CN113381497A - 一种无线供电监测系统及方法、应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线供电监测系统及方法、应用，属于监测的技术领域。包括：电源管理单元，被设置为管理太阳能电池板的输出电量以及蓄电池的存储电量；用电单元，设置为现场数据的定时采集，并将采集到的数据无线上传；所述电池管理单元的输出端连接于所述用电单元的输入端，所述电池管理单元为用电单元提供持续的、稳定的电压输出。本发明简化了现场的布线需求，对设备工作的位置无特殊需求，可以大大提升监测设备的用户体验和减轻施工难度。

Description

一种无线供电监测系统及方法、应用

技术领域

本发明属于监测的技术领域，本发明涉及一种无线供电监测系统及方法、应用。

背景技术

土建工程成为城市建设的主要工程之一。土建工程开挖势必对周边环境及在建工程本身造成一定的影响，土建基坑工程监测是指基坑在开挖过程中，用精密仪器、设备对支护结构、周边环境的位移、倾斜、水位、沉降、温度等动态变化进行综合监测，获取监测数据。通过对监测数据的分析，分析支护结构及周边环境的变形及稳定性状态，以指导工程施工，保证工程顺利进行。

据了解，多数施工现场，监测数据还停留在文件管理模式下。由现场监测人员采集监测数据并将该施工段的概况信息录入到系统，监测数据的计算由人工完成，监测报表用Word或Excel手工制作，导致数据不能共享，查询困难，降低了工作效率和管理分析水平，而且由于施工现场的设施简单，环境较差，人员流动性强，监测数据的保存缺乏安全性完整性和可靠性。监测单位反映，目前各大院校报考测量专业的学生越来越少，毕业后，愿意到工地从事专业的更少，且重复测量工作量中人工费用占了大部分。随着智慧工地的发展，目前有少数基坑自动化监测设备在基坑工地上进行试验性的应用，该类自动化监测设备大大提高了数据上报的效率和数据监测的精确性，自动化监测设备将替代人工监测方式将成为智慧工地发展的驱使，但目前这些自动化监测设备存在一些缺陷，绝大部分的自动化监测设备需要在工地现场就地取电，通常通信方式也是才有工业串口线传输的方式，这种方式在现场一方面是加大了施工的复杂度，施工人员需要提前计算取电位置和实际布线的位置，另一方面，现场工程施工具有不确定性和复杂性，在施工过程中很容易造成线缆被误损坏或者碰上，造成断电、漏电和接触不良的现象，增加了设备后期维护的难度。

发明内容

本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供了一种无线供电监测系统及方法、应用。

本发明采用以下技术方案：一种无线供电监测系统，包括：

电源管理单元，被设置为管理太阳能电池板的输出电量以及蓄电池的存储电量；

用电单元，设置为现场数据的定时采集，并将采集到的数据无线上传；

所述电池管理单元的输出端连接于所述用电单元的输入端，所述电池管理单元为用电单元提供持续的、稳定的电压输出。

在进一步的实施例中，所述电池管理单元包括：

电池充放电管理模块，被设置为获取太阳能电池板的实时电量并做升压处理得到波动的直流电压；

升压处理操作是为了将太阳能电池板的实际输出电压稳定在一个固定范围，减少前级获取的实时电量电压波动对后续电路造成影响，这样可以降低后级降压稳压电路的设计难度及对稳压电路芯片的性能要求，达到降低设计难度及提高电路性能的双重目的。

稳压模块，连接于所述充放电管理模块；被设置为将所述直流电压进行降压处理得到稳定的直流电压；同时被设置为用于判断是否需要给蓄电池进行充电处理；

电量检测模块，连接于蓄电池；被设置为检测蓄电池的实时电量；

用电管理模块，连接于所述稳压模块和电量检测模块；被设置为自动调节当前输出直流电压的来源。

在进一步的实施例中，所述用电单元包括：电压调整模块，连接于所述电压调整模块的Lora模块，以及连接于所述电压调整模块的用电装置；

其中，所述电压调整模块被设置为获取得到合适的电压值为Lora模块和用电装置中的功能单元进行供电；

所述用电装置被设置为连接功能单元的反馈原始信号并获取数据值，实现定期自动测量现场数据，并接收Lora模块转发的轮询信号；

所述Lora模块被设置为将用电装置连接到局域网中，实现用电装置的数据上报和网关指令的下传。

在进一步的实施例中，所述用电装置包括：沉降传感器、温度传感器、倾角传感器、应变传感器、或水位传感器中的一种或几种；

沉降传感器、温度传感器、倾角传感器、应变传感器、或水位传感器分别安装在施工现场的指定位置处。

一种使用如上所述系统的无线供电监测方法，包括以下步骤：

步骤一、管理太阳能电池板的输出电量以及蓄电池的存储电量，并持续给用电单元提供稳定的电压；

步骤二、用电单元定时采集现场数据，并将采集到的数据自动无线上传。

在进一步的实施例中，所述步骤一包括以下流程：

按照预定节点配置所需的用电装置；

电池充放电管理模块获取太阳能电池板的实时电量并做升压处理得到波动的直流电压；并判断是否需要给蓄电池进行充电处理，让蓄电池保持满电；

稳压模块将所述直流电压进行降压处理得到稳定的直流电压；

用电管理模块自动调节当前输出直流电压的来源为用电装置持续的、稳定供的电源。

在进一步的实施例中，所述步骤二包括以下流程：

电压调整模块获取得到合适的电压值为Lora模块和用电装置中的功能单元进行供电；

用电装置为连接功能单元的反馈原始信号并获取数据值，实现定期自动测量现场数据，并接收Lora模块转发的轮询信号；

Lora模块将用电装置连接到局域网中，实现用电装置的数据上报和网关指令的下传。

在进一步的实施例中，所述电池充放电管理模块判断是否需要给蓄电池进行充电处理，让蓄电池保持满电包括以下流程：

当太阳能电池板的实时电量大于太阳能板高阈值时，且蓄电池的实时电量小于蓄电池高阈值时，则使用太阳能电池板对蓄电池进行充电；当蓄电池的实时电量大于等于蓄电池高阈值时充电完成。

在进一步的实施例中，定义U1为电池充放电管理模块获取到的太阳能电池板的实时电量，U2为电量检测模块获取到的蓄电池的实时电量；

设定对应电量的判断阈值如下：U1_H：太阳能电池板高阈值，指代太阳能电量充足，进一步的U1_H≥28V；U1_L：太阳能电池板低阈值，指代太阳能电池板电量不足，进一步的U1_L≤20V。

U2_H：蓄电池高阈值，指代蓄电池电量充足，进一步的U2_H≥24VU2_L：蓄电池低阈值，指代蓄电池电量不足，进一步的U2_L≤22V。

则当U1＞U1_H，且U2＜U2_H时，则导通电池充放电管理单元中的充电模块，实现将太阳能板中的能量以充电的方式转移到蓄电池中，直至U2＞U2_H时充电完成，蓄电池处于满电状态，切断充电模块。

在进一步的实施例中，用电管理模块自动调节当前输出直流电压的来源包括以下流程：

通过对比太阳能电池板的实时电量和蓄电池的实时电量进行初步判断：当稳压模块输出电压值高于预定值时，则优先切换稳压模块的电压进行输出，即直接使用太阳能电池板的能量；

当稳压模块输出电压值低于预定值时，则切换到蓄电池作为用电装置的供电来源。

初步判断进一步为，则当U1＞U1_H时，则在用电管理模块中，导通U1电量通道，关断U2电量通道，实现输出太阳能电池板电量的目的。即直接使用太阳能电池板的能量，这个主要是在白天且光照较为充分的情况下。

当U1_H＞U1＞U1_L时，则在用电管理模块中，导通U1电量通道，关断U2电量通道，实现输出太阳能电池板电量的目的，但此时，太阳能电池中的能量不提供给蓄电池进行充电。

当U1＜U1_L时，且U2＞U2_H时，则在用电管理模块中，关断U1电量通道，导通U2电量通道，实现输出蓄电池电量的目的。即切换到蓄电池作为用电装置的供电来源，这个主要是在晚上或者是白天阴天等光照不足的情况。通过该种方式实现为用电装置提供全天候不间断的稳定供电电源。

当U1＜U1_L时，且U2＜U2_L时，则在用电管理模块中，关断U1电量通道，关断U2电量通道，输出0电压，则后级电路不工作。

在进一步的实施例中，用电装置通过接受到的反馈信号后获取的数据值具体流程如下：

用电装置包含了沉降检测、温度检测、倾角检测、应变检测和水位检测五种类型，其中沉降检测传感器可以直接反馈出沉降数值数据，温度检测传感器可以直接反馈出温度数值数据，水位检测传感器可以直接反馈出水位数值数据，上述数据在传递时采用原始数据传递即是工程测量所需数据值，当上述值分别超过了设定的阈值时，需要报警。

倾角检测和应变检测则需要经过公式获取得到实际的倾斜角度和所承受的压力或拉力。

倾角检测的公式为：L＝tanθH，

其中θ为倾角传感器测出的角度偏移量，H为安装间隔，为常数，L则为计算得到的各个倾角传感器的水平偏移量，当该值超过安全阈值时需要报警。

应变检测的公式为：

其中k为应变传感器系数，为常数，f₀为应变传感器的初始频率，f为应变传感器测出的承受外力后的实时频率，F为计算得到的应变力，当该值为正数时，认为承受压力，当该值为负数时，认为承受拉力，当该值超过了压力或者拉力的阈值时，需要报警。

一种上所述的无线供电监测方法应用于基坑现场监测。

本发明的有益效果：本敷面膜基于现有的情况，研发出一种改善现有的室外、恶劣施工环境下的基坑监测应用，在传统有线连接，包括供电和通信的基础上进行功能优化，设计采用太阳能+蓄电池来进行无线全天候24小时供电，采用Lora无线组网的方式来进行数据的远程和汇总显示，发明简化了现场的布线需求，对设备工作的位置无特殊需求，可以大大提升监测设备的用户体验和减轻施工难度。

附图说明

图1为无线供电监测系统的结构示意图。

图2为Lora模块的结构示意图。

图3为基坑现场节点的分布图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付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。

为了改善现有的室外、恶劣施工环境下的基坑监测应用，本实施例公开了包括供电和通信的基础上进行功能优化，设计采用太阳能+蓄电池来进行无线全天候24小时供电的无线供电监测系统，如图1所示，包括电源管理单元和用电单元。其中，电源管理单元被设置为管理太阳能电池板的输出电量以及蓄电池的存储电量，具体的管理方式后面陈述。用电单元被设置为现场数据的定时采集，并将采集到的数据无线上传至客户端。在本实施例中，电池管理单元的输出端连接于所述用电单元的输入端，电池管理单元为用电单元提供持续的、稳定的电压输出。

为了实现电池管理单元对用电单元提供持续的、稳定的电压输出，本实施例的电池管理单元包括：电池充放电管理模块、稳压模块、电量检测模块和用电管理模块。其中，电池充放电管理模块的输入端连接于太阳能电池板，用于获取太阳能电池板的实时电量并做升压处理得到波动的直流电压。稳压模块的输入端连接于电池充放电管理模块的输出端，用于将获取到的直流电压进行降压处理得到稳定的直流电压。电量检测模块，其输入端同时连接于稳压模块的输出端和蓄电池，电量检测模块用于检测蓄电池的实时电量。蓄电池同时还连接于电池充放电管理模块，设置当蓄电池电量不足时，电池充放电管理模块用于给蓄电池进行充电处理。用电管理模块的输入端同时连接于稳压模块、电量检测模块和蓄电池的输出端，用电管理模块用于自动调节当前输出直流电压的来源。

在进一步的实施例中，用电单元包括：电压调整模块、Lora模块、用电装置和窜口模块。电压调整模块被设置为获取得到合适的电压值为Lora模块和用电装置中的功能单元进行供电；用电装置被设置为连接功能单元的反馈原始信号并获取数据值，实现定期自动测量现场数据，并接收Lora模块转发的轮询信号；Lora模块被设置为将用电装置连接到局域网中，实现用电装置的数据上报和网关指令的下传。

在进一步的实施例中，用电装置包括：沉降传感器、温度传感器、倾角传感器、应变传感器、或水位传感器中的一种或几种。在本实施例中，根据基坑现场工程数据采集的需要进行选配不同的传感器，传感器可以反馈相应的电信号或者是机械信号，该信号与实际的工程数据存在一个特定的映射关系，通过映射计算(即下文的反馈信号后获取的数据值的计算流程)，可以获取得到相应的工程数据，主要包括：竖向位移监测(沉降)、温度监测、土体深层水平位移监测(倾角)、支撑内力监测(应变)和水位监测等。在实际安装用电装置时，蓄电池和用电设备放置到防水箱中，太阳能电池板和现场传感器通过信号线与防水箱中的接线端子连接，实现供电和信号互联，Lora模块节点的信号，通过外接天线来实现无线信号互通。

Lora无线网关是Lora模块节点信号的汇总器，负责提供Lora节点和物联网云平台之间的数据无线通信通道。主要功能包括：

1)通过组网模块处理对新加入的Lora模块节点入网操作；

2)通过节点管理模块管理所有入网的节点；

3)通过透传通信模块定期轮询所有入网节点的实时数据及下发指令；

4)通过TCP或者MQTT的协议方式与物联网云平台进行连接，并定时推送收集到的所有Lora节点的上报数据；

5)还包括用户对Lora网关及节点的参数设置和网络设置等通用功能。

使用上述供电监测系统的无线供电监测方法，包括以下步骤：

步骤一、管理太阳能电池板的输出电量以及蓄电池的存储电量，并持续给用电单元提供稳定的电压；

步骤二、用电单元定时采集现场数据，并将采集到的数据自动无线上传。

在进一步的实施例中，步骤一包括以下流程：

按照预定节点配置所需的用电装置；如图3所示，节点是基坑现场独立的工作单元，由自身提供电源和支持数据的无线外传，一个基坑现场最多可以支持200个节点同时进行工作，节点按照设定的功能与搭配的传感器不同，可以检测基坑现场的土体深层水平位移(倾斜)、水位、支撑内力(应变)、竖向位移(沉降)等数据。

电池充放电管理模块获取太阳能电池板的实时电量并做升压处理得到波动的直流电压；并判断是否需要给蓄电池进行充电处理，让蓄电池保持满电；升压处理操作是为了将太阳能电池板的实际输出电压稳定在一个固定范围，减少前级获取的实时电量电压波动对后续电路造成影响，这样可以降低后级降压稳压电路的设计难度及对稳压电路芯片的性能要求，达到降低设计难度及提高电路性能的双重目的。

稳压模块将所述直流电压进行降压处理得到稳定的直流电压；升压处理操作是为了将太阳能电池板的实际输出电压稳定在一个固定范围，减少前级获取的实时电量电压波动对后续电路造成影响，这样可以降低后级降压稳压电路的设计难度及对稳压电路芯片的性能要求，达到降低设计难度及提高电路性能的双重目的。

用电管理模块自动调节当前输出直流电压的来源为用电装置持续的、稳定供的电源。

步骤二具体包括：电压调整模块获取得到合适的电压值为Lora模块和用电装置中的功能单元进行供电；用电装置为连接功能单元的反馈原始信号并获取数据值，实现定期自动测量现场数据，并接收Lora模块转发的轮询信号；Lora模块将用电装置连接到局域网中，实现用电装置的数据上报和网关指令的下传。

Lora模块中设置有网关，网关是现场节点数据的近端汇总器，负责收集现场所有节点的数据，并上传至物联网云平台上，通过物联网云平台将现场采集的数据和分析结果推送到用户端，用户端通过网页显示和手机APP两种方式进行交互。

在进一步的实施例中，所述电池充放电管理模块判断是否需要给蓄电池进行充电处理，让蓄电池保持满电包括以下流程：

当太阳能电池板的实时电量大于太阳能板高阈值时，且蓄电池的实时电量小于蓄电池高阈值时，则使用太阳能电池板对蓄电池进行充电；当蓄电池的实时电量大于等于蓄电池高阈值时充电完成。

在进一步的实施例中，定义U1为电池充放电管理模块获取到的太阳能电池板的实时电量，U2为电量检测模块获取到的蓄电池的实时电量；

设定对应电量的判断阈值如下：U1_H：太阳能电池板高阈值，指代太阳能电量充足，进一步的U1_H≥28V；U1_L：太阳能电池板低阈值，指代太阳能电池板电量不足，进一步的U1_L≤20V。

U2_H：蓄电池高阈值，指代蓄电池电量充足，进一步的U2_H≥24VU2_L：蓄电池低阈值，指代蓄电池电量不足，进一步的U2_L≤22V。

则当U1＞U1_H，且U2＜U2_H时，则导通电池充放电管理单元中的充电模块，实现将太阳能板中的能量以充电的方式转移到蓄电池中，直至U2＞U2_H时充电完成，蓄电池处于满电状态，切断充电模块。

在进一步的实施例中，用电管理模块自动调节当前输出直流电压的来源包括以下流程：

通过对比太阳能电池板的实时电量和蓄电池的实时电量进行初步判断：当稳压模块输出电压值高于预定值时，则优先切换稳压模块的电压进行输出，即直接使用太阳能电池板的能量；

当稳压模块输出电压值低于预定值时，则切换到蓄电池作为用电装置的供电来源。

初步判断进一步为，则当U1＞U1_H时，则在用电管理模块中，导通U1电量通道，关断U2电量通道，实现输出太阳能电池板电量的目的。即直接使用太阳能电池板的能量，这个主要是在白天且光照较为充分的情况下。

当U1_H＞U1＞U1_L时，则在用电管理模块中，导通U1电量通道，关断U2电量通道，实现输出太阳能电池板电量的目的，但此时，太阳能电池中的能量不提供给蓄电池进行充电。

当U1＜U1_L时，且U2＞U2_H时，则在用电管理模块中，关断U1电量通道，导通U2电量通道，实现输出蓄电池电量的目的。即切换到蓄电池作为用电装置的供电来源，这个主要是在晚上或者是白天阴天等光照不足的情况。通过该种方式实现为用电装置提供全天候不间断的稳定供电电源。

当U1＜U1_L时，且U2＜U2_L时，则在用电管理模块中，关断U1电量通道，关断U2电量通道，输出0电压，则后级电路不工作。

在进一步的实施例中，用电装置通过接受到的反馈信号后获取的数据值具体流程如下：

用电装置包含了沉降检测、温度检测、倾角检测、应变检测和水位检测五种类型，其中沉降检测传感器可以直接反馈出沉降数值数据，温度检测传感器可以直接反馈出温度数值数据，水位检测传感器可以直接反馈出水位数值数据，上述数据在传递时采用原始数据传递即是工程测量所需数据值，当上述值分别超过了设定的阈值时，需要报警。

倾角检测和应变检测则需要经过公式获取得到实际的倾斜角度和所承受的压力或拉力。

倾角检测的公式为：L＝tanθH，

其中θ为倾角传感器测出的角度偏移量，H为安装间隔，为常数，L则为计算得到的各个倾角传感器的水平偏移量，当该值超过安全阈值时需要报警。

应变检测的公式为：

其中k为应变传感器系数，为常数，f₀为应变传感器的初始频率，f为应变传感器测出的承受外力后的实时频率，F为计算得到的应变力，当该值为正数时，认为承受压力，当该值为负数时，认为承受拉力，当该值超过了压力或者拉力的阈值时，需要报警。

本实施例公开的无线供电监测方法应用于基坑现场监测，简化了现场的布线需求，对设备工作的位置无特殊需求，可以大大提升监测设备的用户体验和减轻施工难度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种无线供电监测系统，其特征在于，包括：

电源管理单元，被设置为管理太阳能电池板的输出电量以及蓄电池的存储电量；

用电单元，设置为现场数据的定时采集，并将采集到的数据无线上传；

所述电池管理单元的输出端连接于所述用电单元的输入端，所述电池管理单元为用电单元提供持续的、稳定的电压输出。

2.根据权利要求1所述的一种无线供电监测系统，其特征在于，

所述电池管理单元包括：

电池充放电管理模块，被设置为获取太阳能电池板的实时电量并做升压处理得到波动的直流电压；

稳压模块，连接于所述充放电管理模块；被设置为将所述直流电压进行降压处理得到稳定的直流电压；同时被设置为用于判断是否需要给蓄电池进行充电处理；

电量检测模块，连接于蓄电池；被设置为检测蓄电池的实时电量；

用电管理模块，连接于所述稳压模块和电量检测模块；被设置为自动调节当前输出直流电压的来源。

3.根据权利要求1所述的一种无线供电监测系统，其特征在于，

所述用电单元包括：电压调整模块，连接于所述电压调整模块的Lora模块，以及连接于所述电压调整模块的用电装置；

其中，所述电压调整模块被设置为获取得到合适的电压值为Lora模块和用电装置中的功能单元进行供电；

所述用电装置被设置为连接功能单元的反馈原始信号并获取数据值，实现定期自动测量现场数据，并接收Lora模块转发的轮询信号；

所述Lora模块被设置为将用电装置连接到局域网中，实现用电装置的数据上报和网关指令的下传。

4.根据权利要求3所述的一种无线供电监测系统，其特征在于，

所述用电装置包括：沉降传感器、温度传感器、倾角传感器、应变传感器、或水位传感器中的一种或几种；

沉降传感器、温度传感器、倾角传感器、应变传感器、或水位传感器分别安装在施工现场的指定位置处。

5.使用如权利要求1至4中任意一项所述系统的无线供电监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、管理太阳能电池板的输出电量以及蓄电池的存储电量，并持续给用电单元提供稳定的电压；

步骤二、用电单元定时采集现场数据，并将采集到的数据自动无线上传。

6.根据权利要求5所述的无线供电监测方法，其特征在于，所述步骤一包括以下流程：

按照预定节点配置所需的用电装置；

电池充放电管理模块获取太阳能电池板的实时电量并做升压处理得到波动的直流电压；并判断是否需要给蓄电池进行充电处理，让蓄电池保持满电；

稳压模块将所述直流电压进行降压处理得到稳定的直流电压；

用电管理模块自动调节当前输出直流电压的来源为用电装置持续的、稳定供的电源。

7.根据权利要求5所述的无线供电监测方法，其特征在于，所述步骤二包括以下流程：

电压调整模块获取得到合适的电压值为Lora模块和用电装置中的功能单元进行供电；

用电装置为连接功能单元的反馈原始信号并获取数据值，实现定期自动测量现场数据，并接收Lora模块转发的轮询信号；

Lora模块将用电装置连接到局域网中，实现用电装置的数据上报和网关指令的下传。

8.根据权利要求6所述的无线供电监测方法，其特征在于，所述电池充放电管理模块判断是否需要给蓄电池进行充电处理，让蓄电池保持满电包括以下流程：

当太阳能电池板的实时电量大于太阳能板高阈值时，且蓄电池的实时电量小于蓄电池高阈值时，则使用太阳能电池板对蓄电池进行充电；当蓄电池的实时电量大于等于蓄电池高阈值时充电完成。

9.根据权利要求6所述的无线供电监测方法，其特征在于，用电管理模块自动调节当前输出直流电压的来源包括以下流程：

通过对比太阳能电池板的实时电量和蓄电池的实时电量进行初步判断，当稳压模块输出电压值高于预定值时，则优先切换稳压模块的电压进行输出，即直接使用太阳能电池板的能量；

当稳压模块输出电压值低于预定值时，则切换到蓄电池作为用电装置的供电来源。

10.一种如权利要求5所述的无线供电监测方法应用于基坑现场监测。

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