CN212694037U - 一种基于LoRa和激光测距的隧道收敛自动化监测装置 - Google Patents

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朱星
席贺伟
王栋
冯涛
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Abstract

本实用新型公开一种基于LoRa和激光测距的隧道收敛自动化监测装置，包括无线通信模块、激光位移传感器、LoRa网关、监测预警终端、声光报警装置、电源模块和云服务器，无线通信模块为LoRa模块，两个激光位移传感器分别设置在隧道底侧的两旁，监测隧道的横向变形和纵向变形，监测预警终端分析处理激光位移传感器采集的数据，当采集的数据达到阈值时立即启动报警程序，使声光报警装置发出声光报警，并且LoRa模块通过LoRa网关将数据发送到云服务器，云服务器通过数据解算实现精确预警，通过短信或电话的方式通知政府部门，避免造成人员伤亡和财产损失。本实用新型具有远距离信号传输、数据保真度高且传输稳定、功耗低、预防自然灾害风险的优点。

Description

一种基于LoRa和激光测距的隧道收敛自动化监测装置
技术领域
本实用新型涉及自然灾害的防控领域，具体涉及一种基于LoRa和激光测距的隧道收敛自动化监测装置。
背景技术
隧道坍塌是指隧道内部结构破坏，在重力作用和外部环境的影响下出现岩石坍塌，它是我国常见的自然灾害之一，隧道变形的监测就是通过技术监测隧道内部横向变形和纵向变形情况，预测隧道坍塌的趋势，在隧道坍塌前发出预警警报，避免造成生命财产损失。
我国具有地理环境复杂、人口密度大的特点，隧道在整个公路建设中占有很大的比重，隧道坍塌发生时不仅会对过往车辆和人民生命财产造成威胁，还会破坏隧道内部的公路和铁路，使运输存在重大安全隐患和造成重大经济损失，从过去的人工监测到现在的自动化监测，我国的检测技术取得了重大进展，但是对于隧道崩塌的监测，目前信息采集传感器设备单一、信息不全面，因此在复杂山区的隧道崩塌前对各项因素不能进行准确的监测，同时在复杂山区环境中，传统的数据传输装置存在实时性差、数据存在掉包和功耗较大的缺点，不能满足复杂山区隧道崩塌实时监测预警和防治的需求，不便于监测和管理，因此急需一种能够有效降低在复杂山区环境中监测装置的功耗和提高监测数据的保真度的装置。
实用新型内容
为了克服传统的数据传输装置存在的不足，提供一种基于LoRa和激光测距的隧道收敛自动化监测装置，它能在复杂山区中全面监测隧道的情况，并且设备功耗低，信号传输的实时性强，数据不会丢包。
本实用新型的技术方案如下：
一种基于LoRa和激光测距的隧道收敛自动化监测装置，包括无线通信模块、激光位移传感器、LoRa网关、监测预警终端、声光报警装置、电源模块和云服务器，其特征在于：所述无线通信模块为LoRa模块，所述LoRa模块设有数据线，所述LoRa模块通过数据线连接监测预警终端；所述激光位移传感器包括底座、执行电机、升降杆、激光位移计，所述底座安装在激光位移传感器的底部，所述底座的内部设有LoRa模块，所述底座的顶部设有执行电机，所述执行电机与升降杆电线连接，所述升降杆安装激光位移计，所述激光位移传感器分为第一激光位移传感器和第二激光位移传感器，所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别安装在隧道两旁的底侧；所述LoRa网关设置在隧道的顶部；所述监测预警终端的外形呈盒状结构，所述监测预警终端内部设有微处理器、存储器、ADC转换器，所述微处理器内部嵌入单片机，所述监测预警终端上方设有保护罩；所述声光报警装置设有声光警笛和数据线，所述声光报警装置通过数据线与监测预警终端相连；所述电源模块为隧道现场供电模块，所述隧道现场供电模块通过电线与无线通信模块、激光位移传感器、LoRa网关、监测预警终端、声光报警装置连接；所述云服务器通过无线网络的方式与监测预警终端连接。
进一步地，所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器采用非接触式激光传感器。
进一步地，所述执行电机为蜗轮蜗杆减速电机。
再进一步地，所述微处理器内部嵌入的单片机为STM32系列的单片机。
本实用新型的有益效果是：隧道两旁的底侧安装第一激光位移传感器和第二激光位移传感器，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器都采用非接触式激光传感器来对隧道位移的进行感知，测量隧道内部的横向位移和纵向位移，提高了监测预警效果，且非接触式激光传感器易携带和易安装，便于后期维护；监测预警终端可以实时的采集数据并对其处理分析，当处理结果大于设定的阈值时，输出报警信号，通过现场的声光报警装置发出声光警笛警报来提醒过往车辆，隧道坍塌灾害即将发生，为保护人民生命财产安全提供可靠技术保障；传输模块采用LoRa模块，LoRa模块可以在没有网络的隧道内部进行数据传输，且具有功耗低、数据保真度高和稳定性高的优点，数据传输成本较低，为云服务器提供实时数据，云服务器对传输过来的数据进行综合处理和保存，提供大数据分析，得到精确预警等级并对隧道坍塌灾害作提前预警，为管理层的决策提供依据。本实用新型具有远距离信号传输、高数据保真度、数据传输稳定、低功耗、预防自然灾害风险的优点。
附图说明
图1是基于LoRa和激光测距的隧道收敛自动化监测装置总体框图；
图2是微处理的算法框图；
图3是基于LoRa和激光测距的隧道收敛自动化监测装置安装示意图。
图中：1、第一激光位移传感器，2、第二激光位移传感器，3、LoRa网关，4、保护罩，5、监测预警终端，6、声光报警装置。
具体实施方式
为了让本实用新型的特点能够便于理解，下面我将结合附图对实用新型进行详细说明。
如图1至3所示，一种基于LoRa和激光测距的隧道收敛自动化监测装置，包括无线通信模块、第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2、LoRa网关3、监测预警终端5、声光报警装置6、电源模块和云服务器。
所述无线通信模块为LoRa模块，所述LoRa模块通过数据线连接监测预警终端5。
所述第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2采用非接触式激光传感器分别安装在隧道两旁的底测，非接触式激光传感器质量轻，安装和携带都非常方便、快捷，所述第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2与监测预警终端5相连，测量隧道的横向变形和纵向变形，所述第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2都是由底座、执行电机、升降杆、激光位移计构成，所述底座内部安装LoRa模块，所述底座的顶部设置执行电机，所述执行电机为蜗轮蜗杆减速电机，所述执行电机的旋转轴数由监测预警终端5控制，所述执行电机与升降杆电线连接，所述升降杆安装激光位移计，所述激光位移计的旋转由执行电机提供动力。
所述LoRa网关3设置在隧道的顶部，所述LoRa网关3能够将lora信号转换成公网，所述监测预警终端5对数据进行处理后通过LoRa网关3进入公网将数据传输到云服务器。
所述监测预警终端5的外形呈盒状结构，所述监测预警终端5内部设置微处理器、存储器、ADC转换器，所述微处理器内部嵌入STM32系列的单片机，所述STM32系列的单片机数据处理速度快，功能强；所述存储器起到存储数据的作用；所述ADC转换器能够将激光位移传感器发出的模拟信号转变为数字信号，所述监测预警终端5上方设置保护罩4，所述保护罩4对监测预警终端5起到保护的作用。
所述声光报警装置6设置声光警笛和数据线，所述声光报警装置6通过数据线与监测预警终端5相连，所述声光报警装置6收到监测预警终端5的报警信号后，通过数据线的信号传输，声光警笛会立刻发出声光警报。
所述电源模块为隧道现场供电模块，所述隧道现场供电模块通过电线与LoRa模块、第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2、LoRa网关3、监测预警终端5、声光报警装置6连接。
所述云服务器采用无线网络的方式与监测预警终端5连接，云服务器接收LoRa模块的数据并对其进行处理、保存，并将处理的结果通过手机APP或PC电脑的方式显示出来。
本实施例中，所述第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2测量隧道的横向变形和纵向变形，通过LoRa模块将数据发送到监测预警终端5，所述监测预警终端5将采集的原始数据通过LoRa网关03每隔半个小时发送一次到云服务器，所述监测预警终端5的微处理器为内部嵌入式12位ADC转换器的STM32L系列单片机，具有内部基准、采样保持和自动扫描功能，微处理器对数据处理的原理为：激光位移传感器先测量横向位移，记录位移值为L1，记录采集时间为t1；之后执行电机再旋转激光位移计测量纵向位移，记录位移值为h1，记录采集时间为μ1，实际纵向位移d1为：
Figure BDA0002602171980000041
激光位移传感器第二次采集的横向位移记录为L2，记录采集时间为t2，第二次采集的纵向位移记录为h2，记录采集时间为μ2；激光位移传感器第三次采集的横向位移记录为L3，记录采集时间为t3，第三次采集的纵向位移记录为h3，记录采集时间为μ3；激光位移传感器第四次采集的横向位移记录为L4，记录采集时间为t4，第四次采集的纵向位移记录为h4，记录采集时间为μ4；计算实际纵向位移d2，d3，d4为：
Figure BDA0002602171980000042
Figure BDA0002602171980000043
Figure BDA0002602171980000044
计算第一次横向位移采样间隔的平均速度vL1和纵向位移采样间隔的平均速度ad1为：
Figure BDA0002602171980000051
Figure BDA0002602171980000052
第二次横向位移采样间隔的平均速度vL2和纵向位移采样间隔的平均速度vd2为：
Figure BDA0002602171980000053
Figure BDA0002602171980000054
第三次横向位移采样间隔的平均速度vL3和纵向位移采样间隔的平均速度vd3为：
Figure BDA0002602171980000055
Figure BDA0002602171980000056
计算第一阶段内横向位移的加速度aL1和纵向向位移的加速度ad1为：
Figure BDA0002602171980000057
Figure BDA0002602171980000058
计算第二阶段内横向位移的加速度αL2和纵向向位移的加速度αd2为：
Figure BDA0002602171980000059
Figure BDA00026021719800000510
最后，使得横向差值记为αL，纵向差值记为αd，则
αL＝αL2-αL1
αd＝αd2-d21
当αL和αd的值大于阈值时，所述监测预警终端5发出报警信号，所述监测预警终端5的ADC转换器将发出的警报信号从模拟信号转变为数字信号，通过数据线的传输，所述声光报警装置6收到转化后的报警信号时启动声光警笛发出声光警报，同时监测预警终端5将处理过后的数据通过LoRa信号发送到LoRa网关3，所述LoRa网关3将lora信号转换成公网发送到云服务器，所述云服务器对数据进行详细处理和保存，对隧道变形进行准确预警，并且将所得结果发送到手机或电脑，通过手机APP或电脑客户端显示出来。
以上是实施例中所表达实用新型较佳的实施方式，但是并不能因此对实用新型专利范围内形成限制，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，做出任何简单的改进和修饰，都在该实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于LoRa和激光测距的隧道收敛自动化监测装置，包括无线通信模块、激光位移传感器、LoRa网关、监测预警终端、声光报警装置、电源模块和云服务器，其特征在于：
所述无线通信模块为LoRa模块，所述LoRa模块设有数据线，所述LoRa模块通过数据线连接监测预警终端；
所述激光位移传感器包括底座、执行电机、升降杆、激光位移计，所述底座安装在激光位移传感器的底部，所述底座的内部设有LoRa模块，所述底座的顶部设有执行电机，所述执行电机与升降杆电线连接，所述升降杆安装激光位移计，所述激光位移传感器分为第一激光位移传感器和第二激光位移传感器，所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别安装在隧道两旁的底侧；
所述LoRa网关设置在隧道的顶部；
所述监测预警终端的外形呈盒状结构，所述监测预警终端内部设有微处理器、存储器、ADC转换器，所述微处理器内部嵌入单片机，所述监测预警终端上方设有保护罩；
所述声光报警装置设有声光警笛和数据线，所述声光报警装置通过数据线与监测预警终端相连；
所述电源模块为隧道现场供电模块，所述隧道现场供电模块通过电线与无线通信模块、激光位移传感器、LoRa网关、监测预警终端、声光报警装置连接；
所述云服务器通过无线网络的方式与监测预警终端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于LoRa和激光测距的隧道收敛自动化监测装置，其特征在于：所述第一激光位移传感器和第二激光位移传感器采用非接触式激光传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于LoRa和激光测距的隧道收敛自动化监测装置，其特征在于：所述执行电机为蜗轮蜗杆减速电机。
4.根据权利要求1所述的一种基于LoRa和激光测距的隧道收敛自动化监测装置，其特征在于：所述微处理器内部嵌入的单片机为STM32系列的单片机。
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CN115022842A (zh) * 2022-07-01 2022-09-06 广东飞达交通工程有限公司 一种隧道内基于LoRa技术分布式低功耗高容错率传输系统

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