CN113538860A - 一种多源传感器组合触发变频采集方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多源传感器组合触发变频采集方法及其系统，多种传感器获取信号后输出至硬件触发模块进行阈值比较并将结果输出至传感器数据采集模块；接收到硬件触发或软件触发针对所有传感器进行数据采集，输出至变频采集算法模块和多种传感器数据集；运算得到权重值，采集倒计时模块通过分级策略得到新的采集时间间隔进行倒计时，将结果输出至优先级序列模块；按照顺序对传感器数据进行采集。本发明采用一次触发各类传感器数据同步采集的触发采集策略，解决地质灾害监测预警中多源传感器情形下功耗高、成本高、传感器间数据时间序列差异大等问题，降低系统的整体功耗，减小传感器间数据时间序列的差异，有助于后期对地质灾害成灾机理的分析。

Description

一种多源传感器组合触发变频采集方法及其系统

技术领域

本发明涉及地质灾害监测预警领域，尤其涉及一种多源传感器组合触发变频采集方法及其系统。

背景技术

在地质灾害监测预警领域，滑坡、崩塌等自然灾害的形成过程与雨量、水位、应力、倾角、振动、裂缝、重力等诸多物理量有关，如在崩塌体的监测预警中与崩塌自然灾害监测预警密切相关的物理量主要有倾角、振动、裂缝、应力等，而在滑坡体的监测预警中与滑坡自然灾害监测预警密切相关的物理量主要有雨量、位移、裂缝等，即常见的地质灾害其成灾的相关物理量是有差异性的。

当前在地质灾害监测预警领域，常见的监测预警设备是独立运行的或组网调控运行的。对于独立运行的设备如雨量监测终端、GNSS变形监测终端、裂缝变形监测终端等，其获取到的数据是单一物理量的数据，不具备联动性；对于组网调控运行的设备，其通过中央调度器采用下发命令的方式调整设备的采集间隔，受调度算法和传输媒介的影响其延时性较大、成本较高。对于目前常规的地质灾害监测预警设备，其主要缺陷如下：1）独立运行的设备，其获取到的数据只能反映出该物理量在时间序列上的变化情况，当需要联合多类传感器进行成灾机理分析时，其不同的设备之间会呈现出数据获取时间序列不一致的缺陷，影响分析结果的准确度。2）组网调控运行的设备，其复杂的算法和过高的时延带来了功耗和成本的增加，不利于设备的普适性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多源传感器组合触发变频采集方法及其系统。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种多源传感器组合触发变频采集方法，该方法包括以下步骤：

1）多种传感器对外输出模拟量信号、数字电平信号，同时也能接收相应命令并予以响应，对外输出数据的形式可以以命令的方式进行输出，也可以以电平信号的方式进行输出，其数据采集的方式有主动输出和被动输出；与地质灾害相关且不同类型的多种传感器获取到对应物理量信号后将结果输出至硬件触发模块，硬件触发模块接收到传感器传来的模拟量信号或数字电平信号后进行阈值比较，比较的结果将输出至传感器数据采集模块，传感器数据采集模块获得硬件触发阈值比较的结果，并根据结果决定是否进行一次数据采集操作。传感器数据采集模块获取到该结果后进行判断，若获取结果没有超出预设的阈值则不进行数据采集，若获取结果超出了硬件触发模块中设定的阈值则进行数据采集操作；

2）传感器数据采集与优先级序列相连接，传感器数据采集模块将按照优先级序列确定好的传感器采集顺序对数据进行一次采集。传感器数据采集与地质灾害相关且不同类型的传感器相连接，传感器数据采集模块将根据对应驱动协议驱动传感器获取相应数据，嵌入式微控制器对数据进行采集的方式有硬件触发和软件触发两种，硬件触发是以比较器为核心的硬件电路输出作为嵌入式微控制器的中断触发信号，软件触发是嵌入式微控制器内部运行的程序主动发起一次数据采集的行为，传感器数据采集模块在接收到对应的硬件触发或软件触发发起一次数据采集后，将针对所有传感器进行数据采集操作，即一次触发各类传感器数据将同步采集。传感器数据采集模块与变频采集算法模块、与地质灾害相关且不同类型的传感器数据集相连接，传感器数据采集模块实时获取到的数据将输出至变频采集算法模块和与地质灾害相关且不同类型的传感器数据集中；

3）所述变频采集算法模块与传感器数据采集模块相连接，变频采集算法模块将传感器数据采集模块获取到的实时传感器数据进行运算，具体的运算如下：假设某一传感器采集到的数据序列为S_i，其中i=1、2、3…，假设滑动窗口大小为L且L小于i，根据滑动窗口大小可得到新的传感器数据序列为S_L，可表示为[S_i-L，S_i-L-1，S_i-L-2，…，S_i]，这里提及的滑动窗口指的是依据采集时间排序且序列长度固定的传感器数据序列，其遵照先入先出的原则对窗口中的数据进行更新，假设依据滑动窗口大小形成的数据序列S_L中筛选出的最大值为S_max，最小值为S_min，则剔除最大值和最小值的平均值

可由下式表示：

得到的平均值再基于最新获取到的传感器数据S_i可得到权重值P_i（取值范围0~1），权重值表达式可由下式表示：

；

4）所述采集倒计时模块分别与变频采集算法模块、优先级序列模块相连接，采集倒计时模块从变频采集算法模块获取到权重值P_i后将通过预先设定的分级策略得到新的采集时间间隔T，其中T的取值小于最大的采集时间间隔T_max，T大于最小的采集时间间隔T_min，当采集到的数据数目小于滑动窗口的大小L时，默认采集间隔时间为T_init。在获取到采集时间间隔T后，采集倒计时模块开始根据采集时间间隔倒计时，当倒计时结束后将结果输出至优先级序列中；

5）优先级序列模块与采集倒计时模块、传感器数据采集模块相连接，在接收到采集倒计时输出的结果后，优先级序列模块将查询传感器的采集顺序，并将结果输出至传感器数据采集模块中，按照顺序对传感器数据进行采集。

本发明的有益效果是：本发明通过对变频采集算法的精简、采用一次触发各类传感器数据同步采集的触发采集策略，解决了地质灾害监测预警中多源传感器情形下功耗高、成本高、传感器间数据时间序列差异过大等问题，降低了系统的整体功耗与成本，减小了传感器间数据时间序列的差异，有助于后期对地质灾害成灾机理的分析，具有极大的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明的逻辑结构示意图；

图3是本发明的硬件触发工作流程示意图；

图4是本发明的硬件触发原理示意图；

图5是本发明的软件触发工作流程示意图；

图6是本发明的滑动取值原理示意图；

图7是本发明的变频采集权重计算结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明系统包括与地质灾害相关且不同类型的多种传感器、RS485通信电路、RS232通信电路、硬件触发模块、嵌入式微控制器、SD卡和其它电路。所述与地质灾害相关且不同类型的多种传感器包括雨量传感器、应力传感器、水位传感器、倾角传感器、振动传感器、裂缝传感器、重力传感器等；所述RS485通信电路用于多种传感器与嵌入式微控制器之间的通信；所述RS232通信电路用于多种传感器与嵌入式微控制器之间的通信；所述硬件触发模块与地质灾害相关且不同类型的多种传感器以及嵌入式微控制器连接；所述SD卡用于存储采集到的传感器数据集；所述其它电路包含晶振、电量检测等能支撑系统正常运行的电路；所述嵌入式微控制器上设置有传感器数据采集模块、变频采集算法模块、采集倒计时模块和优先级序列模块。所述变频采集算法模块与传感器数据采集模块连接；所述采集倒计时模块分别与变频采集算法模块、优先级序列模块连接；所述变频采集算法模块与采集倒计时模块连接；所述优先级序列模块与采集倒计时模块、传感器数据采集模块连接。

图2是本发明的逻辑结构示意图，与地质灾害相关且不同类型的多种传感器用于获取数据及输出硬件触发信号；所述硬件触发模块用于接收触发信号并做阈值比较，比较结果输出至传感器数据采集模块；所述传感器数据采集模块将根据硬件和软件触发信号对传感器数据进行采集并将数据传输至与地质灾害相关且不同类型的传感器数据集和变频采集算法模块；所述优先级序列模块用于获取传感器的采集顺序；所述采集倒计时模块用于计算倒计时时间以及倒计时结束后发出传感器数据采集命令；变频采集算法模块将计算采集到的最新传感器数据并生成采集时间间隔调整权重值并输出至采集倒计时模块；所述与地质灾害相关且不同类型的多种传感器数据集用于存储采集到的传感器数据。

上述硬件触发的工作流程如图3所示，多种传感器的数据输出至硬件触发模块，硬件触发模块收到数据后进行阈值比较，若超过预设的阈值则发起一次传感器数据采集操作，否则继续下一次比较。数据采集完成后，一方面会将数据保存至对应的数据集中，另一方面将数据输入至变频采集算法模块，由该模块计算调整时间间隔的权重值，以便于对采集时间间隔的调整。对于硬件触发模块而言，其数据仅采集相应的传感器，不会同步所有的传感器进行数据采集操作。

硬件触发原理如图4所示，硬件触发模块通过R1和R2可以设定比较阈值，R1和R2组成的分压电路输出的电压将输出至比较器U1的同相端，待比较的数字电平信号和模拟信号由U1的反相端输出，U1输出默认为高电平，当输入的信号超出比较阈值后，其输出为低电平，其输出的结果将直接输出至嵌入式微控制器的外部中断引脚，硬件触发的目的是对采集策略进行调整，因此这里需要嵌入式微控制器来进行实现。

软件触发的工作流程如图5所示，变频采集算法模块用于计算权重值并将计算结果输出至采集倒计时模块，采集倒计时模块根据权重值进行采集时间间隔计算并输出计时结果，采集倒计时模块输出计时结果后会触发一次数据采集操作，在采集前通过优先级序列模块获取到传感器数据采集顺序，然后进行数据采集，对应传感器数据采集完成后一方面将数据传输至变频采集算法模块中进行下一次采集时间间隔的计算，另一方面将数据保存至相应数据集中。在软件触发中，成功触发后将按照传感器数据采集的优先级顺序对连接至系统的各类传感器数据进行采集，即一次触发各类传感器数据同步采集，实现了不同传感器之间数据时间序列的一致性。

软件触发是嵌入式微控制器上运行的程序所形成的功能，其目的在于嵌入式微控制器没有接收到硬件触发的情形下嵌入式微控制器也可以根据需要主动发起一次数据采集操作。对于嵌入式微控制器而言，其可以通过外部硬件触发功能进行数据采集，同样也可以通过嵌入式微控制器内部的程序发起数据采集，这里把嵌入式微控制器内部程序主动发起的数据采集行为定义为软件触发。

变频采集算法可以优化系统的总体采集功耗和制造成本，因此该算法的实现具有重要意义，现举例说明变频采集算法的原理，假设某一传感器采集到的数据序列为S_i，其中i=1、2、3…，对应的序列为[1,1,1,1,6,3,4,4,4,4,2,9,9,8,1,2,2,2,3,4,2,2,2,2,2,2,2,2,2,10]，数据采集的顺序按照从左至右排列，即位于序列最右边的数据为最后采集得到的数据，假设滑动窗口大小为L=6，显然L小于i。滑动取值的策略如图6所示，窗口从左至右移动，每次新窗口中的数据量固定为6个，根据滑动窗口大小可得到新的传感器数据序列为S_L，可表示为[S_i-L，S_i-L-1，S_i-L-2，…，S_i]，假设依据滑动窗口大小形成的数据序列S_L中筛选出的最大值为S_max，最小值为S_min，则剔除最大值和最小值的平均值

可由下式表示：

虽然这个时候得到的均值已经具有了一定的趋势性，但数据发生突变时，并不能及时地作出变化，因此进一步的将得到的平均值再基于最新获取到的传感器数据S_i进行计算，可得到权重值P_i（取值范围0~1），权重值表达式可由下式表示：

上述滑动窗口指的是不断更新的一组连续数据序列，比如当前有一个尺寸为4的滑动窗口，里边的数据有1、2、3、4，当采集到新的数据5，那么滑动窗口将因新数据出现后将抛弃原有的最先进入的数据，这样形成新的滑动窗口便成为了2、3、4、5，看着就像在移动一样，因此也称为滑动窗口。

图7为上述举例数据序列中的数据序列、平均值计算结果、权重值计算结果，由图7可知，“Data acquisition weight”曲线即为权重计算结果，其权重结果具有一定的趋势性，在数据发生突变时能很好进行响应，同时其权重的取值范围为0-1之间。

上述的硬件触发和软件触发，其响应优先级顺序是：软件触发小于硬件触发。如果软件触发正在执行时，一旦发生了硬件触发，则软件触发将停止数据采集，进一步对硬件触发进行响应，响应完成后不再继续执行之前没有执行完成的软件触发，直到下一次软件触发的发生。

Claims (10)

1.一种多源传感器组合触发变频采集方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）多种传感器获取到对应物理量信号后将结果输出至硬件触发模块，硬件触发模块接收到模拟量信号或数字电平信号后进行阈值比较，并将比较的结果输出至传感器数据采集模块，传感器数据采集模块根据结果决定是否进行一次数据采集操作；

2）传感器数据采集模块按照优先级序列模块确定好的多种传感器采集顺序对数据进行采集，传感器数据采集模块在接收到对应的硬件触发或软件触发发起数据采集后，将针对所有传感器进行数据采集操作，传感器数据采集模块将实时获取的数据输出至变频采集算法模块和多种传感器数据集；

3）变频采集算法模块将传感器数据采集模块获取的实时传感器数据进行运算得到权重值P_i；

4）采集倒计时模块从变频采集算法模块获取权重值P_i后，通过预先设定的分级策略得到新的采集时间间隔T，采集倒计时模块开始根据采集时间间隔进行倒计时，倒计时结束后将结果输出至优先级序列模块；

5）在接收到采集倒计时输出的结果后，优先级序列模块查询传感器的采集顺序，并将结果输出至传感器数据采集模块，并按照顺序对传感器数据进行采集。

2.如权利要求1所述的一种多源传感器组合触发变频采集方法，其特征在于，步骤1）所述多种传感器对外输出数据的形式以命令的方式或以电平信号的方式进行输出，其数据采集的方式有主动输出和被动输出。

3.如权利要求1所述的一种多源传感器组合触发变频采集方法，其特征在于，步骤1）所述传感器数据采集模块根据结果决定是否进行一次数据采集操作，是指：传感器数据采集模块获取到该结果后进行判断，若获取结果没有超出预设的阈值则不进行数据采集，若获取结果超出了硬件触发模块中设定的阈值则进行数据采集操作。

4.如权利要求1所述的一种多源传感器组合触发变频采集方法，其特征在于，步骤1）所述多种传感器是与地质灾害相关且不同类型的传感器，包括雨量传感器、应力传感器、水位传感器、倾角传感器、振动传感器、裂缝传感器、重力传感器；步骤2）所述多种传感器数据集是与地质灾害相关且不同类型的传感器数据集，包括雨量数据集、应力数据集、水位数据集、倾角数据集、振动数据集、裂缝数据集、重力数据集。

5.如权利要求1所述的一种多源传感器组合触发变频采集方法，其特征在于，步骤2）所述硬件触发是以比较器为核心的硬件电路输出作为嵌入式微控制器的中断触发信号，软件触发是嵌入式微控制器内部运行的程序主动发起一次数据采集的行为。

6.如权利要求1所述的一种多源传感器组合触发变频采集方法，其特征在于，步骤2）所述的软件触发的响应顺序小于硬件触发，如果软件触发正在执行时，一旦发生了硬件触发，则软件触发将停止数据采集，进一步对硬件触发进行响应，响应完成后不再继续执行之前没有执行完成的软件触发，直到下一次软件触发的发生。

7.如权利要求1所述的一种多源传感器组合触发变频采集方法，其特征在于，步骤3）所述权重值P_i的运算如下：假设某一传感器采集到的数据序列为S_i，其中i=1、2、3…，假设滑动窗口大小为L且L小于i，根据滑动窗口大小可得到新的传感器数据序列为S_L，表示为[S_i-L，S_i-L-1，S_i-L-2，…，S_i]，假设依据滑动窗口大小形成的数据序列S_L中筛选出的最大值为S_max，最小值为S_min，则剔除最大值和最小值的平均值

可由下式表示：

得到的平均值再基于最新获取到的传感器数据S_i可得到权重值P_i，权重值表达式为：

。

8.如权利要求1所述的一种多源传感器组合触发变频采集方法，其特征在于，步骤4）所述采集时间间隔T的取值小于最大的采集时间间隔T_max，T大于最小的采集时间间隔T_min，当采集到的数据数目小于滑动窗口的大小L时，默认采集间隔时间为T_init。

9.一种多源传感器组合触发变频采集系统，实施权利要求1所述的一种多源传感器组合触发变频采集方法，其特征在于，包括多种传感器、RS485通信电路、RS232通信电路、硬件触发模块、嵌入式微控制器、SD卡，所述RS485通信电路用于多种传感器与嵌入式微控制器之间的通信；所述RS232通信电路用于多种传感器与嵌入式微控制器之间的通信；所述硬件触发模块与地质灾害相关且不同类型的多种传感器以及嵌入式微控制器连接；所述SD卡用于存储采集到的传感器数据集；所述嵌入式微控制器上设置有传感器数据采集模块、变频采集算法模块、采集倒计时模块和优先级序列模块；所述变频采集算法模块与传感器数据采集模块连接；所述采集倒计时模块分别与变频采集算法模块、优先级序列模块连接；所述优先级序列模块与传感器数据采集模块连接。

10.如权利要求9所述的一种多源传感器组合触发变频采集系统，其特征在于，所述多种传感器是与地质灾害相关且不同类型的传感器，包括雨量传感器、应力传感器、水位传感器、倾角传感器、振动传感器、裂缝传感器、重力传感器；所述多种传感器数据集是与地质灾害相关且不同类型的传感器数据集，用于存储获取到的传感器数据，包括雨量数据集、应力数据集、水位数据集、倾角数据集、振动数据集、裂缝数据集、重力数据集。

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