CN217985417U - 新型低功耗形变监测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种新型低功耗形变监测装置，包括：接收GNSS卫星信号，输出观测量数据的GNSS高精度模块；WiFi电路；采集测量倾角和加速度数据的IMU模块；用于通过SUB1G网络组网的SUB1G模块；电源供电单元；及与WiFi电路、GNSS高精度模块、电源供电单元、IMU模块、SUB1G模块电连接的MCU。本实用新型采用SUB1G模组，相比4G模组，成本更低，可以实现高速率、远距离数据传输；本实用新型可以方便实现设备数目的增减，可以很好满足不同应用场景需求，快速组网。

Description

新型低功耗形变监测装置及系统

技术领域

本实用新型涉及形变监测技术领域，尤其涉及一种新型低功耗形变监测装置及系统。

背景技术

形变监测装置为基于GNSS高精度定位技术、通信技术及嵌入式系统技术研发的应用于野外地质灾害的监测型GNSS接收机。目前常见的形变监测装置，均采用4G网络将高精度定位模组/板卡的原始观测量信息上传给后处理平台，后台经过相关算法处理后得出设备准确经纬度坐标，将解算的经纬度坐标与设备原始坐标进行比对，判断桥梁、大坝或边坡等是否存在较大形变并及时进行预警。

目前所有形变监测装置均采用4G网络将高精度模组/板卡将原始观测量数据上传后处理平台，采用此种工作模式要求每台设备都需要安装一个4G模组，并配一张4G卡。4G模组往往成本较高，且功耗较大，因为形变监测设备往往用于野外环境，基本采用太阳能板+电池供电方案，4G模组较大功耗需要更大容量电源，这将导致电源方案成本上升。另外4G卡也会产生一定流量资费，单个监测站往往有多台设备（一个基准站+多个监测站），需要管理多张4G卡，对于4G卡管理也提出了较高要求。

实用新型内容

本实用新型实施例所要解决的技术问题在于，提供一种新型低功耗形变监测装置及系统，以降低成本，同时实现高速率、远距离数据传输。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提出了一种新型低功耗形变监测装置，包括：

接收GNSS卫星信号，输出观测量数据的GNSS高精度模块；

便于用户通过WiFi/BT方式连接，进行参数配置、数据下载、固件升级操作的WiFi电路；

采集测量倾角和加速度数据的IMU模块；

用于通过SUB1G网络组网的SUB1G模块；

将外部输入电源转换为新型低功耗形变监测装置工作所需的各组电源电压的电源供电单元；及

与WiFi电路、GNSS高精度模块、电源供电单元、IMU模块、SUB1G模块电连接的MCU。

进一步地，还包括方便产品功能调测使用和功能扩展的Interface接口，Interface接口与MCU电连接。

进一步地，Interface接口包括RS232、RS485、MCU_RST、MCU_BOOT功能引脚。

进一步地，GNSS高精度模块采用华大北斗的型号为TAU1302的双频高精度模组。

相应地，本实用新型实施例还提供了一种新型低功耗形变监测系统，包括多组上述的新型低功耗形变监测装置，多组新型低功耗形变监测装置之间通过SUB1G网络连接通信，其中一组新型低功耗形变监测装置包括与MCU电连接的4G通信模组。

本实用新型的有益效果为：

1）本实用新型采用SUB1G模组，相比4G模组，成本更低，可以实现高速率、远距离数据传输；

2）相比4G模组，SUB1G模组功耗更小，可以减少太阳能+电池容量需求，进一步降低系统成本；

3）本实用新型采用SUB1G自组网方式传输数据，不需要再为每台设备安装一张4G卡，可以节省流量资费，减少SIM卡管理带来的工作量；

4）本实用新型采用的组网协议可扩展性较好，可以方便实现设备数目的增减，可以很好满足不同应用场景需求，快速组网；

5）本实用新型支持STAR组网和MESH组网方案，客户可以根据实际应用场景，进行快速切换。

附图说明

图1是本实用新型实施例的新型低功耗形变监测装置的结构示意图。

图2是本实用新型实施例的电源供电单元的电源树示意图。

图3是本实用新型实施例的GNSS高精度模块的电路图。

图4是本实用新型实施例的MCU的电路图。

图5是本实用新型实施例的WiFi电路的电路图。

图6是本实用新型实施例的4G通信模组的电路图。

图7是本实用新型实施例的IMU模块的电路图。

图8是本实用新型实施例的SUB1G模块的电路示意图。

图9是本实用新型实施例的Interface接口的电路图。

图10是本实用新型实施例的基准站设备的结构示意图。

图11是本实用新型实施例的新型低功耗形变监测系统的自组网工组原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

请参照图1～图9，本实用新型实施例的新型低功耗形变监测装置包括GNSS高精度模块、WiFi电路、IMU模块、SUB1G模块、电源供电单元、MCU以及Interface接口。

请参照图1～图11，本实用新型实施例的新型低功耗形变监测系统包括多组新型低功耗形变监测装置，多组新型低功耗形变监测装置之间通过SUB1G网络连接通信，其中一组新型低功耗形变监测装置包括与MCU电连接的4G通信模组。该组新型低功耗形变监测装置作为基准站设备，即作为SUB1G网关；其余的作为监测站设备，即作为SUB1G子设备。多组监测站设备和基准站设备之间通过SUB1G网络连接通信，基准站设备将获取的监测站设备数据通过4G网络上报后处理平台。基准站和监测站设备硬件构造基本相同，基准站相比监测站硬件上多了一个4G通信模组，其次基准站和监测站运行固件不同。

监测站和基准站设备均包含SUB1G通信模组，其中基准站设备作为SUB1G网关，监测站设备作为子设备，监测站设备将采集的高精度模组/板卡原始观测量数据通过SUB1G网络传输到网关（基准站设备），网关（基准站设备）将获取的原始观测量数据通过4G网络传到后处理平台。

本实用新型实施例的新型低功耗形变监测系统主要涉及两个主体，基准站设备和监测站设备。基准站设备作为SUB1G网关，监测站设备作为子设备，基准站设备可以采用轮询方式依次访问每一台子设备，子设备收到请求后产生应答，将采集的高精度模组/板卡原始观测量数据上报网关，依次类推。网关将收到的各子设备原始观测量数据通过4G网络上报后处理平台。自组网系统工作原理图如图11。

A基准站安装于监测区域上方，有较好基站信号覆盖区域，监测设备B、C、D等安装于需要监控的区域，B、C、D等监测设备与A基准站之间可通过SUB1G自组网方式通信，A基准站作网关，监测设备通过自组网将业务信息上报网关，A基准站网关通过4G网络将业务信息上传服务器。

电源供电单元将外部输入电源转换为设备工作所需的各组电源电压，提供给各功能单元，包括MCU电源，GNSS高精度模块电源，4G通信模组电源，WiFi电路电源等，其电源树如图2所示。

GNSS高精度模块采用华大北斗自研双频高精度模组，可以接收天空GNSS卫星信号，通过UART串口输出L1/L5频段GPS、BDS、GLO等原始观测量数据。该原始观测量数据经后处理平台解算后，满足监测精度2毫米要求。

MCU部分是整个装置的主控单元，MCU可采用STM32F429ZIT6芯片。MCU主要功能是通过UART串口接收GNSS高精度模块的原始观测量数据，将该数据通过SUB1G网络传给网关设备（基准站设备），网关收到子设备（监测站设备）数据后通过4G网络上传给后处理平台。

WiFi电路功能用于配置设备参数，传统使用方式需将数据线连接到设备串口/USB口等，对设备进行参数配置，相比而言WiFi方式更方便客户使用。用户可将PC通过WiFi连接设备WiFi ssid，连接成功后可在PC端打开上位机软件，对设备参数进行配置，数据下载、固件升级等操作。

4G模块部分主要用于网关设备（基准站设备），网关设备接收到子设备（监测站设备）原始观测量数据后，通过4G网络将原始观测量数据上传到后处理平台，由云端后解算获取到毫米级别精度的定位数据，并结合传感器数据给出自然灾害的判断。

MCU可以通过I2C通信获取IMU模块数据，当加速度和角速度超过阈值时，设备会进入密报模式。

密报模式：MEMS传感器通过I2C把倾角和加速度的测量数据传回ARM，回传的数据变化量超出设定阈值，ARM通过移动通讯把上传至后台的原始观测量数据频率 由原来的一至两小时一次，提高到5~10分钟一次，平台加快解算的速度。如密报数据解算后的数据没有达到平台设定的报警阈值，则平台通过移动网络或者自组网网络告知终端停止密报。

SUB1G模块可以进行组网，基准站设备作为SUB1G网关，监测站设备作为SUB1G子设备。监测站设备将GNSS原始观测量数据通过SUB1G网络传给网关，网关收到子设备数据后通过4G网络传给后解算平台。

Interface接口采用1个9芯LEMO防水航空插头，该接口主要包括RS232,RS485，MCU_RST,MCU_BOOT等功能引脚。可以通过RS485接口扩展加速度、倾角、水位计、裂缝计等；RS232接口及MCU_RST、MCU_BOOT接口主要方便产品功能调测使用。

本实用新型选用一种SUB1G自组网方案，取代传统4G模组方式。目前物联网通信存在较多无线组网方式。其中WIFI、蓝牙、Zigbee等常用于智能家居等传输距离较近应用。LORA和SUB1G因采用扩频通信机制（准确来讲，LORA也属于SUB1G一种应用），比较适合远距离无线通信，SUB1G相比LORA来讲，在相同通信距离下具有更高的传输速率，支持更高频率通信需求。就本应用来讲，一般形变监测基准站和监测站之间安装位置距离较远，且通信数据量较大，通信较为频繁。综上所述，SUB1G自组网方案更加适合该应用场景需求。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (5)

1.一种新型低功耗形变监测装置，其特征在于，包括：

接收GNSS卫星信号，输出观测量数据的GNSS高精度模块；

便于用户通过WiFi/BT方式连接，进行参数配置、数据下载、固件升级操作的WiFi电路；

采集测量倾角和加速度数据的IMU模块；

用于通过SUB1G网络组网的SUB1G模块；

将外部输入电源转换为新型低功耗形变监测装置工作所需的各组电源电压的电源供电单元；及

与WiFi电路、GNSS高精度模块、电源供电单元、IMU模块、SUB1G模块电连接的MCU。

2.如权利要求1所述的新型低功耗形变监测装置，其特征在于，还包括方便产品功能调测使用和功能扩展的Interface接口，Interface接口与MCU电连接。

3.如权利要求2所述的新型低功耗形变监测装置，其特征在于，Interface接口包括RS232、RS485、MCU_RST、MCU_BOOT功能引脚。

4.如权利要求1所述的新型低功耗形变监测装置，其特征在于，GNSS高精度模块采用华大北斗的型号为TAU1302的双频高精度模组。

5.一种新型低功耗形变监测系统，其特征在于，包括多组如权利要求1至4中任一项所述的新型低功耗形变监测装置，多组新型低功耗形变监测装置之间通过SUB1G网络连接通信，其中一组新型低功耗形变监测装置包括与MCU电连接的4G通信模组。

Images