CN212909546U

CN212909546U - 通用型数字式传感器物联模块和桥梁自动监测系统

Info

Publication number: CN212909546U
Application number: CN202021487700.5U
Authority: CN
Inventors: 王旭东; 周晓煜; 肖栋梁
Original assignee: Guangdong Jianke Innovation Technology Research Institute Co ltd
Current assignee: Guangdong Jianke Innovation Technology Research Institute Co ltd
Priority date: 2020-07-24
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2021-04-06
Anticipated expiration: 2030-07-24

Abstract

本实用新型公开了通用型数字式传感器物联模块和桥梁自动监测系统，所述物联模块采用嵌入式微处理器作为控制中心，采用RS485通信接口和RS232通信接口采集传感器数据，并通过Lora无线通信模块传输传感器数据。本实用新型包含通用的RS485和RS232通信接口，基本覆盖了桥梁监测场景中大部分传感器设备。本实用新型将数据采集单元、通信单元集成在一起，而且通信单元采用可长距离稳定传输数据的Lora无线通信模块，并且由于本实用新型物联模块成本和对环境的要求低，使得使用时，可根据需要在传感器附近就近配置，所以，本实用新型有利于简化桥梁自动监测系统的布线，降低成本，另外，由于各物联模块并行采集数据，所以，本实用新型还可以提升系统的数据采集效率。

Description

通用型数字式传感器物联模块和桥梁自动监测系统

技术领域

本实用新型涉及桥梁监测技术领域，具体涉及一种新型结构的数据采集模块及由其构成的桥梁自动监测系统。

背景技术

通常的桥梁自动监测系统包括传感器、数据采集器、工作子站、网关、服务器等。传感器通过通信和供电线缆与数据采集器相连，数据采集器通过通信线缆与工作子站相连，工作子站再通过通信线缆与网关相连。数据采集器通过传感器采集数据，将数据发送到工作子站，经工作子站处理后，通过网关发送到互联网再发送到相应的服务器。上述部件之间大多采用有线方式连接。而且鉴于布置工作子站成本高，后期维护难度大，而且其体积大，对环境要求高，一般还需在桥梁现场配置专门的机柜等原因，一般一座桥梁仅配置一个工作子站。这种通过工作子站集中采集数据的方式，存在如下问题：

1)全桥需要安装布设通信线缆，布线困难；

2)挂载在工作子站上的传感器数量多，逐一采集数据时，数据采集效率低；

3)在实际桥梁自动监测系统中，由于不同桥梁结构格局不同，需要布置的传感器种类、数量等存在差异，就需要特别维护工作子站，增加了监测系统开发时间；而且系统部署完成后，如果桥梁自动监测系统在长期运行过程中，需要新增测点或者工作子站等，系统维护难度和成本都较高。

实用新型内容

本实用新型的发明目的是，提供一种能简化桥梁自动监测系统布线，提高系统数据采集效率、降低系统整体成本的传感器数据采集模块。

本实用新型的另一发明目的是，提供一种基于上述传感器数据采集模块的桥梁自动监测系统。

本实用新型的第一发明目的通过如下技术方案实现：一种通用型数字式传感器物联模块，其特征在于，其包括嵌入式微处理器、基于Modbus总线协议的数据采集接口和Lora无线通信模块，所述数据采集接口包括RS485通信接口和RS232通信接口，所述嵌入式微处理器与所述RS485通信接口、RS232通信接口和所述Lora无线通信模块分别相连。

本实用新型以嵌入式微处理器作为控制中心，包含通用的RS485通信接口和RS232通信接口，支持常用的Modbus总线接口设备，基本覆盖了桥梁监测场景中大部分传感器设备，所以本实用新型物联模块在桥梁监测领域具有较好的通用性。而且，本实用新型物联模块将数据采集单元、通信单元集成在一起，通信单元选用支持长距离传输数据及数据传输稳定性好的Lora无线通信模块，可很好的适应监测系统通常的应用环境(监测系统通常应用在大桥或特大桥上)，简化监测系统的布线工作。

所述物联模块还包括用于OTA(OVER THE AIR的简称)升级的Zigbee通信模块，所述Zigbee通信模块与所述嵌入式微处理器相连。

本实用新型中将数据传输与系统升级渠道分开，一方面避免其影响传感器的数据传输，另一方面，采用Zigbee通信模块进行近场升级，速度快，稳定，可以短时间传输大量数据。

本实用新型还具有如下特点：所述RS485通信接口与所述RS232通信接口的数据接收端连通，所述RS485通信接口与所述RS232通信接口的数据发送端连通，以便可以互作监听端。

本实用新型的第二发明目的通过如下技术方案实现：一种桥梁自动监测系统，包括传感器、网关、服务器，其特征在于，所述服务器采用云服务器，所述监测系统还包括一个以上所述物联模块，所述传感器一个自成一组或若干个(指两个以上)相近的传感器组成一组，所述物联模块分布在各组传感器附近，每组所述传感器就近连至所述物联模块，获取工作电源和传递采集数据，所述物联模块通过其Lora无线通信模块与所述网关相连，将采集的传感器数据发送到所述网关，并由所述网关通过4G或5G网络转发至所述云服务器，传感器数据的汇集和处理在所述云服务器上集中完成。

本实用新型中传感器分组以及物联模块设置统一以走线方便为原则，如距离较远的两传感器可分在不同组，并在每组附近设置物联模块，或连接到同一台物联模块上有困难的两传感器，也可以分在不同组。

有益效果：

1)本实用新型物联模块集数据采集单元与无线通信单元于一体，而且成本和对环境要求低，可根据需要配置多台，分设于各组传感器附近，加之该物联模块支持长距离稳定无线传输的特点，可以极大程度简化桥梁布线，有利于降低系统布线和后期对线路的维护成本，而且由于各台物联模块之间并行采集数据，所以，本实用新型也可以明显提升系统的数据采集效率；

2)本实用新型监测系统未设置工作子站，传感器数据的汇集和处理在云服务器上集中完成，不同桥梁可共用一套服务器，面对格局不同的桥梁，无需特别的维护工作，新的桥梁监测系统开发时间短，而且系统部署完成后，如果系统在长期运行过程中，需要新增测点时，系统维护难度和成本都会大大降低。

附图说明

图1为本实用新型实施例一通用型数字式传感器物联模块的结构示意图；

图2为本实用新型实施例一通用型数字式传感器物联模块的电路原理图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的通用型数字式传感器物联模块从功能上讲，主要包括供电单元，嵌入式微处理器，和与嵌入式微处理器分别相连的基于Modbus总线协议的数据采集接口、Lora无线通信模块和Zigbee通信模块。

Lora无线通信模块用于传输传感器数据。该物联模块，支持基于LoRaWAN协议的无线通信模块用于物联系统内通信，支持Radio、PMAC、MAC三种通信方式，PMAC具备CSMA(冲突退避)、单播寻址(一对一)、组播寻址(一对多)、广播(一对所有)、软件CRC校验、连续发送、回环、调频等功能。其中MAC方式是使用基础的LoRaWAN协议进行通信，具备速率自适应、多层加密、低功耗、自动避让等功能。该物联模块所在网络是一个星型拓扑结构，所有的节点和网关间通信均是双向通信。

本实施例物联模块将数据采集单元、通信单元集成在一起，并且通信单元采用可长距离稳定传输数据的Lora无线通信模块，而且，其还具有成本低即对工作环境要求不高的特点，可根据需要配置在各组传感器附近(传感器主要以是否方便接入同一台物联模块分组，如两传感器距离较远，可分在不同组)，从而可以简化传感器到物联模块，以及物联模块到下一步的接线，有利于降低桥梁自动监测系统的布线成本和后期对线路的维护成本，同时降低系统施工难度。另外，由于各物联模块之间并行采集数据，所以本实用新型还可以提升桥梁自动监测系统数据采集的效率。

上述Zigbee通信模块用于升级嵌入式微处理器，进行系统升级维护。本实施例采用OTA升级方式，相比于有线方式，在连线不便时，明显降低了操作难度。另外，本实施例中将数据传输与系统升级渠道分开，一方面避免其影响传感器的数据传输，另一方面，采用Zigbee通信模块进行近场升级，速度快，稳定，可以短时间传输大量数据。

如图1所示，物联模块顶端设置的4、5即分别为Lora天线接口和Zigbee天线接口，2、3为供电单元的两接电口，分别为直流供电口2(圆孔型接口，主要用于连接直流适配器)和直流接线端子供电口3，外界电源通过它们接入从而给物联模块提供12V的直流电。通常物联模块是配备供电箱使用的，在供电箱里有4个底座用于固定物联模块，通过物联模块上的安装耳1将其固定在供电箱里，供电箱提供的12V直流电通过直流接线端子供电口3给物联模块供电。图1中10为设置在物联模块底端的对外直流供电口，其输出12V电压，用于对外围传感器设备供电。8为通信指示灯，用于指示通信状况，7为rst复位按键，用于快捷复位系统，13为一块128*64点阵OLED显示屏，可支持现场查询与设置参数，12、11分别为功能/切换按键和确定/修改按键。

对于数据采集接口，本实施例物联模块主要包括两种数据采集接口，分别为RS485通信接口9和RS232通信接口6。它们主要用于连接外围传感器，以读取传感器数据。本实施例物联模块支持两种常用的Modbus总线接口，基本覆盖了桥梁监测场景中大部分传感器设备，具有很好的通用性。另外，上述RS232通信接口6和RS485通信接口9的数据接收、发送端对应连通，以便可以互作为监听接口。

本实施例采用RS485通信接口采集传感器数据，理论上一根总线上可连接多达128个从设备，总线极限距离可达1200米，最高传输速率可达10Mbps。

本实施例物联模块有两种工作模式：透传模式与AT模式，模块上电或重启默认工作在透传模式。透传模式，实现物联模块与对接设备如网关间数据的透明传输。AT模式下，通过AT命令，可对物联模块进行参数配置和通信设置，主要包括系统配置、IO配置、串口配置、通信配置等。使用AT指令集，可设置不同的指令格式采集不同种类的传感器数据。

本实施例物联模块这种工作模式设定方式，可简化物联模块软件的复杂度，有效缩短产品的开发周期。

图2为本实施例通用型数字式传感器物联模块的电路原理图。如图所示，A1为指示灯模块，包括供电指示灯、工作状态指示灯、接收和发送状态指示灯。A2为供电单元。A3为温、湿度传感器模块，用于监测物流模块内部的温湿度。A4主要为Lora无线通信模块和Zigbee通信模块，其中，本实用新型的嵌入式微处理器直接利用了Lora无线通信模块的处理能力。A5为RS485接口转换模块。A6为通信模块调试接口。A7为RTC时钟模块。A8为RS232接口转换模块及FLASH模块，嵌入式软件主要存储在FLASH模块中。CON2为对外直流供电口。A1中的按键S1、S2分别为功能/切换按键和确定/修改按键。A4中的S3为复位按键。

本实用新型通用型物联模块在桥梁自动监测系统中应用时，首先进行传感器布点，在传感器相对密集区域，集中通过本实用新型物联模块采集数据，物联模块与传感器之间通过RS485总线连接。若干这样的物联模块数据统一发送到网关，最后再由网关通过4G或5G网络发送到云服务器，在云服务器再对数据进行存储、分析及预警等处理。

本实用新型物联模块运用嵌入式物联技术，将数据采集单元、通信单元、OTA升级单元集成在了一起。其中，成熟的嵌入式微处理器技术很好的降低了系统设备成本。采用LoRa无线通信方式传输数据，以及物联模块本身的低成本、对环境要求不高的特性，使得可根据需要配置多台，分设于各组传感器附近，可以极大程度简化桥梁布线，有利于降低系统布线和后期对线路的维护成本，而且由于各台物联模块之间并行采集数据，所以，本实用新型也可以明显提升系统的数据采集效率。

本实用新型通用型传感器物联模块可应用于水表、电表、气表等抄表数据采集场合，也适用于Modbus控制类照明、空调等设备，同时在桥梁监测、智能大厦、市政照明、隧道灯光、监控与自动化等行业也有广泛应用。

实施例二

一种桥梁自动监测系统，包括传感器、实施例一中的物联模块、网关、云服务器，传感器一个自成一组或若干个(指两个以上)相近的传感器组成一组，物联模块分布在各组传感器附近，每组传感器就近连至物联模块，获取工作电源和传递采集数据，物联模块通过其Lora无线模块与网关相连，将采集的传感器数据发送到网关，并由网关通过4G或5G网络转发至云服务器，传感器数据的汇集和处理在云服务器上集中完成。

本实用新型监测系统未设置工作子站，传感器数据的汇集和处理在云服务器上集中完成，不同桥梁可共用一套服务器，面对格局不同的桥梁，无需特别的维护工作，新的桥梁监测系统开发时间短，而且系统部署完成后，如果系统在长期运行过程中，需要新增测点时，系统维护难度和成本都会大大降低。

Claims

1.一种通用型数字式传感器物联模块，其特征在于，其包括嵌入式微处理器、基于Modbus总线协议的数据采集接口和Lora无线通信模块，所述数据采集接口包括RS485通信接口和RS232通信接口，所述嵌入式微处理器与所述RS485通信接口、RS232通信接口和所述Lora无线通信模块分别相连。

2.根据权利要求1所述的物联模块，其特征在于，所述物联模块还包括用于OTA升级的Zigbee通信模块，所述Zigbee通信模块与所述嵌入式微处理器相连。

3.根据权利要求1所述的物联模块，其特征在于，所述RS485通信接口与所述RS232通信接口的数据接收端连通，所述RS485通信接口与所述RS232通信接口的数据发送端连通。

4.一种桥梁自动监测系统，包括传感器、网关、服务器，其特征在于，所述服务器采用云服务器，所述监测系统还包括一个以上权利要求1或2或3所述的物联模块，所述传感器一个自成一组或若干个相近的传感器组成一组，所述物联模块分布在各组传感器附近，每组所述传感器就近连至所述物联模块，获取工作电源和传递采集数据，所述物联模块通过其Lora无线通信模块与所述网关相连，将采集的传感器数据发送到所述网关，并由所述网关通过4G或5G网络转发至所述云服务器，传感器数据的汇集和处理在所述云服务器上集中完成。