CN212516069U - 一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置 - Google Patents

一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置 Download PDF

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张胜
汪明亮
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Abstract

本实用新型提供一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置，其包括集成在一起的核心处理器、数据采集模块、LPWAN通信模组、电子开关组和电池，所述核心处理器与所述数据采集模块和LPWAN通信模组分别通信连接，所述电池用于给核心处理器、电子开关组和LPWAN通信模组供电，所述数据采集模块包括拉绳式位移传感器、加速度倾斜传感器、陀螺仪、温度探针和含水传感器，所述电子开关组设置在电池和数据采集模块之间并与核心处理器连接，用于通过核心处理器对数据采集模块供电状态进行控制，所述核心处理器通过LPWAN通信模组连接有监控平台，并按周期向监控平台发送数据采集模块状态。有效避免外接其他干扰因素，做到精准不误判。且功耗低，成本低，适于长期使用。

Description

一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置
技术领域
本实用新型涉及地质灾害监测装置领域，具体涉及一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置。
背景技术
地质灾害是指对人类的生命以及财产安全构成重大危害或者存在危害的地质现象。火山，地震以及海啸等突发性的地质灾害，运动剧烈，给人类造成的损失巨大，除此以外，例如地面沉降，地表裂缝的缓慢型地质灾害，同样危及人类的生命安全。我国国土辽阔，地理环境复杂，地质灾害频发，造成的损失不可估量。滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷、地面沉降和地裂缝是指在一定自然条件下与地质条件下，组成斜坡的部分岩土体，在以重力为主的作用下，沿斜坡内部一定的软弱面(带、一个或者多个)发生剪切而产生的整体下滑破坏。
针对滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷、地面沉降和地裂缝的监测监控，其难度主要是监测范围广，变化位移量缓慢，监测时间长，产生形变的时间随意不固定，干扰因素多等。为了降低人工巡检的成本，巡检时间不及时以及人工巡检的危险情况，利用仪器设备代替人工巡查不仅降低成本投入，提高响应速度，安全可靠，同时提高准确性，自动化分析，还能实现数据共享，远程推送，辅助决策，助力应急预案以及响应避灾手段的出台以及落实。现有的监测设备主要是通过掌握土体内部的位移变化量以及变化速率，结合表面综合位移信息可确定土层整体的位移变形情况。主流的技术包括GNSS、静力水准仪、裂缝计、加速度计以及倾角计等。
但其功耗都比较高，对监测点的参数采集不够全面，无法精准全面分析的同时降低功耗。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置，多种监测手段集成一体化，有效避免外接其他干扰因素，做到精准不误判。且功耗低，成本低，适于长期使用。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置，其包括集成在一起的核心处理器、数据采集模块、LPWAN通信模组、电子开关组和电池，所述核心处理器与所述数据采集模块和LPWAN通信模组分别通信连接，所述电池用于给核心处理器、电子开关组和LPWAN通信模组供电，所述数据采集模块包括拉绳式位移传感器、加速度倾斜传感器、陀螺仪、温度探针和含水传感器，所述电子开关组设置在电池和数据采集模块之间并与核心处理器连接，用于通过核心处理器对数据采集模块供电状态进行控制，所述核心处理器通过LPWAN通信模组连接有监控平台，并按周期向监控平台发送数据采集模块状态。
作为优选的，所述LPWAN通信模组可根据使用场景，适当选择NBIOT/LORA作为装置的通信模组与平台进行通信。作为优选的，所述电子开关组包括快速泄放电路。
作为优选的，所述电池为锂亚硫酰氯电池。
作为优选的，所述加速度倾斜传感器为三轴加速度倾斜传感器。
本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置，其利用内置的多种智能传感器功能模块，综合分析地表运动情况，偏移量。包括地表的裂缝大小，沉降倾斜变化，旋转角度等。实时间隔采集监测变化量，根据变化量的阈值情况以及紧急程度，调整上报间隔周期频率，不仅能够做到24小时全天候监测，还能大大提高监测预警的响应速度，多种监测手段集成一体化，有效避免外接其他干扰因素，做到精准不误判。且功耗低，降低了产品硬成本，免于铺设供电线缆，简易化安装。多种参数传感集成于一体，综合成本得以控制，同时减少后期产品维护困难以及费用支出。灵活自组网，免于人工配置，上电即可投入使用。
附图说明
图1为本实用新型的原理框图；
图2为本实用新型的电子开关组部分的电路原理图；
图3为本实用新型的安装环境示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
如图1至图3所示，本实施例公开了一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置，其包括集成在一起的核心处理器、数据采集模块、LPWAN通信模组、电子开关组和电池，所述核心处理器与所述数据采集模块和LPWAN通信模组分别通信连接，所述电池用于给核心处理器、电子开关组和LPWAN通信模组供电，所述数据采集模块包括拉绳式位移传感器、加速度倾斜传感器、陀螺仪、温度探针和含水传感器，所述电子开关组设置在电池和数据采集模块之间并与核心处理器连接，用于通过核心处理器对数据采集模块供电状态进行控制，所述核心处理器通过LPWAN通信模组连接有监控平台，并按周期向监控平台发送数据采集模块状态。
所述LPWAN通信模组可根据使用场景，适当选择NBIOT/LORA作为装置的通信模组与平台进行通信。
在本实施例中，地灾监测点，一般情况均属于山区，供电较为不便，铺设线缆困难，一般情况采用长电供电不适用。此外山地地区烟雾多雨环境，使太阳能供电方案在很多监测点环境内不能满足。结合上述情况，本装置用锂电池供电，产品采用间歇式数据采集各个数据采集模块的数据信息，独立设置电源供电开关，即本实施例中的电子开关组分时进行数据采集。对不工作的数据采集模块关断供电开关，降低功耗。此外，由于地灾监测点大部分时期处于平稳状态，数据变化小，不需要实时连续的监测数据，那么正常情况下，可适当延长上报的数据采集模块数据间隔，甚至只需要上报设备心跳，让监控平台知晓设备正常在线即可。当监测点变形进入加速变形阶段，为了获取更多数据，分析监测点的真实形变情况，可自提高上报间隔周期，即根据设定的数据采集模块的阈值，控制上报数据频率，延长电池续航时间。
基于此，针对上述低实时性，少数据包，终端数量庞大的应用场景，若采用GPRS、4G等无线网络传输，虽然提高了传输速率，但是较大的功耗要求更高的电池容量以及功率，同时占用了无线网络资源。采用目前流行的低功耗广域网(LPWAN)技术NBIOT和LORA，即本实施例中的LPWAN通信模块，充分发挥其低功耗、覆盖率广以及低成本的特点。其低功耗特性能够保证设备电池续航时间，从几个月大幅提升到几年，因此大大降低了频繁更换电池带来的不便。NBIOT/LORA的覆盖能力是LTE的100倍。这样不但能够满足地广人稀地区的大范围覆盖需求，同样适用于对深度覆盖有要求的地下应用。由于选取授权频段上的蜂窝网络技能，NBIOT无需重新建网，射频和天线也基本上都能够复用。再加上NBIOT/LORA低功耗、低带宽和低速率的特性，同样降低了芯片和模组成本。
作为优选的，所述电子开关组包括快速泄放电路。
作为优选的，所述电池为锂亚硫酰氯电池。
作为优选的，所述加速度倾斜传感器为三轴加速度倾斜传感器。
在实施例中，电源设计部分，采用3.6VDC锂亚硫酰氯电池直接为核心处理器进行供电，核心处理器根据工作模式要求，分时对各个数据采集模块，利用电子开关组进行控制送电，各个数据采集模块的供电均是3.6VDC，不需要对电池进行升压或者降压处理，避免能量转换效率带来电池功率损耗。为避免数据采集模块因关断电子开关，滤波电容缓慢放电以至于数据采集模块工作在不稳定状态，在电子开关后面加上快速泄放电路。
各个数据采集模块均采用独立的电子开关供电输电，分时送电颗有效避免电池驱动能力不足，导致电池电压跌落，设备复位重启，同样可以减少每台设备投入的供电电池数量。正常工作模式下，整个设备的平均功耗控制在1mA以内，如果采用两节ER34615电池并联供电，总容量在38A.H，产品电池续航时间如下：总容量Pw＝38A.H；电池放电效率80％；平均电流1mA；一天产品功耗Pd＝1mA*24H＝24mA.H；两节ER34615电池并联电池续航时间为：Td＝Pw*1000*80％/Pd＝38*1000*80％/24≈1266.6天≈3.47年。
为了简化安装，本装置采用3轴加速度倾斜传感器，用以测量监测点滑坡倾斜变化量，任何一个方向的角度产生偏移超过设定阈值，都将触发数据上报。3轴加速度倾斜传感器原理是，如果芯片水平静置，X、Y方向的重力分量为0g，而Z轴方向的重力分量为g。X＝0；Y＝0，Z＝g。
如果设备发生倾斜，那么重力加速度在各个轴上的分量将改变，利用各个轴上的加速度值分量，就能转变成当前设备倾角状态值。同样在设备安装完成之后，记录加速度倾角传感器采集到的倾角状态初始值，出现土质形变导致的滑坡、坍塌等，采集到的倾角值发生变化，如果与初始值的相差超过某设定阈值，触发传感器上报数据。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置，其特征在于，其包括集成在一起的核心处理器、数据采集模块、LPWAN通信模组、电子开关组和电池，所述核心处理器与所述数据采集模块和LPWAN通信模组分别通信连接，所述电池用于给核心处理器、电子开关组和LPWAN通信模组供电，所述数据采集模块包括拉绳式位移传感器、加速度倾斜传感器、陀螺仪、温度探针和含水传感器，所述电子开关组设置在电池和数据采集模块之间并与核心处理器连接，用于通过核心处理器对数据采集供电状态进行控制，所述核心处理器通过LPWAN通信模组连接有监控平台，并按周期向监控平台发送装置本身状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置，其特征在于，所述LPWAN通信模组可根据使用场景，适当选择NBIOT/LORA作为装置的通信模组与平台进行通信。
3.根据权利要求2所述的一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置，其特征在于，所述电子开关组包括快速泄放电路。
4.根据权利要求3所述的一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置，其特征在于，所述电池为锂亚硫酰氯电池。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于低功耗物联网的地质灾害监测装置，其特征在于，所述加速度倾斜传感器为三轴加速度倾斜传感器。
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