CN115223351A - 一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置,大坝监测装置包括能量管理模块、控制模块、锂电池及传感器,控制模块电性连接能量管理模块和传感器;移动中继站包括可控UGV移动底盘、通信装置和能量发射装置;通信装置和能量发射装置均安装在可控UGV移动底盘上,能量发射装置发射能量,能量管理模块接收能量发射装置发射的能量并存储在锂电池内,锂电池向传感器及控制模块供电;控制模块接收传感器采集的数据并发送至通信装置,通信装置接收数据后发送至服务器。大坝监测装置所需能量将不再受电池和环境变化的影响;UGV移动路径可控可以有效地进行能量传递和数据收集;施工时免除布线大大降低施工难度,缩短施工时间。
Description
技术领域
本发明属于物联网技术领域,具体涉及一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置。
背景技术
现有的大坝监测通过挖埋有源电线的方式布置监测系统,施工时间长难度大。随着通信技术和物联网(IoT)的飞速发展,开启了万物互联时代。人与物之间实现了高效、自由、安全地联通。IoT设备使用传感器将“物”世界整合到数字世界,为用户决策提供服务。物联网(IoT)设备采用低功耗电池供电,系统能量受限。随着海量IoT设备的应用,为设备配备一次性电池、可充电电池或者增加电池容量,对环境将造成不可想象的污染,并且不能很好解决IoT设备能量受限问题。尤其是物联网(IoT)中继系统连接到蜂窝网络去访问互联网时,由于蜂窝网络的复杂和耗电基础设施的存在,会消耗很多电能,很快就会出现能量不足的问题。为了解决这一问题,物联网(IoT)设备通过从周围环境中捕获各种机械、热能、光伏或电磁能,来缓解能量限制。然而,由于环境能源时空分布呈现较大的变化,能量采集受环境因素影响较大,仍然会出现通信中断的可能。因此需寻找更加可靠的设备能量补给和数据传递方法,彻底摆脱大坝物联网监测系统大规模部署时受限于电池和布线的窘境。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置,包括若干个大坝监测装置、与各个所述大坝监测装置无线连接的移动中继站、与所述移动中继站远程通信连接的服务器;
所述大坝监测装置包括能量管理模块、控制模块、锂电池及传感器,控制模块电性连接能量管理模块和传感器;
所述移动中继站包括可控UGV移动底盘、通信装置和能量发射装置;
所述通信装置和能量发射装置均安装在可控UGV移动底盘上,所述能量发射装置发射能量,所述能量管理模块接收能量发射装置发射的能量并存储在锂电池内,所述锂电池向传感器及控制模块供电;控制模块接收传感器采集的数据并发送至通信装置,通信装置接收数据后发送至服务器。
优选的,所述能量管理模块包括射频能收集模组和射频能管理模组;所述控制模块包括控制单元、无线通信单元;所述控制单元通过串口连接若干大坝监测用传感器,同时控制传感器采样数据发送及射频能管理模块;
所述通信装置包括MCU模块、无线通信模块、远程通信模块;所述可控UGV移动底盘配置有电池;
所述能量发射装置为射频能发射装置;
所述射频能收集模组收集移动中继站的射频能发射装置发射的射频能,射频能收集模组输出端连接射频能管理模组和控制模块:射频能管理模组将射频能转换为直流电能,转换的电能供大坝监测装置内的锂电池充电及控制模块供电;控制模块解调出控制命令唤醒传感器,把传感器监测数据编码、调制后通过鞭状天线发送至可控UGV移动底盘上的通信装置。
优选的,所述无线通信单元和无线通信模块为LoRa无线通信模块,使用MQTT协议通过串口与控制模块和MCU模块连接。
优选的,所述控制模块使用TCP/UDP协议通过AT指令控制传感器工作和数据传输。
优选的,所述远程通信模块为4G/5G模块或北斗模块。
优选的,所述传感器包括水位位移传感器、倾斜沉降传感器和应力应变传器。
优选的,还包括与所述服务器连接的报警器和显示器。
优选的,还包括与所述服务器连接的移动终端,且服务器与通信装置内的远程通信模块通信连接,移动终端通过服务器接收来自通信装置发送的数据,并通过服务器远程发送指令。
本发明的技术效果和优点:
(1)大坝监测装置所需能量将不再受电池和环境变化的影响;
(2)UGV移动路径可控可以有效地进行能量传递和数据收集;
(3)施工时免除布线大大降低施工难度,缩短施工时间;
(4)无地基信号覆盖情况下快速搭建大坝物联网监测系统;
(5)智能无人值守实现M2M设备互联,提高决策效率。
附图说明
图1为本发明拓扑结构示意图。
图2为为本发明的工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是,对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明,但并不构成对本发明的限定。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例提供的一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置的拓扑结构示意图。
在一种实施方式中,本发明实施例提供了一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置,包括若干个大坝监测装置、与各个大坝监测装置无线连接的移动中继站、与移动中继站远程通信连接的服务器;
大坝监测装置包括能量管理模块、控制模块、锂电池及传感器,控制模块电性连接能量管理模块和传感器,控制模块电路可以采用PIC18F25K22及其外围电路实现,控制模块使用TCP/UDP协议通过AT指令控制传感器工作和数据传输;传感器包括但不限于水位位移传感器、倾斜沉降传感器和应力应变传器,通过各个传感器对大坝的多种安全问题进行监测;需要说明的是,大坝监测装置中的传感器并不局限于上述的几种,实际使用时也可以根据实际需求进行拓展。为了降低功耗,上述的各种传感器均选用低功耗的传感器,并且定时采用唤醒的方式进行控制,以进一步降低功耗。
移动中继站包括可控UGV移动底盘、通信装置和能量发射装置,能量发射装置为射频能发射装置;
通信装置和能量发射装置均安装在可控UGV移动底盘上,能量发射装置发射能量,能量管理模块接收能量发射装置发射的能量并存储在锂电池内,锂电池向传感器及控制模块供电;控制模块接收传感器采集的数据并发送至通信装置,通信装置接收数据后发送至服务器。
能量管理模块包括射频能收集模组和射频能管理模组,将移动中继站能量发射装置发射的射频能进行收集和管理;射频能收集模组将射频能转换为直流电能,射频能管理模组将直流电能进行管理;射频能管理模组连接有可充电锂电池,将转化的电能存储在锂电池中,为控制模块供电,射频能管理模组采用AEM30940型能量管理芯片及其外围电路;
控制模块包括控制单元、无线通信单元;控制单元通过串口连接若干大坝监测用传感器,同时控制传感器采样数据发送及射频能管理模块;
通信装置包括MCU模块、无线通信模块、远程通信模块;可控UGV移动底盘配置有电池,电池为大容量电池;
具体的,射频能收集模组输入端连接鞭状天线,射频能收集模组通过电容和电感组成的π型匹配电路收集移动中继站的射频能发射装置发射的射频能,射频能收集模组输出端连接射频能管理模组和控制模块:射频能管理模组通过电容和肖特基二极管组成的整流电路将射频能转换为直流电能,转换的电能供大坝监测装置内的锂电池充电及控制模块供电;控制模块解调出控制命令唤醒传感器,把传感器监测数据编码、调制后通过鞭状天线发送至可控UGV移动底盘上的通信装置。
具体的,无线通信单元和无线通信模块可以选用LoRa通信模块、433MHz无线通信模块、ZigBee模块等,MCU模块选用ESP32-WROOM-32UE的低功耗MCU模组或者其他低功耗MCU芯片;远程通信模块可以选用4G通信模块、5G通信模块或者北斗模块;使用MQTT协议通过串口与控制模块和MCU模块连接。
具体的,服务器还连接报警器和显示器,服务器可以在获取到的数据存在异常时通过设置的报警器进行报警提示,同时在显示器上显示大坝监测的相关信息;报警器可以选用语音报警器,可以在数据异常时播放语音报警信息;显示器可以选用LED显示屏、LCD显示屏等多种目前常用的显示屏。
进一步地,大坝监测装置还包括与服务器连接的移动终端,服务器与通信装置内的远程通信模块通信连接,移动终端通过服务器接收来自通信装置发送的数据,并通过服务器远程发送指令;通过设置的移动终端,用户可以远程接收服务器发送的报警提示信息,可以更及时地发现监测区域的异常情况,从而更妥善地安排检修工作;示例性地,上述的移动终端可以选用手机、笔记本电脑等。
如图2,安装有通信装置、能量发射装置、电池的可控UGV移动底盘(以下简称UGV)的具体工作流程为:在大坝所需监测的位置选定UGV定位点,UGV定位点设置大坝监测装置,UGV到达定位点后大坝监测装置被唤醒,UGV发射射频能到大坝监测装置,大坝监测装置通过无线通信发送数据和自身能量状态到UGV,数据收集完毕,UGV到达指定位置将数据转发到服务器,若出现数据监测异常,则进行报警提示,然后调整定位点访问顺序,进行下一个定位点的工作。
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 (8)
1.一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置,其特征在于:包括若干个大坝监测装置、与各个所述大坝监测装置无线连接的移动中继站、与所述移动中继站远程通信连接的服务器;
所述大坝监测装置包括能量管理模块、控制模块、锂电池及传感器,控制模块电性连接能量管理模块和传感器;
所述移动中继站包括可控UGV移动底盘、通信装置和能量发射装置;
所述通信装置和能量发射装置均安装在可控UGV移动底盘上,所述能量发射装置发射能量,所述能量管理模块接收能量发射装置发射的能量并存储在锂电池内,所述锂电池向传感器及控制模块供电;控制模块接收传感器采集的数据并发送至通信装置,通信装置接收数据后发送至服务器。
2.根据权利要求1所述的一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置,其特征在于:所述能量管理模块包括射频能收集模组和射频能管理模组;所述控制模块包括控制单元、无线通信单元;所述控制单元通过串口连接若干大坝监测用传感器,同时控制传感器采样数据发送及射频能管理模块;
所述通信装置包括MCU模块、无线通信模块、远程通信模块;所述可控UGV移动底盘配置有电池;
所述能量发射装置为射频能发射装置;
所述射频能收集模组收集移动中继站的射频能发射装置发射的射频能,射频能收集模组输出端连接射频能管理模组和控制模块:射频能管理模组将射频能转换为直流电能,转换的电能供大坝监测装置内的锂电池充电及控制模块供电;控制模块解调出控制命令唤醒传感器,把传感器监测数据编码、调制后通过鞭状天线发送至可控UGV移动底盘上的通信装置。
3.根据权利要求2所述的一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置,其特征在于:所述无线通信单元和无线通信模块为LoRa无线通信模块,使用MQTT协议通过串口与控制模块和MCU模块连接。
4.根据权利要求1所述的一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置,其特征在于:所述控制模块使用TCP/UDP协议通过AT指令控制传感器工作和数据传输。
5.根据权利要求2所述的一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置,其特征在于:所述远程通信模块为4G/5G模块或北斗模块。
6.根据权利要求1所述的一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置,其特征在于:所述传感器包括水位位移传感器、倾斜沉降传感器和应力应变传器。
7.根据权利要求1所述的一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置,其特征在于:还包括与所述服务器连接的报警器和显示器。
8.根据权利要求1所述的一种应用于大坝安全监测的能量和数据传递装置,其特征在于:还包括与所述服务器连接的移动终端,且服务器与通信装置内的远程通信模块通信连接,移动终端通过服务器接收来自通信装置发送的数据,并通过服务器远程发送指令。
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