CN113391342A - 双电源自适应切换的地震数据采集系统及实现方法 - Google Patents

双电源自适应切换的地震数据采集系统及实现方法 Download PDF

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CN113391342A CN202110577839.1A CN202110577839A CN113391342A CN 113391342 A CN113391342 A CN 113391342A CN 202110577839 A CN202110577839 A CN 202110577839A CN 113391342 A CN113391342 A CN 113391342A
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季明杰
李壮
冯鹏飞
王龙
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Abstract

本发明公开了一种双电源自适应切换的地震数据采集系统及实现方法，其中，该系统包括：数采分模块和电源管理模块，其中，数采分模块用于采集地表建筑物地震时的实时加速度位移信息，将其进行打包处理，传递至云端服务器，供客户查看；电源管理模块用于根据外部电源对数采分模块的供电状态自适应切换备用电池，同时将外部电源或备用电池输入的+12V直流电压转换为+‑12V，SGND、+‑5V、FGND和5V&3.3V、GND，进行供电。该系统可自动切换的双重保障电源，保证在强震环境下可正常工作，同时开发了适用地震环境的AODV路由协议，解决强震下有线网络中断或无线路由故障时无法通信的问题，保障了整个系统稳定可靠运行。

Description

双电源自适应切换的地震数据采集系统及实现方法
技术领域
本发明涉及地震数据采集技术领域，特别涉及一种基于双电源自适应切换保障方法的地震波数据采集系统及实现方法。
背景技术
我国位于环太平洋地震带和欧亚地震带两大地震带之间，西南、西北、华北、东南沿海及台湾省几乎每年都会受到地震带来的影响。数据显示，我国自1990年以来因地震而失去生命的人数占全球的一半以上，而这些人当中，大部分人又都是因为建筑物的倒塌而丧命的，所以，研究地震活动中建筑物的位移等信息对我们这样一个有着14亿人口体量的大国来说就显得格外重要，合理的建筑物结构设计能在地震中挽救更多人的生命财产。
目前，我国对于地震活动的监测主要局限于地表运动和某些特殊自然现象的监测，缺少专门针对建筑物体在地震中的振动信息监测设备。并且由于地震活动的高度破坏性，很多社会保障资源都会在大震中被摧毁，尤其是电力、通信等重要的公共基础服务资源，因此，在系统设计时必须考虑各种可能的极端情况，确保在地震发生后，采集设备可以正常工作，并能将采集数据发送出去。
因此，亟待一套新的地震数据信息采集系统，以获得强震环境下建筑物的振动位移信息数据，并保证在失去电力和公网通信等社会保障资源条件下将获得的振动信息第一时间传送出去，为地震监测、抗震救灾和建筑物抗震设计提供数据支撑。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出一种双电源自适应切换的地震数据采集系统。
本发明的另一个目的在于提出一种双电源自适应切换的地震数据采集系统的实现方法。
为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了双电源自适应切换的地震数据采集系统，包括：数采分模块和电源管理模块，其中，所述数采分模块包括：数据采集单元、数据处理单元和无线通信单元，其中，所述数据采集单元用于采集地表建筑物地震时的实时加速度位移信息；所述数据处理单元用于将所述实时加速度位移信息进行打包处理，并传输至所述无线通信单元；所述无线通信单元用于通过通信网络将打包后的数字信号传递至云端服务器，供客户查看；所述电源管理模块包括：双电源自适应切换单元和电压转换单元，其中，所述双电源自适应切换单元用于根据外部电源对所述数采分模块的供电状态自适应切换备用电池；所述电压转换单元用于将所述外部电源或所述备用电池输入的+12V直流电压转换为+-12V，SGND、+-5V、FGND和5V&3.3V、GND，为所述数采分模块供电。
本发明实施例的双电源自适应切换的地震数据采集系统，采集地震时建筑物的实时振动信息，并通过多个采集点之间接力自组网方式将采集数据传送至云端服务器，实现远程数据采集和收发，另外采用外部电源和备用电池双重保障的电源保障方案，在外部电源故障时，可以实时切换到备用电池供电，保障系统正常工作。
另外，根据本发明上述实施例的双电源自适应切换的地震数据采集系统还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数据采集单元包括位移加速度传感器、低通滤波器和A/D转换单元，其中，所述位移加速度传感器用于采集地表建筑物在X、Y、Z三自由度方向上的实时加速度位移信息；所述低通滤波器用于滤除所述实时加速度位移信息中的高频干扰信息，得到六路差分模拟电压信号；所述A/D转换单元用于将所述六路差分模拟电压信号转换为数字信号，并传输给所述数据处理单元。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数据处理单元包括中央处理单元和外设存储芯片FLASH，其中，所述中央处理单元用于将所述数字信号进行打包传输至所述无线通信单元，并对所述无线通信单元和所述数据采集单元进行工作模式配置；所述外设存储芯片FLASH用于对所述数据信号进行数据暂存。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述中央处理单元通过SPI串行通信总线接口与所述A/D转换单元、所述无线通信单元和所述外设存储芯片FLASH通信。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述无线通信单元包括Lora终端端子、Lora基站、4G通信单元和云端服务器，其中，所述Lora终端端子用于互相接力转发各个采集端子信息数据，内部采用AODV路由协议，组成接力传输网络进行组内自组网传输，当Lora终端大面积布设时，逐级接力将数字信号传送至客户端；所述Lora基站用于接收所述Lora终端传送来的数字信号，并将所述数字信号经所述中央处理单元发送给所述4G通信单元；所述4G通信单元用于将所述数字信号通过基础通信网络将数据传送至云端服务器，以供客户查看。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述双电源自适应切换单元包括：外部电源、备用电池、电池充电电路、电源切换电路和充放电保护电路，其中，
所述外部电源用于输出正负12V、正负5V和单轨5V以及单轨3.3V隔离直流电压为所述数采分模块的各个单元供电，同时，通过所述电池充电电路为所述备用电池进行充电；所述电源切换电路用于在所述外部电源处于断开时，将供电单元转换为所述备用电池，当所述外部电源恢复后，将供电单元转换为所述外部电源；所述备用电池为串联的三节锂电池，用于在所述外部电源处于断开时，替换所述外部电源为所述数采分模块的各个单元供电；所述充放电保护电路用于当所述外部电源恢复后，为所述备用电池进行智能保护充电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述充放电保护电路具体用于：周期性对所述备用电池电压进行循环检测，任何一节锂电池电压连续两次检测超过第一预设阈值，则自动停止充电；若任何一节锂电池电压连续两次检测均低于第二预设阈值，则停止放电；若所述备用电池温度超过50度，则自动停止充电。
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述电源切换电路包括一块P沟道MOS管及少量外围电路，其中，所述外部电源和所述锂电池组均与所述P_MOS管的栅极D和源极S相连接，所述P_MOS管的漏极D作为开关电路的输出端与外部电路相连。
进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述外部电源接通时，所述P沟道MOS管的栅极被拉高，所述P沟道MOS管的源极和漏极呈截止状态，所述备用电池不供电；
当所述外部电源断开时，所述P沟道MOS管的栅极被拉低，所述P沟道MOS管的MOS管的源极和漏极导通，所述备用电池供电。
为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了双电源自适应切换的地震数据采集系统的实现方法，包括：步骤S1，当设置在地表建筑物上的位移加速度传感器感应到地表位移活动时开始触发工作，采集三自由度上的实时加速度位移信息，并将所述实时速度位移信息传输给所述低通滤波器，去除高频干扰信息，并输出六路差分模拟电压信号，将所述六路差分模拟电压信号传输给所述A/D转换单元，将所述六路差分模拟电压信号转换为数字信号传输给所述数据处理单元；步骤S2，当所述数据处理单元收到所述数字信号时，首先进行数据判读，若所述数字信号任一自由度采集到的信息大于设定的最大阈值，或小于设定的最小阈值则判断为非法数据，采取丢弃处理；其次判断是否同时收到三个以上节点的采集数据，如果只收到某一个采集节点数据，则判断为外界干扰数据，丢弃数据；若同时收到三个节点以上的采集数据则将数据打包后发送给所述无线通信单元。步骤S3，当所述无线通信单元在收到所述打包后的数字信号时，首先利用所述外设存储芯片FLASH进行缓存，再向所述Lora基站发送链路请求，若收到链路确认信息，则进行数据发送，若没有收到链路确认信息则判断中间链路故障，所述Lora终端通过AODV路由协议向四周其他Lora基站或者Lora终端发送路由请求，收到链路建立的回传确认信息后再通过新建路由向目的基站发送数据包，再通过所述4G通信单元将数据传送给云端服务器；步骤S4，当所述外部电源良好时，所述备用电源不工作，所述电池充电电路开始为所述备用电源充电，当所述外部电源故障时，则利用所述电源切换电路将所述外部电源切换为所述备用电池进行供电；步骤S5，当供电正常时，所述电压转换电路将所述外部电源和所述备用电池输入的+12V直流电压转换为+-12V,SGND、+-5V、FGND和5V&3.3V、GND，为所述数采分模块提供电源。
本发明实施例的双电源自适应切换的地震数据采集系统的实现方法，采集地震时建筑物的实时振动信息，并通过多个采集点之间接力自组网方式将采集数据传送至云端服务器，实现远程数据采集和收发，另外采用外部电源和备用电池双重保障的电源保障方案，在外部电源故障时，可以实时切换到备用电池供电，保障系统正常工作。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的双电源自适应切换的地震数据采集系统结构示意图；
图2是本发明一个实施例的数据采集单元的结构示意图；
图3是本发明一个实施例的数据处理单元的结构示意图；
图4是本发明一个实施例的无线通信单元的结构示意图；
图5是本发明一个实施例的电源管理分系统的结构示意图；
图6是本发明一个实施例的电池充放电保护电路图；
图7是本发明一个实施例的双电源自适应切换电路图；
图8是本发明一个实施例的电压转换单元电路图；
图9是本发明一个实施例的双电源自适应切换的地震数据采集系统的实现方法流程图；
图10是本发明一个实施例的数采分系统整体功能实现流程图；
图11是本发明一个实施例的电源管理分系统实现流程图。
附图标记说明：10-双电源自适应切换的地震数据采集系统、100-数采分模块、101-数据采集单元、1011-位移加速度传感器、1012-低通滤波器、1013-A/D转换单元、102-数据处理单元、1021-中央处理单元、1022-外设存储芯片FLASH、103-无线通信单元、1031-Lora终端端子、1032-Lora基站、1033-4G通信单元、1034-云端服务器、200-电源管理模块、201-双电源自适应切换单元、2011-外部电源、2012-备用电池、2013-电池充电电路、2014-电源切换电路、2015-充放电保护电路和202-电压转换单元。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的双电源自适应切换的地震数据采集系统及实现方法，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的双电源自适应切换的地震数据采集系统。
图1是本发明一个实施例的双电源自适应切换的地震数据采集系统结构示意图。
如图1所示，该系统10包括：数采分模块100和电源管理模块200。
其中，数采分模块100包括：数据采集单元101、数据处理单元102和无线通信单元103，其中，数据采集单元101用于采集地表建筑物地震时的实时加速度位移信息；数据处理单元102用于将实时加速度位移信息进行打包处理，并传输至无线通信单元103；无线通信单元103用于通过通信网络将打包后的数字信号传递至云端服务器，供客户查看；电源管理模块200包括：双电源自适应切换单元201和电压转换单元202，其中，双电源自适应切换单元201用于根据外部电源对数采分模块100的供电状态自适应切换备用电池；电压转换单元202用于将外部电源或备用电池输入的+12V直流电压转换为+-12V，SGND、+-5V、FGND和5V&3.3V、GND，为数采分模块供电。
进一步地，如图2所示，数据采集单元101包括位移加速度传感器1011、低通滤波器1012和A/D转换单元1013，负责地震数据的采集、滤波和信号模数转换，其中，位移加速度传感器1011用于采集地表建筑物在X、Y、Z三自由度方向上的实时加速度位移信息；低通滤波器1012用于滤除实时加速度位移信息中的高频干扰信息，得到六路差分模拟电压信号；A/D转换单元1013用于将六路差分模拟电压信号转换为数字信号，并传输给数据处理单元。
具体地，如图2所示，位移加速度传感器1011具有三维空间XYZ三个方向自由度的位移和加速度信息感应能力。图中VO_X+/VO_X-、VO_Y+/VO_Y-、VO_Z+/VO_Z-分别代表位移加速度传感器1011X、Y、Z三自由度方向上的六路差分输出信号。根据大地震动的频率特点，用低通滤波器1012滤除位移加速度传感器1011采集到的高频干扰信息，图中S_1/S_2/S_3/S_4/S_5/S_6对应滤波器输出的六路差分模拟电压信号，经过A/D转换单元将模拟信号转换为数字信号，送给数据处理单元。A/D转换单元1013选择AD4111模数转换芯片，4路24位高精度转换且且具有低功耗低噪声特性，可以满足系统性能设计要求。位移加速度传感器1011由+/-12V双极性电源供电，输出为6路差分信号，经低通滤波器处理后送至AD4111单元进行模数转换，然后通过SPI串行输入输出总线传送给数据处理单元102。
进一步地，如图3所示，数据处理单元102包括中央处理单元1021和外设存储芯片FLASH1022，其中，中央处理单元1021用于将数字信号进行打包传输至无线通信单元，并对无线通信单元103和数据采集单元101进行工作模式配置；外设存储芯片FLASH1022用于对数据信号进行数据暂存。
进一步地，在本发明的一个实施例中，中央处理单元1021通过SPI串行通信总线接口与A/D转换单元1031、无线通信单元103和外设存储芯片FLASH1022通信。
举例而言，数据处理单元MCU102除了对成本要严格控制外，对处理器性能和待机功耗也要求比较高，本发明实施例可采用意法半导体生产的STM32F407ZTG6芯片，提供7组16口的通用IO输入输出端口，可以搭载多种不同外接设备。本发明实施例中利用STM32芯片通过SPI串行通信总线接口完成与A/D转换单元1031(AD4111)、无线通信单元103和FLASH数据存储芯片1022的通信，数据处理单元102接收AD4111输出的数字信息，利用片山外设存储芯片FLASH1022完成数据暂存，再将数据打包发送给无线通信单元103进行数据传输。
进一步地，如图4所示，无线通信单元103包括Lora终端端子1031、Lora基站1032、4G通信单元1033和云端服务器1034，其中，Lora终端端子1031用于互相接力转发各个采集端子信息数据，内部采用AODV路由协议，组成接力传输网络进行组内自组网传输，当Lora终端大面积布设时，逐级接力将数字信号传送至客户端；Lora基站1032用于接收Lora终端传送来的数字信号，并将数字信号经中央处理单元1021发送给4G通信单元1033；4G通信单元1033用于将数字信号通过基础通信网络将数据传送至云端服务器1034，以供客户查看。
也就是说，无线通信单元103由Lora终端端子1031、Lora基站1032、4G通信单元1033和云端服务器1034组成。Lora终端端子1031可以互相接力转发各个采集端子信息数据，内部采用AODV路由协议，组成接力传输网络进行组内自组网传输，当Lora终端大面积布设时可逐级接力将数据传送至客户端，Lora基站1032负责接收Lora终端传送来的数据并将数据经STM32中央处理单元1021发送给4G通信单元1033，4G通信单元1033可以将数据通过基础通信网络将数据传送至云端服务器1034，供客户在云端查看。
进一步地，如图5所示，电源管理分系统200由外部电源2011(例如市电)和备用电池2012进行双重供电，输出正负12V、正负5V和单轨5V以及单轨3.3V隔离直流电压，负责为各个单元供电，可以在外部电源2011断开情况下自动切换为备用电池2012供电，外部电源2011恢复后自动切换为外部电源201供电，并为备用电池2012进行智能保护充电，具有过流、过放和过温保护功能，保障系统在强震环境下电源供电不间断。
进一步地，双电源自适应切换单元201包括：外部电源2011、备用电池2012、电池充电电路2013、电源切换电路2014和充放电保护电路2015，其中，
外部电源2011用于输出正负12V、正负5V和单轨5V以及单轨3.3V隔离直流电压为数采分模块的各个单元供电，同时，通过电池充电电路2013为备用电池进行充电，需要说明的是，外部电源2011输入由220V交流输入，经过整流和电压转换，向系统输入直流+12V电压VC_+12V；
电源切换电路2013用于在外部电源2011处于断开时，将供电单元转换为备用电池2012，当外部电源2011恢复后，将供电单元转换为外部电源2011；
备用电池2012为串联的三节锂电池，用于在外部电源2011处于断开时，替换外部电源2011为数采分模块的各个单元供电，举例而言，备用电池2012为三节4.2V单节锂电池串联而成，外部电源2011经交直流转换输出的12.6V直流电可直接作为备用电池2012的充电电源使用；
充放电保护电路2015用于当外部电源2011恢复后，为备用电池2012进行智能保护充电，即对备用电池过充、过放和过温保护功能。举例而言，如图6所示，基于PT6303芯片设计了电池保护电路，可周期性对三节锂电池电压进行循环检测，一旦发现有任何一节电池电压连续两次检测超过第一预设阈值，则自动停止充电。同理若发现任何一节电池电压连续两次检测都低于第二预设阈值，则停止放电。同时一旦电池温度超过50度，则自动停止充电。
进一步地，如图7所示，电源切换电路2014包括一块P沟道MOS管及少量外围电路，其中，外部电源2011和备用电池2012均与P_MOS管的栅极D和源极S相连接，P_MOS管的漏极D作为开关电路的输出端与外部电路相连。
备用电池2012作为整个系统供电的备用电源，当外部电源2011切断时，内部电池供电系统被接通，电路功能实现过程分为两个状态：
当外部电源2011接通时，P沟道MOS管的栅极被拉高，P沟道MOS管的源极和漏极呈截止状态，备用电池2012不供电，系统由外部电源2011供电，发光二极管D0亮，D1灭；
当外部电源2011断开时，P沟道MOS管的栅极被拉低，P沟道MOS管的MOS管的源极和漏极导通，备用电池2012供电，系统由内部电池提供发光二极管D1亮，D0灭。
进一步地，如图8所示，电压转换单元202负责将VCO_+12V输出的12V直流电源转换成直流+12V、-12V、+5V、-5V和+3.3V，供外部设备使用。
具体地，12V转+/-12V选用UWE1212S-3WR3模块，模块正压输出端为S_+12V，负压输出端为S_-12V，模块地为SGND。12V转+-5V选用UWE1205S-3WR3模块，模块正压输出端为F_+5V，负压输出端为F_-5V，模块地为FGND。12V转单轨5V选用LM2575-5.0芯片，模块正压输出端为Vout_+5V，地端与电源输入地GND共地。5V转单轨3.3V选用AMS1117_3.3线性稳压芯片，本发明实施例中采用LM2575_5.0输出的5V电压源作为AMS1117_3.3的输入，尽可能低的电压输入值可减少线性稳压芯片的发热。模块正压输出端为Vout_+3.3V，地端与电源输入地GND共地，从而可以满足不同外设对电源信号共地的要求。
本发明实施例提出的双电源自适应切换的地震数据采集系统，借助高效低功耗的微型处理器STM32F407ZTG6实现了小型地震信息采集和收发系统，设计了可以自动切换的双重保障电源管理方案，保证了系统在强震环境下可以正常工作，利用广泛分布的Lora和4G无线通信单元组成无线自组网，同时开发了适用于地震环境的AODV路由协议，进行空中自组网信息传输，解决了强震环境下有线网络中断或无线路由故障时无法通信的问题，保障了整个系统稳定可靠运行，另外，本发明实施例功耗低、成本低、性价比高，可以进行小型轻便化安装，在城市和郊区建筑物体上快速布局，从而可确保在强震环境下可以稳定工作。
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的双电源自适应切换的地震数据采集系统的实现方法。
图9是本发明一个实施例的双电源自适应切换的地震数据采集系统的实现方法流程图。
如图9所示，该双电源自适应切换的地震数据采集系统的实现方法包括以下步骤：
在步骤S1中，当设置在地表建筑物上的位移加速度传感器1011感应到地表位移活动时开始触发工作，采集三自由度上的实时加速度位移信息，并将实时速度位移信息传输给低通滤波器1012，去除高频干扰信息，并输出六路差分模拟电压信号，将六路差分模拟电压信号传输给A/D转换单元1013，将六路差分模拟电压信号转换为数字信号传输给数据处理单元102。
在步骤S2中，当数据处理单元102收到数字信号时，首先进行数据判读，若数字信号任一自由度采集到的信息大于设定的最大阈值，或小于设定的最小阈值则判断为非法数据，采取丢弃处理；其次判断是否同时收到三个以上节点的采集数据，如果只收到某一个采集节点数据，则判断为外界干扰数据，丢弃数据；若同时收到三个节点以上的采集数据则将数据打包后发送给无线通信单元103。
在步骤S3中，当无线通信单元103在收到打包后的数字信号时，首先利用外设存储芯片FLASH1022进行缓存，再向Lora基站1032发送链路请求，若收到链路确认信息，则进行数据发送，若没有收到链路确认信息则判断中间链路故障，Lora终端通过AODV路由协议向四周其他Lora基站1032或者Lora终端发送路由请求，收到链路建立的回传确认信息后再通过新建路由向目的基站发送数据包，再通过4G通信单元1033将数据传送给云端服务器1034。
具体地，如图10所示，步骤一：当设置在地表建筑物上的位移加速度传感器1011感应到地表位移活动时开始触发工作，并开始数据采集，输出三自由度上的实时加速度位移信息，并将数据传输给低通滤波器1012进行数据滤波，低通滤波器1012在对原始数据进行低通滤波去除干扰信息后将输出的6路差分信息传输给AD4111模数转换单元，由AD4111完成模拟信号和数字信号的转换后送往数据处理单元102进行数据处理。
步骤二：当数据处理单元102收到位移加速度传感器1011信息时，首先进行数据判读，如果传感器信号任一自由度采集到的信息大于设定的最大阈值，或小于设定的最小阈值则判断为非法数据，采取丢弃处理。其次判断是否同时收到三个以上节点的采集数据，如果只收到某一个采集节点数据，则判断为外界干扰数据，丢弃数据；如果同时收到三个节点以上的采集数据则将数据发送给无线通信单元103，进行数据收发。
步骤三：无线通信单元103在收到数据处理单元102发送来的数据时，首先对数据进行缓存，再向Lora基站1032发送链路请求，如果收到链路确认信息，则进行数据发送，如果没有收到链路确认信息则判断中间链路故障，此时Lora终端通过AODV路由协议向四周其他Lora基站1032或者Lora终端发送路由请求，收到链路建立的回传确认信息后再通过新建路由向目的基站发送数据包，再通过4G通信单元1033将数据传送给云端服务器1034。
当用户端成功收到数据信息后发送完成。
在步骤S4中，当外部电源2011良好时，备用电池2012不工作，电池充电电路开始为备用电池2012充电，当外部电源2011故障时，则利用电源切换电路将外部电源2011切换为备用电池2012进行供电。
在步骤S5中，当供电正常时，电压转换电路202将外部电源2011和备用电池2012输入的+12V直流电压转换为+-12V,SGND、+-5V、FGND和5V&3.3V、GND，为数采分模块提供电源。
具体地，步骤一：系统电源接通，外部电源2011接口和内部电池供电接口接通，向电压输入单元开始供电。
步骤二：自适应切换电路201上电工作，进行双路电源选择。当市电2011供电状态良好时，电池作为备用电源2012不工作，此时电池充电电路开始为电池组充电，充电指示灯亮起。若市电2011故障，则自动切换为备用锂电池组2012供电。
步骤三：当充电电路工作时，电池保护电路2012开始周期性对三节串联锂电池组2012进行状态扫描，若电池组2012出现过充、过流和过热时则自动切断充电电路，停止充电。在电池组2012供电状态下，则适时监控电池组电压状态，当电池组2012电压低于放电电压控制阈值时，则切断电路，等待电压状态恢复。
步骤四：系统供电单元工作正常时，电压转换电路202将供电单元输入的+12V直流电压转换为+-12V,SGND、+-5V、FGND和5V&3.3V、GND，向外围设备提供电源。
本发明实施例提出的双电源自适应切换的地震数据采集系统的实现方法，借助高效低功耗的微型处理器STM32F407ZTG6实现了小型地震信息采集和收发系统，设计了可以自动切换的双重保障电源管理方案，保证了系统在强震环境下可以正常工作，利用广泛分布的Lora和4G无线通信单元组成无线自组网，同时开发了适用于地震环境的AODV路由协议，进行空中自组网信息传输，解决了强震环境下有线网络中断或无线路由故障时无法通信的问题，保障了整个系统稳定可靠运行，另外，本发明实施例功耗低、成本低、性价比高，可以进行小型轻便化安装，在城市和郊区建筑物体上快速布局，从而可确保在强震环境下可以稳定工作。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种双电源自适应切换的地震数据采集系统，其特征在于，包括：数采分模块和电源管理模块，其中，
所述数采分模块包括：数据采集单元、数据处理单元和无线通信单元，其中，所述数据采集单元用于采集地表建筑物地震时的实时加速度位移信息；所述数据处理单元用于将所述实时加速度位移信息进行打包处理，并传输至所述无线通信单元；所述无线通信单元用于通过通信网络将打包后的数字信号传递至云端服务器，供客户查看；
所述电源管理模块包括：双电源自适应切换单元和电压转换单元，其中，所述双电源自适应切换单元用于根据外部电源对所述数采分模块的供电状态自适应切换备用电池；所述电压转换单元用于将所述外部电源或所述备用电池输入的+12V直流电压转换为+-12V，SGND、+-5V、FGND和5V&3.3V、GND，为所述数采分模块供电。
2.根据权利要求1所述的双电源自适应切换的地震数据采集系统，其特征在于，所述数据采集单元包括位移加速度传感器、低通滤波器和A/D转换单元，其中，
所述位移加速度传感器用于采集地表建筑物在X、Y、Z三自由度方向上的实时加速度位移信息；
所述低通滤波器用于滤除所述实时加速度位移信息中的高频干扰信息，得到六路差分模拟电压信号；
所述A/D转换单元用于将所述六路差分模拟电压信号转换为数字信号，并传输给所述数据处理单元。
3.根据权利要求1所述的双电源自适应切换的地震数据采集系统，其特征在于，所述数据处理单元包括中央处理单元和外设存储芯片FLASH，其中，
所述中央处理单元用于将所述数字信号进行打包传输至所述无线通信单元，并对所述无线通信单元和所述数据采集单元进行工作模式配置；
所述外设存储芯片FLASH用于对所述数据信号进行数据暂存。
4.根据权利要求3所述的双电源自适应切换的地震数据采集系统，其特征在于，所述中央处理单元通过SPI串行通信总线接口与所述A/D转换单元、所述无线通信单元和所述外设存储芯片FLASH通信。
5.根据权利要求1所述的双电源自适应切换的地震数据采集系统，其特征在于，所述无线通信单元包括Lora终端端子、Lora基站、4G通信单元和云端服务器，其中，
所述Lora终端端子用于互相接力转发各个采集端子信息数据，内部采用AODV路由协议，组成接力传输网络进行组内自组网传输，当Lora终端大面积布设时，逐级接力将数字信号传送至客户端；
所述Lora基站用于接收所述Lora终端传送来的数字信号，并将所述数字信号经所述中央处理单元发送给所述4G通信单元；
所述4G通信单元用于将所述数字信号通过基础通信网络将数据传送至云端服务器，以供客户查看。
6.根据权利要求1所述的双电源自适应切换的地震数据采集系统，其特征在于，所述双电源自适应切换单元包括：外部电源、备用电池、电池充电电路、电源切换电路和充放电保护电路，其中，
所述外部电源用于输出正负12V、正负5V和单轨5V以及单轨3.3V隔离直流电压为所述数采分模块的各个单元供电，同时，通过所述电池充电电路为所述备用电池进行充电；
所述电源切换电路用于在所述外部电源处于断开时，将供电单元转换为所述备用电池，当所述外部电源恢复后，将供电单元转换为所述外部电源；
所述备用电池为串联的三节锂电池，用于在所述外部电源处于断开时，替换所述外部电源为所述数采分模块的各个单元供电；
所述充放电保护电路用于当所述外部电源恢复后，为所述备用电池进行智能保护充电。
7.根据权利要求6所述的双电源自适应切换的地震数据采集系统，其特征在于，所述充放电保护电路具体用于：
周期性对所述备用电池电压进行循环检测，任何一节锂电池电压连续两次检测超过第一预设阈值，则自动停止充电；若任何一节锂电池电压连续两次检测均低于第二预设阈值，则停止放电；若所述备用电池温度超过50度，则自动停止充电。
8.根据权利要求6所述的双电源自适应切换的地震数据采集系统，其特征在于，所述电源切换电路包括一块P沟道MOS管及少量外围电路，其中，所述外部电源和所述锂电池组均与所述P_MOS管的栅极D和源极S相连接，所述P_MOS管的漏极D作为开关电路的输出端与外部电路相连。
9.根据权利要求8所述的双电源自适应切换的地震数据采集系统，其特征在于，
当所述外部电源接通时，所述P沟道MOS管的栅极被拉高，所述P沟道MOS管的源极和漏极呈截止状态，所述备用电池不供电；
当所述外部电源断开时，所述P沟道MOS管的栅极被拉低，所述P沟道MOS管的MOS管的源极和漏极导通，所述备用电池供电。
10.一种双电源自适应切换的地震数据采集系统的实现方法，其特征在于，基于权利要求1-9任一项所述的系统，包括以下步骤：
步骤S1，当设置在地表建筑物上的位移加速度传感器感应到地表位移活动时开始触发工作，采集三自由度上的实时加速度位移信息，并将所述实时速度位移信息传输给所述低通滤波器，去除高频干扰信息，并输出六路差分模拟电压信号，将所述六路差分模拟电压信号传输给所述A/D转换单元，将所述六路差分模拟电压信号转换为数字信号传输给所述数据处理单元；
步骤S2，当所述数据处理单元收到所述数字信号时，首先进行数据判读，若所述数字信号任一自由度采集到的信息大于设定的最大阈值，或小于设定的最小阈值则判断为非法数据，采取丢弃处理；其次判断是否同时收到三个以上节点的采集数据，如果只收到某一个采集节点数据，则判断为外界干扰数据，丢弃数据；若同时收到三个节点以上的采集数据则将数据打包后发送给所述无线通信单元；
步骤S3，当所述无线通信单元在收到所述打包后的数字信号时，首先利用所述外设存储芯片FLASH进行缓存，再向所述Lora基站发送链路请求，若收到链路确认信息，则进行数据发送，若没有收到链路确认信息则判断中间链路故障，所述Lora终端通过AODV路由协议向四周其他Lora基站或者Lora终端发送路由请求，收到链路建立的回传确认信息后再通过新建路由向目的基站发送数据包，再通过所述4G通信单元将数据传送给云端服务器；
步骤S4，当所述外部电源良好时，所述备用电源不工作，所述电池充电电路开始为所述备用电源充电，当所述外部电源故障时，则利用所述电源切换电路将所述外部电源切换为所述备用电池进行供电；
步骤S5，当供电正常时，所述电压转换电路将所述外部电源和所述备用电池输入的+12V直流电压转换为+-12V,SGND、+-5V、FGND和5V&3.3V、GND，为所述数采分模块提供电源。
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