CN117451169A - 一种分布式易植入地下多源信息感知装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式易植入地下多源信息感知装置及方法，装置包括：传感器单元和控制主板，传感器单元包括根据预设的监测指标配置的三相加速度传感器、温度探针和三轴陀螺仪器等，控制主板上集成振动传感器接口、数模转换器、三轴陀螺仪接口、TP1000接口、主控芯片、USB接口和多种通讯接口。本发明整合了振动、温度、变形等多源地质数据，能够实现地质安全临灾异常信号拾取，形成基于振动、温度、变形等多源数据的地下空间安全智能诊断与风险管控一体化平台。
Description
技术领域
本发明涉及地质环境监测技术领域，具体涉及一种分布式易植入地下多源信息感知装置及方法。
背景技术
目前，地下空间安全智能监测领域中，以隧道、深基坑、地铁等地下空间工程，存在地下感知体系技术分散、干扰信号多、施工难度大等难题，而且现有监测技术大多是单独采集每种参数指标，不能同时同地实时获取多个数据源。由于每个数据源都涉及不同领域，并且不同数据需要不同类型的传感器检测，输出数据类型也各不相同，同一个采集器针对不同类传感器控制指令都不同，很难同时能完成多个不同领域数据采集，因此不利于实现地下空间安全的智能诊断、风险管控和灾前预报等。
发明内容
技术目的：针对上述技术问题，本发明提出了一种分布式易植入地下多源信息感知装置及方法，其整合了振动、温度、变形等多源地质数据，能够实现地质安全临灾异常信号拾取，形成基于振动、温度、变形等多源数据的地下空间安全智能诊断与风险管控一体化平台。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种分布式易植入地下多源信息感知装置，其特征在于，包括：
传感器单元，其根据预设的监测指标配置多种数据采集设备，包括：三相加速度传感器、温度探针和三轴陀螺仪；
控制主板，其上集成振动传感器接口、数模转换器、三轴陀螺仪接口、3线制TP1000接口、主控芯片和多种通讯接口；
其中，所述主控芯片包括电信号连接的FPGA模块和微控制器，FPGA模块型号为XC7A35T-2CSG324I，微控制器型号为STM32F429VGT6，FPGA模块设有分别与各个通讯接口电信号连接的多个输出端，FPGA模块与传感器单元中的各种数据采集设备通信连接；
所述振动传感器接口用于接收三相加速度传感器的检测数据，振动传感器接口包括X相接口、Y相接口和Z相接口，各相接口分别设有单独的信号调理电路，各个信号调理电路的输出端连接数模转换器的输入端，数模转换器的输出端连接至FPGA模块的输入端；
所述三轴陀螺仪接口用于接收三轴陀螺仪的检测数据，三轴陀螺仪接口处设有隔离供电模块，隔离供电模块的输出端连接至FPGA模块的输入端；
所述3线制TP1000接口用于接收温度探针的检测数据，3线制TP1000接口处设有PT1000调理电路，PT1000调理电路的输出端连接至微控制器的输入端，微控制器换算出温度后通过串口传输给FPGA模块。
优选地，所述信号调理电路包括阻抗变换电路和抗混叠滤波电路，所述三相加速度传感器的X、Y、Z三相检测数据，经过阻抗变换、抗混叠滤波电路后进入数模转换器。
优选地，所述隔离供电模块包括485通讯模块和供电模块，485通讯模块的型号为TD341S485S，供电模块的型号为B0505S-1WR3。
优选地，所述控制主板上还设有加热电源接口和继电器，继电器的闭合或断开由主控芯片控制。
优选地，所述控制主板上还设有与主控芯片电信号连接的TF卡，用于储存数据，所述通讯接口包括USB接口、4G接口和GPS接口。
一种分布式易植入地下多源信息感知方法，应用于所述装置，包括步骤：
传感器单元中的各种数据采集设备根据主控芯片发送的指令，开启数据采集工作；
三相加速度传感器发送的检测数据经振动传感器接口接入控制主板，然后经信号调理电路、数模转换器处理后输入FPGA模块；
三轴陀螺仪发送的检测数据经三轴陀螺仪接口和隔离供电模块后输入FPGA模块；
温度探针发送的检测数据经PT1000调理电路处理后输入微控制器；
FPGA模块对三相加速度传感器发送的检测数据进行频域和时域分析，分析得到X、Y和Z三个方向的振动数据；
微控制器根据温度探测发送的检测数据，换算出温度后通过串口传输给FPGA模块；
FPGA模块对三轴陀螺仪发送的检测数据进行分析，得出所述装置的位置变化的数据。
有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明整合了振动、温度、变形等多源地质数据，基于人工智能算法实现地质安全临灾异常信号拾取，形成基于振动、温度、变形等多源数据的地下空间安全智能诊断与风险管控一体化平台，实现地下空间地表变形监测精度达到毫米级，实现灾前预报并增加了预报提前时间，通过采用自适应变频感知传感设备，根据指标变化特征进行自动调整其采样频率和采样精度等参数，能够更好地捕捉和分析指标的变化，满足城市地质地质安全风险监测评价智慧、高效、快速的决策分析需求。
附图说明
图1为分布式易植入地下多源信息感知装置的硬件框图；
图2是将本发明装置应用于城市地质安全监测的实例示意图；
图3为图2所示装置应用实例中获取的振动信号示意图；
图4为图2所示装置应用实例中获取的温度数据示意图；
图5为图2所示装置应用实例中获取的三轴取陀螺仪数据图；
图6为图5三轴陀螺仪获取的X、Y、Z三个方向的数据示例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细的说明。
本发明提出一种分布式易植入地下多源信息感知装置，主要由自适应变频MEMS感知传感设备、数据采集系统、自动传输系统、智能预警、可视化及分析决策平台等组成，其中感知传感设备由三相加速度传感器、温度探针、三轴陀螺仪、水位传感器等组成，分别实现振动频率、幅值、加速度、固有振动频率、温度、热物性参数、倾斜和水位测量。
其中，自适应变频MEMS感知传感器：根据不同的监测指标集成三相加速度传感器、温度探针、三轴陀螺仪、水位传感器，进行采集和监测等。
通信模块：采用4G/5G无线通信技术，将传感器节点和系统平台进行连接，实现实时数据传输和远程控制。
系统平台：作为整个装备系统的核心，负责接收传感器采集的数据、进行数据储存、处理、分析、决策及发出预警信号。
电源系统：提供装备系统的电力供应，包括备用电源、UPS电源等，以保证装备系统的稳定运行。
其技术性能与主要技术指标如下：
(1)加速度量程±2g，分辨率0.01mg，精度0.1mg；
(2)固有振动频率监测灵敏度<1.0μm/s，量程0.3m/s，采样频率0.5～500Hz；
(3)温度量程：-30～+100°；
(4)超低功耗，单节功耗小于1.8mA@12V供电。
(5)角度量程±360°，分辨率0.001°，精度0.005°：
(6)倾角量程±90°，分辨率0.001°，精度0.01°；
(7)水位量程≥100m，精度0.01米：
该集成芯片设有以下多种功能接口：
1、振动传感器接口
三相振动传感器由电路板提供恒流源供电，供电电压5V，电流125uA，电路板采用LM234作为恒流源输出，X,Y,Z三相振动信号进入电路后，先经过阻抗变换，抗混叠滤波电路后进入AD7770数模转换器。
2、三轴陀螺仪接口
陀螺仪传感器采用RS485通讯方式，供电为5V，电路板上采用隔离供电和通讯的方式，主要是防止传感器的损坏导致系统损坏，进一步保护电路板自身，485通讯模块选择金升阳的TD341S485S，波特率最高支持20M，足够满足传感器的通讯速率，隔离供电采用金升阳的B0505S-1WR3模块，传感器需要40mA的供电电流，所以隔离供电模块功率也足够。
3、三线PT1000接口以及加热电源输出
三线制PT1000经过铂电阻调理电路后进STM32内部ADC，STM32换算出温度后用过串口传输给FPGA。
加热电源用板上继电器控制，继电器闭合的时候，加热电源开启输出，继电器断开的时候，加热电源关闭输出。
4、主控芯片
主控芯片采用XILINX XC7A35T-2CSG324I和STM32F429VGT6配合的方式，STM32F429VGT6主要作为XC7A35T-2CSG324I的软核使用，处理一些XC7A35T-2CSG324I不擅长的事情，主要采集和通讯均由XC7A35T-2CSG324I完成，XC7A35T-2CSG324I具备35K+的逻辑资源，内部的BRAM完全可以做为USB 2.0的发送缓存。
5、数据存储
数据存储采用外置TF卡的方式进行储存。
6.USB 2.0接口
USB 2.0接口采用赛普拉斯的FX2芯片做为PHY层。
6、7.4G通讯接口
4G通讯接口采用FS600N透传DTU。。
7、GPS接口
GPS接口采用移远通讯的L76K GPS模块。
本发明装置便携小巧，通过大量部署该装置实现分布式布署，每一个装置配备上述各类传感器，其中，温度传感器进行了特殊加工和设计，既能实现功能又可以简单方便插入地下，易植入地下。而三相加速度传感器、三轴陀螺仪是浅埋或者插入地下5cm即可。本发明能够同时完成多种复杂传感器数据的一体化采集及数据处理，装置集成度高。
实例1：
图2至图6，将本发明装置应用于城市地质安全监测的实例示意图，具体为某地一高铁运行时产生的振动对当地的一文物建筑物产生影响的检测数据，其利用了上述感知装置检测振动信息、获取X、Y、Z三轴的不同方向的数据、温度数据、三轴陀螺仪数据等。
如图2所示，其感知方法包括以下步骤：
三相加速度传感器发送的检测数据经振动传感器接口接入控制主板，然后经信号调理电路、数模转换器处理后输入FPGA模块；三轴陀螺仪发送的检测数据经三轴陀螺仪接口和隔离供电模块后输入FPGA模块；温度探针发送的检测数据经PT1000调理电路处理后输入微控制器；
FPGA模块对三相加速度传感器发送的检测数据进行时域分析，分析得到X、Y和Z三个方向的振动数据；FPGA模块对三轴陀螺仪发送的检测数据进行形态改变，分析得出所述装置的位置变化的数据；微控制器根据温度探测发送的检测数据，换算出温度后通过串口传输给FPGA模块。
本发明提出的多源信息感知装置，具有结构简单、能够同时处理多种类型数据的功能，其通过配置不同类型的数据接口，同时采集不同类型的数据，如振动输出是电压数字信号、温度PT1000是输出电阻信号，陀螺仪、磁场等信号采用RS 485总线与数据采集盒进行有线通信。本发明通过同一个装置连接不同传感器，采用不同指令进行数据采集，如电压、模拟信号等。本发明的感知方法在获取初始状态的参数指标后，通过后期数据处理就能获取不同的数据和参数以及不同方面的应用。比如：温度测量数据可以反演出温度场分包特征，从而计算渗流场；陀螺仪测得数据可以得知物体形态变形，从而计算变形等；三分量谐振获取振动信号，通过波形数据进行频域、时域分析，得到结构变形等参数。
如图3和图4所示，示出了两段火车到时的振动信号，不同火车获取的信号是不同的，因此通过处理不同信号可以取得不同的结果。本发明将接收到的三相加速度传感器的检测数据即原始信号进行小波变换分解，降噪后重构得到去噪信号；截取第一列火车到时信号段分析，通过计算求取该片段AIC函数局部最小值，确定火车震动信号初至时刻，完成第一列火车信号到时提取；将该时刻代入传感器阵列，即时间-位置矩阵，通过TDoA(TimeDifference Of Arrival到达时间差距离差)到达时差算法计算即可实现震源坐标三维定位。其中，传感器阵列/时间-位置矩阵根据目的要求提前设置好，事先将传感器布置在不同位置，通过获取的信号，就可以确定火车位置。
本发明通过测温可以实现温度反演及原位热物性参数测量，如图5和图6所示，各个温度监测设备具有不同的编号。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种分布式易植入地下多源信息感知装置，其特征在于，包括：
传感器单元，其根据预设的监测指标配置多种数据采集设备，包括：三相加速度传感器、温度探针和三轴陀螺仪；
控制主板，其上集成振动传感器接口、数模转换器、三轴陀螺仪接口、3线制TP1000接口、主控芯片和多种通讯接口；
其中，所述主控芯片包括电信号连接的FPGA模块和微控制器，FPGA模块型号为XC7A35T-2CSG324I，微控制器型号为STM32F429VGT6，FPGA模块设有分别与各个通讯接口电信号连接的多个输出端，FPGA模块与传感器单元中的各种数据采集设备通信连接；
所述振动传感器接口用于接收三相加速度传感器的检测数据，振动传感器接口包括X相接口、Y相接口和Z相接口，各相接口分别设有单独的信号调理电路，各个信号调理电路的输出端连接数模转换器的输入端，数模转换器的输出端连接至FPGA模块的输入端；
所述三轴陀螺仪接口用于接收三轴陀螺仪的检测数据，三轴陀螺仪接口处设有隔离供电模块，隔离供电模块的输出端连接至FPGA模块的输入端；
所述3线制TP1000接口用于接收温度探针的检测数据，3线制TP1000接口处设有PT1000调理电路，PT1000调理电路的输出端连接至微控制器的输入端，微控制器换算出温度后通过串口传输给FPGA模块。
2.根据权利要求1所述的一种分布式易植入地下多源信息感知装置，其特征在于：所述信号调理电路包括阻抗变换电路和抗混叠滤波电路，所述三相加速度传感器的X、Y、Z三相检测数据，经过阻抗变换、抗混叠滤波电路后进入数模转换器。
3.根据权利要求1所述的一种分布式易植入地下多源信息感知装置，其特征在于：所述隔离供电模块包括485通讯模块和供电模块，485通讯模块的型号为TD341S485S，供电模块的型号为B0505S-1WR3。
4.根据权利要求1所述的一种分布式易植入地下多源信息感知装置，其特征在于：所述控制主板上还设有加热电源接口和继电器，继电器的闭合或断开由主控芯片控制。
5.根据权利要求1所述的一种分布式易植入地下多源信息感知装置，其特征在于：所述控制主板上还设有与主控芯片电信号连接的TF卡，用于储存数据，所述通讯接口包括USB接口、4G接口和GPS接口。
6.一种分布式易植入地下多源信息感知方法，应用于权利要求1-5所述装置，其特征在于，包括步骤：
传感器单元中的各种数据采集设备根据主控芯片发送的指令，开启数据采集工作；
三相加速度传感器发送的检测数据经振动传感器接口接入控制主板，然后经信号调理电路、数模转换器处理后输入FPGA模块；
三轴陀螺仪发送的检测数据经三轴陀螺仪接口和隔离供电模块后输入FPGA模块；
温度探针发送的检测数据经PT1000调理电路处理后输入微控制器；
FPGA模块对三相加速度传感器发送的检测数据进行频域和时域分析，分析得到X、Y和Z三个方向的振动数据；
微控制器根据温度探测发送的检测数据，换算出温度后通过串口传输给FPGA模块；
FPGA模块对三轴陀螺仪发送的检测数据进行分析，得出所述装置的位置变化的数据。
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