据采集仪监测的信息进行滤波、降噪。
进一步地，所述隧道监控平台将接收到监测的信息进行如下处理：数据计算分析、图表可视化、预警报警、事故分析处理、回归模型预测、数据查调、报表生成。
进一步地，所述巡检机器人上设有内置电源和无线充电模块电源；所述内置电源给巡检机器人进行充电；所述无线充电模块电源与机器人上的原边线圈通过电力电子变流电路进行连接。
进一步地，原边线圈与副边线圈基于磁振耦合原理建立电磁联系，所述副边线圈连接检测传感器，通过副边线圈为检测传感器的内置电源供电，进行能量补给。
进一步地，所述图片拍摄装置采用面阵相机与线阵相机相结合的方式进行隧道衬砌表面的快速扫描，得到隧道衬砌表面影像图。
进一步地，所述巡检机器人上设有信号接收装置；所述信号接收装置和信号指令模块中的发送装置相连接。
进一步地，所述充电指令是对检测传感器模板中的多种传感器进行供电；所述巡检指令是让巡检机器人按照给定的轨迹进行巡检，巡检包括巡检机器人行进路线检查及隧道衬砌图片拍摄。
本公开第二目的提供了一种基于上述任一项所述的无线充电传感器网络的隧道监测系统的控制方法，该方法包括如下过程：
当信号指令模块给定巡检指令时，巡线机器人按照给定的路线进行巡线检测，线路故障检测装置对线路故障进行检测，将线路检测情况实时地反馈至隧道监控平台，隧道监控平台对其进行分析，判断线路的运行状态；同时图像拍摄装置将拍摄图像传输给隧道监控平台进行分析并绘制病害展开图；当隧道监控平台根据检测图像及数据判断线路发生故障时会将故障地点及故障情况信息发送给隧道维修班组进行维修处理，然后巡线机器人继续巡检。
当信号指令模块给定充电指令时，巡线机器人挥停在隧道中指定的布设检测传感器的区域，通过原边线圈将巡检机器人上的备用电能通过磁振耦合原理传输到传感器侧副边线圈为检测传感器进行能量补给，当到达充电设置的时长时，巡检机器人按照指定模块给定线路继续运行。
与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：
(1)本公开的系统里采用的无线传感器，相较于传统传感器，具有穿透能力强、监测范围广、监测密度大、监测数据调取分析效率高的优势，保证了数据的真实性及可靠性；
(2)本公开的无线充电模块可解决无线传感器网络中的能量问题，实现传感器全寿命周期的使用；
(3)本公开提出的监测系统可实现隧道的整体化监测，达到传统监测方式无法实现的全局监测效果。
(4)本公开的无线数据传输是利用ZigBee无线数据传输装置进行高效数据传输，ZigBee无线数据传输装置与无线数据采集仪进行无线连接，保证了数据传输的时效性；
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开至少一实施例提供的无线充电传感器网络的隧道监测系统结构示意图；
图2为本公开至少一实施例提供的巡检机器人巡检及充电的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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专利和简化描述，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专利的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。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专利中的具体含义。
如图1所示，本实施例公开的无线充电传感器网络的隧道监测系统主要包括信号指令模块、巡检机器人、无线充电模块、传感器模块、无线数据传输和处理模块以及隧道监控平台。
其中所述信号指令模块与巡检机器人相连接，用于给巡检机器人进行下达指令进行相应的工作，所述信号指令模块包括充电指令和巡检指令，所述充电指令对传感器模板中的多种传感器进行供电；所述巡检指定令机器人按照信号指定模块给定的轨迹进行巡检，巡检包括行进机器人行进路线检查及隧道衬砌图片拍摄。
所述巡检机器人与无线充电模块和隧道监控平台相连接，其中，巡检机器人将检测的信息发送到隧道监控平台上进行信息处理。所述无线充电模块包括巡检机器人侧原边线圈、传感器侧副边线圈。所述传感器测副边线圈设置在隧道中指定地点，巡检机器人侧原边线圈设置在巡检机器人上；所述巡检机器人侧原边线圈与传感器侧副边线圈基于磁振耦合原理建立电磁联系，所述巡检机器人侧原边线圈连接巡检机器人上的无线充电模块电源，所述传感器侧副边线圈连接设置在隧道中的传感器，通过传感器侧副边线圈为传感器内置电源供电，进行能量补给。
进一步地，所述传感器通过Zigbee节点将所监测的信息发送至该隧道监测系统中的无线数据传输与处理模块，所述无线数据传输与处理模块包括无线数据传输与数据处理，所述无线数据传输是利用ZigBee无线数据传输装置进行高效数据传输，ZigBee无线数据传输装置与无线数据采集仪进行无线连接；所述数据处理是将数据采集仪监测的信息进行滤波、降噪。
所述无线数据传输与处理模块进一步将接收、处理的监测信息发送到隧道监控平台。隧道监控平台进一步将数据进行处理分析，进行如下处理：数据计算分析、图表可视化、预警报警、事故分析处理、回归模型预测、数据查调、报表生成。
进一步地，如图2所示，本实施中的所述巡检机器人主要包括内置电源、无线充电模块电源、线路故障检测装置、信号接收装置、动力装置、图片拍摄装置。其中，所述内置电源对巡线机器人巡检过程进行供电，所述无线充电模块电源与机器人测原边线圈通过电力电子变流电路进行连接，所述信号接收装置与信号指令模块的发送装置相匹配，所述巡检机器人按照信号指令模块给定的轨迹进行巡检，所述线路故障检测装置对给定的轨迹上的线路故障进行检测，所述图片拍摄装置可采用面阵相机与线阵相机相结合的方式进行隧道衬砌表面的快速扫描，得到隧道衬砌表面影像图。
所以本实施例公开的无线充电传感器网络的隧道监测系统可以解决无线传感器网络中的能量问题，实现传感器全寿命周期的使用，避免了监测信息漏报、误报现象，实现隧道中不同灾害源灾变信息的长时稳定获取与并行实时传输，同时也解决了传动检测系统需要在隧道中布线，造成隧道外观不美观等问题。
除此之外，本公开另外一些实施例还公开了所述无线充电传感器网络的隧道监测系统的控制方法，其具体如下：
当信号指令模块给定巡检命定时，即给定数字命令“1”时，巡线机器人按照信号指定模块给定的路线进行巡线，通过线路故障检测装置对线路故障进行检测，将线路检测情况实时地反馈至隧道监控平台，隧道监控平台对其进行分析，判断线路的运行状态。同时所述巡检机器人的图像拍摄装置将检测图像传输给隧道监控平台，采用图像处理和图像识别算法提取病害信息，并绘制病害展开图。当隧道监控平台根据检测图像及数据判断线路发生故障时，隧道监控平台将故障地点及故障情况信息发送给隧道维修班组，进行维修处理，巡线机器人继续巡检。
当信号指令模块给定充电命定时，即给定数字命令“0”时，巡检机器人按照指定命令，定点(布有传感器的位置)、定时(每次、每个传感器充电时间相同)进行充电处置。巡线机器人减速并停在指定区域，在该指定区域，机器人侧原边线圈到机器人侧副边线圈的电能传输效率到达最高。无线充电模块的机器人侧原边线圈接收内置电能，并通过磁振耦合原理传输到传感器侧副边线圈，传感器侧副边线圈连接到巡线机器人的内置电源为其充电，当到达充电设置的时长时，巡检机器人按照指定模块给定线路继续运行。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于无线充电传感器网络的隧道监测系统，其特征在于：包括信号指令模块、巡检机器人、无线充电模块以及隧道监控平台；
所述信号指令模块被配制用于给巡检机器人下达充电指令和巡检指令，所述巡检机器人上设有线路故障检测装置和图片拍摄装置；所述无线充电模块包括原边线圈和副边线圈；所述原边线圈设置在巡检机器人上，所述副边线圈设置在隧道中的检测点位置；所述副边线圈上连接检测传感器模块；所述检测传感器模块和巡检机器人将监测的信息传送给隧道监控平台，
2.根据权利要求书1的所述的基于无线充电传感器网络的隧道监测系统，其特征在于：所述检测传感器模块，包括至少一个检测传感器，所述检测传感器通过ZigBee节点将所监测的信息发送到无线数据传输与处理模块；所述无线数据传输与处理模块再将监测的信息传送给隧道监控平台。
3.根据权利要求书2的所述的基于无线充电传感器网络的隧道监测系统，其特征在于：所述无线数据传输与处理模块包括无线数据传输与数据处理，所述无线数据传输是利用ZigBee无线数据传输装置进行高效数据传输，ZigBee无线数据传输装置与无线数据采集仪进行无线连接；所述数据处理是将数据采集仪监测的信息进行滤波、降噪。
4.根据权利要求书1的所述的基于无线充电传感器网络的隧道监测系统，其特征在于：所述隧道监控平台将接收到监测的信息进行如下处理：数据计算分析、图表可视化、预警报警、事故分析处理、回归模型预测、数据查调、报表生成。
5.根据权利要求书1的所述的基于无线充电传感器网络的隧道监测系统，其特征在于：所述巡检机器人上设有内置电源和无线充电模块电源；所述内置电源给巡检机器人进行充电；所述无线充电模块电源与机器人上的原边线圈通过电力电子变流电路进行连接。
6.根据权利要求书1的所述的基于无线充电传感器网络的隧道监测系统，其特征在于：原边线圈与副边线圈基于磁振耦合原理建立电磁联系，所述副边线圈连接检测传感器，通过副边线圈为检测传感器的内置电源供电，进行能量补给。
7.根据权利要求书1的所述的基于无线充电传感器网络的隧道监测系统，其特征在于：所述图片拍摄装置采用面阵相机与线阵相机相结合的方式进行隧道衬砌表面的快速扫描，得到隧道衬砌表面影像图。
8.根据权利要求书1的所述的基于无线充电传感器网络的隧道监测系统，其特征在于：所述巡检机器人上设有信号接收装置；所述信号接收装置和信号指令模块中的发送装置相连接。
9.根据权利要求书1的所述的基于无线充电传感器网络的隧道监测系统，其特征在于：所述充电指令是对检测传感器模板中的多种传感器进行供电；所述巡检指令是让巡检机器人按照给定的轨迹进行巡检，巡检包括巡检机器人行进路线检查及隧道衬砌图片拍摄。
10.一种基于上述权利要求1-9任一项所述的无线充电传感器网络的隧道监测系统的控制方法，其特征在于：
当信号指令模块给定巡检指令时，巡线机器人按照给定的路线进行巡线检测，线路故障检测装置对线路故障进行检测，将线路检测情况实时地反馈至隧道监控平台，隧道监控平台对其进行分析，判断线路的运行状态；同时图像拍摄装置将拍摄图像传输给隧道监控平台进行分析并绘制病害展开图；当隧道监控平台根据检测图像及数据判断线路发生故障时会将故障地点及故障情况信息发送给隧道维修班组进行维修处理，然后巡线机器人继续巡检。
当信号指令模块给定充电指令时，巡线机器人挥停在隧道中指定的布设检测传感器的区域，通过原边线圈将巡检机器人上的备用电能通过磁振耦合原理传输到传感器侧副边线圈为检测传感器进行能量补给，当到达充电设置的时长时，巡检机器人按照指定模块给定线路继续运行。
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