CN218976783U - 一种地质灾害数据采集与通信装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于监测设备技术领域，具体公开了一种地质灾害数据采集与通信装置，包括外壳体、电池组件、数据采集组件和通信组件，通信组件包括单片机、通信模块、连接模块、定位模块、看门狗模块、数据存储器、参数存储器、温湿度传感器、太阳能充电模块、太阳能板电压检测模块和电池电压检测模块，通信模块用于将采集的数据发送给监测平台；连接模块与数据采集组件连接；太阳能充电模块用于给电池组件充电，太阳能板电压检测模块用于检测太阳能充电模块的电压，电池电压检测模块用于检测电池组件的电压。通过设置太阳能板电压检测模块和电池电压检测模块，能够对电池组件的输出电压以及太阳能充电模块的充电电压进行检测，保证设备的安全。

Description

一种地质灾害数据采集与通信装置

技术领域

本实用新型属于监测设备技术领域，尤其涉及一种地质灾害数据采集与通信装置。

背景技术

地质灾害多发区，以滑坡、危岩和崩塌为主，每年特别是雨季都有多起地质灾害发生，随着社会经济的发展，人类工程活动的增加，地质灾害的发生呈逐年增长趋势。滑坡、危岩等地质灾害的发生具有隐蔽性、突发性和危害巨大性。受限于经费的不足，目前还不能对所有的地质灾害体进行根本的工程治理，为了预防地质灾害发生时对人民群众生命财产造成重大损失和危害，通过合理的监测手段对灾害进行预警监测是行之有效的手段。滑坡、危岩、崩塌等地质灾害的监测包括变形监测、影响因素监测和前兆异常监测等，传统方法是专业人员到现场进行各种监测数据采集，这种方式的弊端是一次监测数据所需的时间较长，内业数据处理量大，受天气影响较大，很难及时捕捉到突发的灾害体形变信息。

公开号为CN217465849U的中国实用新型公开了一种边坡自动化监测数据采集传输系统，包括边坡监测器，边坡监测器设置于边坡上，监测和收集雨量、深部位移和地表位移信息；采集传输设备，采集传输设备设置于边坡几公里外，边坡监测器通过LoRa通信传输至采集传输设备；设备终端，采集传输设备通过移动通信方式和北斗短报文方式将采集传输设备至所述设备终端。采集传输设备包括采集传输设备本体、设备接口、信号天线和4G流量卡，采集传输设备本体内集成有LoRa模块、移动通信模块和北斗短报文通信模块，设备接口和信号天线集成于采集传输设备本体上，采集传输设备本体上设置有流量卡卡槽，4G流量卡插入流量卡卡槽内。设备接口包括仪器接口、北斗短报文接口、太阳能充电接口和电池接口。外部太阳能电池和普通电池可通过太阳能充电接口和电池接口进行供电。

采用上述技术方案可以对数据进行自动采集并传输给终端，并且通过太阳能电池和普通电池进行供电，但是无对太阳能电池或普通电池进行供电时的电压检测功能，无法保证检测设备和传输设备的供电安全。并且目前很多监测设备五遮挡设备，雨水会直接淋在或掉落物会砸在蓄电池、天线等部件上，从而很有可能导致部件的毁坏以及寿命的缩短。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种地质灾害数据采集与通信装置，以解决现有的监测设备上无对太阳能电池或普通电池进行供电时的电压检测功能，无法保证检测设备和传输设备的供电安全的问题。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案为：一种地质灾害数据采集与通信装置，包括外壳体、电池组件、数据采集组件和通信组件，所述电池组件用于给数据采集组件和通信组件供电；所述数据采集组件用于采集数据并将数据发送给通信组件；所述通信组件包括单片机以及与单片机连接的通信模块、连接模块、定位模块、看门狗模块、数据存储器、参数存储器、温湿度传感器、太阳能充电模块、太阳能板电压检测模块和电池电压检测模块，所述通信模块用于将数据采集组件发送来的数据以及定位模块、温湿度传感器、太阳能板电压检测模块、电池电压检测模块的信息发送给监测平台；所述连接模块与所述数据采集组件连接并用于接收所述数据采集组件发送的数据；所述参数存储器用于存储单片机的设置信息，所述数据存储器用于缓存采集的数据；所述温湿度传感器用于感应所述外壳体内的温度和湿度；所述太阳能充电模块用于给所述电池组件充电，所述太阳能板电压检测模块用于检测所述太阳能充电模块的电压，所述电池电压检测模块用于检测所述电池组件的电压。

进一步，所述外壳体包括底壳和顶盖，所述底壳为铸铝壳体，所述顶盖为塑料盖；所述顶盖固定在所述底壳上。

进一步，所述数据采集组件包括翻斗式雨量传感器、泥位计、裂缝计和倾角计，所述连接模块包括RS485连接线和开关量连接线，所述RS485连接线用于连接泥位计、裂缝计和倾角计，所述开关量连接线用于连接翻斗式雨量传感器；所述连接模块包括开关量接口、RS485总线接口、开关量输入模块、开关量输出模块、RS485通信模块、可控电源输出模块和可调升压模块，所述开关量输入模块、开关量输出模块、RS485通信模块和可调升压模块分别与所述单片机连接，所述开关量接口分别与开关量输入模块、开关量输出模块和开关量连接线连接；所述RS485总线接口分别与RS485连接线、RS485通信模块和可控电源输出模块连接，所述可调升压模块还与可控电源输出模块和电池组件连接；所述可调升压模块用于调节输出电压；所述外壳体上设有用于安装RS485连接线和开关量连接线的通孔；所述RS485连接线和开关量连接线为防水连接线。

进一步，所述单片机还连接有扩展插槽，所述扩展插槽内能够插入内置检测模块，内置检测模块包括雨量检测模块、位移检测模块和倾角检测模块，所述单片机能够将内置检测模块的检测数据发送给监测平台。

进一步，所述通信模块包括Lora通信模块、4G通信模块、Lora天线、4G天线、Lora天线接口和4G天线接口，所述Lora通信模块和4G通信模块与所述单片机连接，所述Lora通信模块与Lora天线之间通过Lora天线接口连接，所述4G通信模块与4G天线之间通过4G天线接口连接；所述外壳体上设有用于安装4G天线的通孔；所述4G天线为防水天线。

进一步，所述定位模块包括GNSS定位模块、GNSS天线接口和GNSS天线，所述GNSS定位模块与GNSS天线之间通过GNSS天线接口连接。

进一步，所述太阳能充电模块上连接有太阳能板接口，所述太阳能板接口与外界太阳能板之间通过太阳能板连接线连接，所述外壳体上设有用于安装太阳能板连接线的通孔；所述太阳能板连接线为防水连接线。

进一步，所述电池组件包括锂电池和电池接口，所述锂电池固定在所述外壳体内，所述锂电池通过电池接口分别与所述电池电压检测模块、太阳能充电模块和可调升压模块连接。

本技术方案的有益效果在于：

①本技术方案通过设置太阳能板电压检测模块和电池电压检测模块，能够对电池组件的输出电压以及太阳能充电模块的充电电压进行检测，保证设备的安全。

②底壳作为主体，为铸铝材质，机械强度高；上盖为塑料材质，不会屏蔽电磁波信号，使得Lora天线和GNSS天线可以内置于外壳体内部，避免掉落物砸在上述部件上或雨水淋在上述部件上。

③可内置或外接传感器，使用时无需再另外配置室外防水箱和供电系统，只需外接太阳能板进行充电即可。

④采集的数据可通过4G通信模块上传到监测平台，当4G信号不好未连接到服务器上时，采集的数据可缓存到数据存储器中，当网络恢复后，再将数据存储器中存储的数据上传到监测平台。

附图说明

图1为本实用新型一种地质灾害数据采集与通信装置的结构示意图；

图2为单片机的连接原理图；

图3为单片机的电路图；

图4为4G通信模块的电路图；

图5为Lora通信模块的电路图；

图6为温湿度传感器的电路图；

图7为太阳能MPPT充电控制器的电路图；

图8为RS485通信模块的电路图；

图9为扩展插槽的接口布置图；

图10为扩展插槽的机械图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：底壳1、顶盖2、单片机3、锂电池4、GNSS天线5、Lora天线6、4G天线7、太阳能板连接线8、RS485连接线9、开关量连接线10、扩展插槽11、Lora通信模块12、4G通信模块13、Lora天线接口14、4G天线接口15、GNSS定位模块16、GNSS天线接口17、看门狗模块18、数据存储器19、参数存储器20、温湿度传感器21、电池接口22、电池电压检测模块23、太阳能充电模块24、太阳能板电压检测模块25、太阳能板接口26、可调升压模块27、可控电源输出模块28、RS485通信模块29、RS485总线接口30、开关量输入模块31、开关量输出模块32、开关量接口33。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例基本如附图1-10所示：一种地质灾害数据采集与通信装置，如图1所示，包括外壳体、电池组件、数据采集组件和通信组件，外壳体包括底壳1和顶盖2，底壳1为铸铝壳体，顶盖2为塑料盖；顶盖2固定在底壳1上。数据采集组件用于采集数据并将数据发送给通信组件。

如图2所示，通信组件包括单片机3以及与单片机3连接的通信模块、连接模块、定位模块、看门狗模块18、数据存储器19、参数存储器20、温湿度传感器21、太阳能充电模块24、太阳能板电压检测模块25、电池电压检测模块23和扩展插槽11，通信模块用于将数据采集组件发送来的数据以及定位模块、温湿度传感器21、太阳能板电压检测模块25、电池电压检测模块23的信息发送给监测平台。具体地：

使用STM32L471RET6单片机3作为核心单元，具有接口丰富，超低功耗等特点。内置多路模数转换器、通用串行总线、RTC时钟单元、定时器、SPI、I2C、比较器、中断控制器等。如图3所示，使用3.3V电源给单片机3供电，单片机3外围使用8MHz晶振提供主时钟，32.768K晶振提供RTC时钟，CR1220可充电纽扣式锂电池作为时钟备用电源。

通信模块包括Lora通信模块12、4G通信模块13、Lora天线6、4G天线7、Lora天线接口14和4G天线接口15，Lora通信模块12和4G通信模块13与单片机3连接，Lora通信模块12与Lora天线6之间通过Lora天线接口14连接，4G通信模块13与4G天线7之间通过4G天线接口15连接；外壳体上设有用于安装4G天线7的通孔；4G天线7为防水天线。如图4所示，使用WH-LTE-7S1作为4G通信模块13，具有功耗低、速率快、集成GNSS定位的特点。4G通信模块13通过串口与单片机3相连进行数据通信，接口间加入了电平匹配电路，防止由于通信电平不匹配导致模块故障。单片机3还使用一个IO口控制4G模块开关机，可在需要时重启4G通信模块13。如图5所示，使用E22-400T30S作为Lora通信模块12，工作在433MHz频段，具有功耗低、通信距离远的特点，Lora通信模块12通过串口与单片机3相连进行数据通信。单片机3可通过Lora通信模块12的M0，M1引脚控制模块的工作状态，分为正常工作状态、低功耗发送状态、低功耗接收状态和休眠状态共四种状态。除此之外，Lora通信模块12具有一个唤醒引脚，用于在低功耗接收状态下收到数据时唤醒单片机3。

定位模块包括GNSS定位模块16、GNSS天线接口17和GNSS天线5，GNSS定位模块16与GNSS天线5之间通过GNSS天线接口17连接。

太阳能充电模块24用于给电池组件充电，太阳能板电压检测模块25用于检测太阳能充电模块24的电压，太阳能充电模块24上连接有太阳能板接口26，太阳能板接口26与外界太阳能板之间通过太阳能板连接线8连接，外壳体上设有用于安装太阳能板连接线8的通孔；太阳能板连接线8为防水连接线。太阳能板连接线8由3芯线构成，分为电源输入正、电源输入负和开关信号线。开关信号线只要和电源输入负端短路，即可是本装置开机运行。当太阳能板输出电压大于12V时，可对内部锂电池4充电。如图7所示，使用CN3791作为太阳能MPPT充电控制器，可接入太阳能板对锂电池4进行充电，充电的MPPT电压可调节，具有3A的充电电流，具有防反接、放浪涌、放电池漏放电等功能。

连接模块与数据采集组件连接并用于接收数据采集组件发送的数据；参数存储器20用于存储单片机3的设置信息。数据存储器19用于缓存采集的数据，当采集的数据可通过4G通信模块13上传到监测平台，当4G信号不好未连接到服务器上时，采集的数据可缓存到数据存储器19中，当网络恢复后，再将数据存储器19中存储的数据上传到监测平台。温湿度传感器21用于感应外壳体内的温度和湿度，如图6所示，使用SHT30温湿度芯片作为内置的温湿度传感器21，温湿度传感器21与单片机3直接使用I2C接口相连。

数据采集组件包括翻斗式雨量传感器、泥位计、裂缝计和倾角计，连接模块包括RS485连接线9和开关量连接线10，RS485连接线9用于连接泥位计、裂缝计和倾角计，开关量连接线10用于连接翻斗式雨量传感器；连接模块包括开关量接口33、RS485总线接口30、开关量输入模块31、开关量输出模块32、RS485通信模块29、可控电源输出模块28和可调升压模块27，开关量输入模块31、开关量输出模块32、RS485通信模块29和可调升压模块27分别与单片机3连接，开关量接口33分别与开关量输入模块31、开关量输出模块32和开关量连接线10连接；RS485总线接口30分别与RS485连接线9、RS485通信模块29和可控电源输出模块28连接，可调升压模块27还与可控电源输出模块28和电池组件连接；可调升压模块27用于调节输出电压；外壳体上设有用于安装RS485连接线9和开关量连接线10的通孔；RS485连接线9和开关量连接线10为防水连接线。RS485连接线9由4芯线构成，分为电源输出正、电源输出负、信号A、信号B，其中输出电压在5～24V间可调。开关量连接线10由4芯线构成，分为DI正负输入和DO正负输出。如图8所示，RS485通信模块29的RS485电平转换芯片通过串口与单片机3进行数据交互，单片机3使用两个IO口分别控制RS485芯片发送和接收控制引脚，使得RS485通信模块29可以工作在发送、接收和休眠三种状态。

扩展插槽11内能够插入内置检测模块，内置检测模块包括雨量检测模块、位移检测模块和倾角检测模块，单片机3能够将内置检测模块的检测数据发送给监测平台。本装置的扩展插槽11定义了一个标准接口，用于扩展各种检测模块或执行模块，如图9所示，接口定义如下：

接口中一共有17个引脚，其中4个引脚为GND；1个引脚为3.3V稳压电源，可提供100mA工作电流；1个引脚为3.7V电池供电脚，可提供10A以上的大电流；有11个通用GPIO，TTL电平，可用于电平输入，电平输出，SPI接口，I2C接口等，也均可用于中断输入检测；GPIO中其中有个6个引脚可作为模拟输入引脚，可采集0～3.3V电压，AD分辨力可达16位；GPIO中有两组通用串口通信引脚，一组为TX2/RX2，支持全双工通信，一组为RX3，只可接收通用串行通信数据；改接口可支持各种数据传输类型的扩展模块，例如串口型、SPI型、I2C型、AD型、中断IO型等。

如图10所示，接口的机械连接方式采用两列双排的2.54mm间距的插针方式，一列为9x2个针脚，一列为8x2个针脚，可以防止模块插方向插反，每个引脚均由两个针脚并联，保证连接的电气可靠性。具有两个螺栓连接孔用于固定模块和主板，保证其机械稳定性。

电池组件用于给数据采集组件和通信组件供电，电池组件包括锂电池4和电池接口22，锂电池4固定在外壳体内，锂电池4通过电池接口22分别与电池电压检测模块23、太阳能充电模块24和可调升压模块27连接。电池电压检测模块23用于检测电池组件的电压。可调升压模块27采用电荷泵，使用电荷泵对锂电池4电压进行升压，升压范围5～12V可调，并通过MOS管控制是否给传感器供电。

当电池电压检测模块23或太阳能板电压检测模块25检测到的电压高于阈值时，单片机3关闭电池组件，停止电池组件的供电或充电。

具体实施过程如下：

雨量检测模块、位移检测模块、倾角检测模块、电池电压检测模块23和太阳能板电压检测模块25分别将检测数据发送给单片机3，翻斗式雨量传感器将检测数据通过开关量连接线10发送给单片机3，泥位计、裂缝计和倾角计将检测数据通过RS485连接线9发送给单片机3，GNSS天线5通过GNSS天线接口17将定位数据发送给单片机3，单片机3将上述采集的数据通过4G通信模块13或Lora通信模块12发送给监测平台，在监测数据超出安全临界值时，监测平台向当地居民进行声光预警。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前实用新型所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种地质灾害数据采集与通信装置，其特征在于：包括外壳体、电池组件、数据采集组件和通信组件，所述电池组件用于给数据采集组件和通信组件供电；所述数据采集组件用于采集数据并将数据发送给通信组件；所述通信组件包括单片机以及与单片机连接的通信模块、连接模块、定位模块、看门狗模块、数据存储器、参数存储器、温湿度传感器、太阳能充电模块、太阳能板电压检测模块和电池电压检测模块，所述通信模块用于将数据采集组件发送来的数据以及定位模块、温湿度传感器、太阳能板电压检测模块、电池电压检测模块的信息发送给监测平台；所述连接模块与所述数据采集组件连接并用于接收所述数据采集组件发送的数据；所述参数存储器用于存储单片机的设置信息，所述数据存储器用于缓存采集的数据；所述温湿度传感器用于感应所述外壳体内的温度和湿度；所述太阳能充电模块用于给所述电池组件充电，所述太阳能板电压检测模块用于检测所述太阳能充电模块的电压，所述电池电压检测模块用于检测所述电池组件的电压。

2.根据权利要求1所述的一种地质灾害数据采集与通信装置，其特征在于：所述外壳体包括底壳和顶盖，所述底壳为铸铝壳体，所述顶盖为塑料盖；所述顶盖固定在所述底壳上。

3.根据权利要求1所述的一种地质灾害数据采集与通信装置，其特征在于：所述数据采集组件包括翻斗式雨量传感器、泥位计、裂缝计和倾角计，所述连接模块包括RS485连接线和开关量连接线，所述RS485连接线用于连接泥位计、裂缝计和倾角计，所述开关量连接线用于连接翻斗式雨量传感器；所述连接模块包括开关量接口、RS485总线接口、开关量输入模块、开关量输出模块、RS485通信模块、可控电源输出模块和可调升压模块，所述开关量输入模块、开关量输出模块、RS485通信模块和可调升压模块分别与所述单片机连接，所述开关量接口分别与开关量输入模块、开关量输出模块和开关量连接线连接；所述RS485总线接口分别与RS485连接线、RS485通信模块和可控电源输出模块连接，所述可调升压模块还与可控电源输出模块和电池组件连接；所述可调升压模块用于调节输出电压；所述外壳体上设有用于安装RS485连接线和开关量连接线的通孔；所述RS485连接线和开关量连接线为防水连接线。

4.根据权利要求1所述的一种地质灾害数据采集与通信装置，其特征在于：所述单片机还连接有扩展插槽，所述扩展插槽内能够插入内置检测模块，内置检测模块包括雨量检测模块、位移检测模块和倾角检测模块，所述单片机能够将内置检测模块的检测数据发送给监测平台。

5.根据权利要求1所述的一种地质灾害数据采集与通信装置，其特征在于：所述通信模块包括Lora通信模块、4G通信模块、Lora天线、4G天线、Lora天线接口和4G天线接口，所述Lora通信模块和4G通信模块与所述单片机连接，所述Lora通信模块与Lora天线之间通过Lora天线接口连接，所述4G通信模块与4G天线之间通过4G天线接口连接；所述外壳体上设有用于安装4G天线的通孔；所述4G天线为防水天线。

6.根据权利要求1所述的一种地质灾害数据采集与通信装置，其特征在于：所述定位模块包括GNSS定位模块、GNSS天线接口和GNSS天线，所述GNSS定位模块与GNSS天线之间通过GNSS天线接口连接。

7.根据权利要求1所述的一种地质灾害数据采集与通信装置，其特征在于：所述太阳能充电模块上连接有太阳能板接口，所述太阳能板接口与外界太阳能板之间通过太阳能板连接线连接，所述外壳体上设有用于安装太阳能板连接线的通孔；所述太阳能板连接线为防水连接线。

8.根据权利要求3所述的一种地质灾害数据采集与通信装置，其特征在于：所述电池组件包括锂电池和电池接口，所述锂电池固定在所述外壳体内，所述锂电池通过电池接口分别与所述电池电压检测模块、太阳能充电模块和可调升压模块连接。

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