CN217063914U

CN217063914U - 基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统

Info

Publication number: CN217063914U
Application number: CN202220986134.5U
Authority: CN
Inventors: 杨琼柱; 刘跃成; 曾健; 李玖琨; 叶保权; 杨讯华; 周水
Original assignee: Yunnan Fengyun Expressway Co ltd; YUNNAN AEROSPACE ENGINEERING GEOPHYSICAL SURVEY INSPECTION CO LTD
Current assignee: Yunnan Fengyun Expressway Co ltd; YUNNAN AEROSPACE ENGINEERING GEOPHYSICAL SURVEY INSPECTION CO LTD
Priority date: 2022-04-26
Filing date: 2022-04-26
Publication date: 2022-07-26
Anticipated expiration: 2032-04-26

Abstract

本实用新型提供一种基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统，包括：振弦传感器、振弦采集仪、无线中继器和无线网关；在隧道内的每个被监测断面，安装多个所述振弦传感器以及一个所述振弦采集仪；每个被监测断面的各个所述振弦传感器，通过信号线沿隧道拱圈连接至所述被监测断面的所述振弦采集仪；在隧道内，每隔设定距离安装所述无线中继器；在隧道洞口安装所述无线网关。本实用新型提供一种基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统，通过无线信号自组网的实现隧道初支应变监测数据实时传输上报，具有布设简单、隧道初支应变监测效率高的优点，为隧道施工围岩稳定性提供有效的实时安全预警。

Description

基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统

技术领域

本实用新型属于隧道支护结构自动监测技术领域，具体涉及一种基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统。

背景技术

目前，在各工程领域特别是高速公路交通中出现大量的隧道工程。在隧道开挖施工过程中，由于一侧岩土被挖去对围岩产生卸荷作用，围岩从应力平衡状态转变为非平衡状态，在隧道施工过程中往往需要通过支护结构(比如格栅钢拱架)使围岩重新达到一个平衡状态，进而维持围岩的稳定性。保障围岩稳定性是保证施工安全的极其重要的任务。隧道围岩应变监测是隧道围岩松动影响范围、判断围岩稳定性，掌握围岩应变发展变化规律，评估支护效果的主要手段和依据，是保证围岩稳定性安全的最可靠方法之一。

在目前的隧道施工过程中，围岩应变监测常用方法是：在开挖面的初支(如格栅钢拱架)焊接传感器，将其与预留连接线相连，然后在施工过程中，定期带综合测试仪到现场，将综合测试仪与预留连接线相连，读取监测结果。

以上监测方法，虽然可以测得测量时围岩的应变状况。但是对于两个测点时间间隔之内的应变变化情况，则无法获得。若隧道围岩应变异常发生在两次测量时点之内，则此监测方法无法及时的给予施工反馈。如果需要达到较理想的监测结果，只能不断的加大监测频次，投入更过的人力，具有围岩应变监测效率低的问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统，可有效解决上述问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统，包括：振弦传感器、振弦采集仪、无线中继器和无线网关；

在隧道内的每个被监测断面，安装多个所述振弦传感器以及一个所述振弦采集仪；每个被监测断面的各个所述振弦传感器，通过信号线沿隧道拱圈连接至所述被监测断面的所述振弦采集仪；

在隧道内，每隔设定距离安装所述无线中继器；在隧道洞口安装所述无线网关；

所述振弦采集仪内置LoRa无线通信电路；所述振弦采集仪通过LoRa无线信号与最近的所述无线中继器无线连接；各个所述无线中继器通过无线自组网，逐级无线连接到所述无线网关。

优选的，所述无线网关内置4G通信模块，所述无线网关通过所述4G通信模块，与监测云平台通信连接。

优选的，所述LoRa无线通信电路通过开关管与供电电路连接。

优选的，所述振弦传感器为应变计、土压力盒、锚杆轴力计和/或孔隙水压力计。

本实用新型提供的基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统具有以下优点：

本实用新型提供一种基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统，通过无线信号自组网的实现隧道初支应变监测数据实时传输上报，具有布设简单、隧道初支应变监测效率高的优点，为隧道施工围岩稳定性提供有效的实时安全预警。

附图说明

图1为本实用新型提供的基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统的整体结构示意图；

图2为本实用新型提供的基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统的原理图；

图3为本实用新型提供的LoRa组网示意图；

图4为本实用新型提供的无线中继器的工作流程图；

图5为本实用新型提供的LoRa通信电路的电路图；

图6为本实用新型提供的LDO供电电源的电路图；

其中：

1代表振弦传感器；2代表振弦采集仪；3代表无线中继器；4代表无线网关。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参考图1和图2，本实用新型提供一种基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统，应用于隧道支护结构安全自动化监测，可实现无移动信号网络覆盖的隧道内LoRa自组网无线传输上报振弦传感器采集数据，包括：振弦传感器、振弦采集仪、无线中继器和无线网关；

在隧道内的每个被监测断面，安装多个所述振弦传感器以及一个所述振弦采集仪；每个被监测断面的各个所述振弦传感器，通过信号线沿隧道拱圈连接至所述被监测断面的所述振弦采集仪；其中，所述振弦传感器为应变计、土压力盒、锚杆轴力计和/或孔隙水压力计等。在每个被监测断面，可安装各类振弦传感器，实现对被监测断面不同类型监测数据的监测。

在隧道内，每隔设定距离安装所述无线中继器；在隧道洞口安装所述无线网关；所述无线网关内置4G通信模块，所述无线网关通过所述4G通信模块，与监测云平台通信连接。

本申请中，所述LoRa无线通信电路通过开关管与供电电路连接。

由于振弦式传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此，具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点漂移小、受温度影响小、性能稳定可靠、耐振动、寿命长等特点，所以本申请采用振弦式传感器进行信号监测。

工作原理为：

振弦采集仪自动采集隧道监测断面的各类振弦传感器的监测数据，并将数据通过振弦采集仪内部LoRa无线信号发送到无线中继器；无线中继器通过信号防碰撞和防帧重复处理后逐级转发至隧道洞口的无线网关，无线网关接收数据后通过内置4G通信模块将数据通过运营商移动网络上报至监测云平台，进行后端数据存储、分析和处理，实现无人值守全自动的隧道结构监测。

下面介绍一个实施例：

无线网关安装于隧道洞口，隧道往里按500米间距布设无线中继器，直至离被监测断面的振弦采集仪500米以内；振弦采集仪周期自动采集安装于被监测断面各类振弦传感器的信号后，将数据进行封装和无线上报，无线中继器通过对接收数据内容的识别进行选择性转发，通过主机有效转发振弦采集仪数据上报至无线网关，最终通过网关上报至云平台。

LoRa无线自组网是本系统的核心关键技术，LoRa无线自组网涉及振弦采集仪、无线中继器和无线网关之间数据传输。系统设计中采用有中心管理节点、多级中继的方式实现无线自组网。系统的LoRa组网示意图如图3所示。

系统中管理节点为无线网关，中继节点为无线中继器，接入节点为振弦采集仪，各节点对应功能如下：

管理节点：

1、管理节点负责管理LoRa网络及数据桥接功能；

2、管理节点对各个LoRa节点进行管理，记录整个接入节点网络的节点数量(无线中继、振弦采集仪等)，对各节点类型进行自动分类；

3、为云平台到无线中继模块、振弦采集仪提供双向数据桥接。

无线中继器节点：

主要负责LoRa数据帧缓存，依据数据路由信息，目标地址等，转发相应的中继数据。

接入节点：

1、主要负责监测数据、状态数据的发送；

2、负责接收处理云平台控制命令接收处理；

3、接入节点可直接或通过中继节点接入无线网关。

本系统中，无线中继器通过数据帧计数器FCNT和帧ID的识别作为数据转发与否判断的依据，可有效对数据进行双向转发(采集仪数据上报至云平台和云平台转发至指定采集仪)，避免数据转发过程中的无效转发造成数据堵塞和或碰撞。如图4所示，为无线中继器的工作流程图。

本申请的LoRa通信电路采用LoRa通信模组E19_433M，单片机通过SPI接口与模组进行通信实现数据发送和接收；另外，为降低系统空闲时的功耗，模组供电采用开关管进行控制，完成数据发送和等待数据接收超时后，单片机通过控制LORA_ON/OFF信号关断Q1实现切断模组供电以降低系统功耗。如图5所示，为LoRa通信电路的电路图。

为保证LoRa通信信号的高灵敏度，本LoRa系统通信模组单独配置LDO电源(U2)提供3.3V电源，提升系统的稳定性。如图6所示，为LDO供电电源的电路图。

本实用新型提供一种基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统，具有以下优点：

1.通过LoRa无线自组网技术实现振弦采集仪在隧道内的数据采集和传输，设备安装过程只需在隧道内按预定的间距布设LoRa无线中继器，即可实现无运营商网络的隧道内振弦采集仪数据传输和上报云平台，无需进行通信参数的配置，大幅提升设备的布设效率；

2.LoRa无线中继器通过采用对振弦采集仪数据帧ID的识别和帧转发计数器的识别和处理机制，提升中继器对数据转发的效率和避免无线信号传输造成的广播风暴。

因此，本实用新型提供一种基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统，将隧道应变数据实时上报监测云平台，在减少人力投入的情况下，还能实现区间隧道围岩应变的连续实时监测，为隧道施工围岩稳定性提供有效的实时安全预警。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统，其特征在于，包括：振弦传感器、振弦采集仪、无线中继器和无线网关；

2.根据权利要求1所述的基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统，其特征在于，所述无线网关内置4G通信模块，所述无线网关通过所述4G通信模块，与监测云平台通信连接。

3.根据权利要求1所述的基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统，其特征在于，所述LoRa无线通信电路通过开关管与供电电路连接。

4.根据权利要求1所述的基于无线自组网通信的隧道振弦传感器采集系统，其特征在于，所述振弦传感器为应变计、土压力盒、锚杆轴力计和/或孔隙水压力计。