CN219552859U - 一种云边结合的深基坑工程无线自组网监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种云边结合的深基坑工程无线自组网监测系统，包括基坑工程涉及到的围护结构岩土体、地下水位及周边环境等各类监测项目采用的监测传感器；上述各监测传感器均分别同无线感知节点通讯连接，无线感知节点通讯连接于多功能智能网关，多功能智能网关通讯连接于云端服务器。本实用新型的优点是：无线感知节点可以实现深基坑工程各类传感器的自动采集与发送，无需将传感器线缆牵引到地面；采用的无线自组网协议，实现无线感知节点、无线中继节点与多功能智能网关之间的通信，可以解决现有无线通信方式在深基坑工程内部信号被遮挡导致通信不畅的问题。

Description

一种云边结合的深基坑工程无线自组网监测系统

技术领域

本实用新型涉及岩土工程施工的技术领域，尤其是一种云边结合的深基坑工程无线自组网监测系统。

背景技术

为保障深基坑工程施工的安全与合理，基坑监测是其施工过程中必不可少的一项工作；基坑监测方式分为人工监测和自动化监测，其中自动化监测是指通过定制的传感器准确感知结构的状态（受力、变形等），通过有线或无线将传感器接入采集设备中，采集设备中的通讯模块将传感器数据传输至系统平台中，系统平台对采集数据进行加工、分析，并通过报表、短信、邮件等方式将数据和分析结果通知相关参建单位。

但是现有技术方面存在较大的缺陷：一方面，大量的传感器节点到采集设备采用有线连接时，对于深基坑工程施工现场传感器线缆易被施工损坏，损坏后难以恢复；而现有无线传输方式的通讯信号受到地下工程干扰大、节点多等问题，数据传输时易出现通信碰撞导致丢包现象；另一方面，目前的采集设备多是针对特定传感器的单源数据采集，同一工程上往往存在不同型号的多种采集设备，无法对多种类型的传感器同时进行采集与分析，均需要通过系统平台将数据汇总后进行处理，存在数据采集离散、数据处理异步等问题；当采集设备的供电、网络信号出现问题时，则采集数据的及时性就无法及时传输到平台，无法及时反馈深基坑工程的受力变形情况。

实用新型内容

本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种云边结合的深基坑工程无线自组网监测系统，通过在深基坑传感器位置安装无线感知节点或无线中继节点实现各类传感器的数据无线采集；基于无线自组网的通信方式实现各无线感知节点、无线中继节点与多功能智能网关之间的双向通信；多功能智能网关在边端将各类传感器数据进行本地化存储与预处理分析，并基于4G/5G通讯模块将本地存储的数据同步至云端服务器，云端自动化监控系统对各多功能智能网关数据进行多测项、大数据关联性分析，实现深基坑功能的智能预警与多端发布。

本实用新型目的实现由以下技术方案完成：

一种云边结合的深基坑工程无线自组网监测系统，其特征在于：包括地下水位监测传感器、围护结构受力监测传感器、深层水平位移监测传感器、混凝土支撑受力监测传感器、钢支撑受力监测传感器以及立柱桩受力监测传感器；所述地下水位监测传感器、所述围护结构受力监测传感器、所述深层水平位移监测传感器、所述混凝土支撑受力监测传感器、所述钢支撑受力监测传感器、所述立柱桩受力监测传感器均分别同无线感知节点通讯连接，所述无线感知节点通讯连接于多功能智能网关，所述多功能智能网关通讯连接于云端服务器；所述无线感知节点包括第一MCU管理模块、第一传感器感知模块、第一无线接收模块、第一时间同步模块和第一电池模块，所述第一MCU管理模块分别同所述第一传感器感知模块、所述第一无线接收模块、所述第一时间同步模块和所述第一电池模块连接，所述第一传感器感知模块分别同监测传感器和所述多功能智能网关连接，所述第一无线接收模块同所述多功能智能网关连接，所述第一时间同步模块同所述多功能智能网关连接，所述第一电池模块为所述第一MCU管理模块、所述第一传感器感知模块、所述第一无线接收模块和所述第一时间同步模块供电。

所述地下水位监测传感器埋设于围护结构外的坑外水位孔内；所述围护结构受力监测传感器埋设于所述围护结构内；所述深层水平位移监测传感器埋设于所述围护结构和所述围护结构外的坑外土体深层水平位移孔内；所述混凝土支撑受力监测传感器埋设于用于支撑所述围护结构的混凝土支撑结构上；所述钢支撑受力监测传感器埋设于用于支撑所述围护结构的钢支撑上；所述立柱桩受力监测传感器埋设于位于基坑内的立柱桩上。

所述无线感知节点与所述多功能智能网关之间设置有无线中继节点。

所述无线中继节点包括第二MCU管理模块、无线发送模块、第二传感器感知模块、第二无线接收模块、第二时间同步模块和第二电池模块，所述第二MCU管理模块分别同所述无线发送模块、所述第二传感器感知模块、所述第二无线接收模块、所述第二时间同步模块和所述第二电池模块连接，所述第二电池模块为所述无线发送模块、所述第二MCU管理模块、所述第二传感器感知模块、所述第二无线接收模块和所述第二时间同步模块供电。

本实用新型的优点是：

1、无线感知节点可以实现深基坑工程各类传感器的自动采集与发送，无需将传感器线缆牵引到地面，且无线设备都采用低功耗电池供电，减少现场采集设备的破坏性；

2、采用的无线自组网协议，实现无线感知节点、无线中继节点与多功能智能网关之间的通信，可以解决现有无线通信方式在深基坑工程内部信号被遮挡导致通信不畅的问题；

3、多功能智能网关，可以实现在基坑工程现场对自动化监测数据进行分析，当监测数据超过系统设定的报警值时网关可自动对相应的无线感知节点发送加测指令，加密传感器的采集频率；并及时对经加测的数据分析，确定测点超过系统设定的报警值时现场的多功能智能网关即可触发报警装置，提醒现场相关人员，避免现场信号不稳定时监测数据无法及时反馈到云平台导致监测现场数据报警的不及时；

4、云端自动化监测系统集成了传感器异常处理、边缘计算分析、关联性分析、大数据预测等多种智能分析算法，经过多重判断提高了自动化监测数据的准确性与可靠性，并可通过短信/邮件/小程序等多种方式将监测报警数据推送至相关人员，真正实现深基坑工程的全自动化监测。

附图说明

图1为本实用新型云边结合的深基坑工程无线自组网监测系统示意图；

图2为本实用新型云边结合的深基坑工程无线自组网监测系统原理图；

图3为本实用新型无线感知节点组成示意图；

图4为本实用新型无线中继节点组成示意图；

图5为本实用新型多功能智能网关组成示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本实用新型特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5所示，图中标记1-43分别表示为: 深基坑1、混凝土支撑结构2、钢支撑结构3、立柱桩4、坑外水位孔5、坑外土体深层水平位移孔6、围护结构7、地下水位监测传感器8、围护结构受力监测传感器9、深层水平位移监测传感器10、混凝土支撑受力监测传感器11、钢支撑受力监测传感器12、立柱桩受力监测传感器13、无线感知节点14、无线中继节点15、多功能智能网关16、220V电源模块17、太阳能模块18、云端服务器19、第一MCU管理模块20、第一传感器感知模块21、第一无线接收模块22、第一时间同步模块23、第一电池模块24、第二MCU管理模块25、无线发送模块26、第二传感器感知模块27、第二无线接收模块28、第二时间同步模块29、第二电池模块30、第三电池模块31、电源管理模块32、MPU模块33、第三时间同步模块34、无线通讯模块35、本地存储模块36、定位模块37、远程通信模块38、边缘计算模块39、边端报警模块40、数据显示屏41、报警指示灯42、报警嗡鸣器43。

实施例：如图1-5所示，本实施例涉及一种云边结合的深基坑工程无线自组网监测系统，其主要包括深基坑1、沿深基坑1四周设置的围护结构7、用于支撑围护结构7的混凝土支撑结构2和钢支撑结构3、设于深基坑1内的立柱桩4、依次设于围护结构7外的坑外水位孔5和坑外土体深层水平位移孔6，坑外水位孔5内埋设有地下水位监测传感器8，围护结构7内埋设有围护结构受力监测传感器9，围护结构7和坑外土体深层水平位移孔6内均埋设有深层水平位移监测传感器10，混凝土支撑结构2上埋设有混凝土支撑受力监测传感器11，钢支撑结构3上埋设有钢支撑受力监测传感器12，立柱桩4上埋设有立柱桩受力监测传感器13，其中，围护结构受力监测传感器9和深层水平位移监测传感器10沿竖向间隔设置有多个。地下水位监测传感器8、围护结构受力监测传感器9、深层水平位移监测传感器10、混凝土支撑受力监测传感器11、钢支撑受力监测传感器12、立柱桩受力监测传感器13均分别同无线感知节点14通讯连接，无线感知节点14可直接或通过无线中继节点15通讯连接于多功能智能网关16，多功能智能网关16通讯连接于云端服务器19。其中，无线感知节点14用于实现不同类型传感器的数据采集与发送；无线中继节点15用于无线感知节点14与多功能智能网关16之间的通信；多功能智能网关16用于对不同无线模块发送采集指令，汇总数据、存储数据、计算分析及预警提示，并将多源传感器数据同步至云端服务器19。此外，无线感知节点14、无线中继节点15和多功能智能网关16之间利用无线自组网协议在基坑工程现场的边端无线通信。无线自组网协议可提供两种工作模式，当深基坑工程基坑现场满足信号通信要求时，可将多个无线感知节点14直接与多功能智能网关16组成星型形态，直接进行双向通信；当深基坑工程基坑底部通信条件受阻时，在无线感知节点14和多功能智能网关16之间添加无线中继节点15组成星链网状形态，无线感知节点14通过无线中继节点15的传递与多功能智能网关16进行通信工作。

如图1-5所示，无线感知节点14包括第一MCU管理模块20、第一传感器感知模块21、第一无线接收模块22、第一时间同步模块23和第一电池模块24，第一MCU管理模块20分别同第一传感器感知模块21、第一无线接收模块22、第一时间同步模块23和第一电池模块24连接，第一传感器感知模块21分别同监测传感器和多功能智能网关16连接，第一无线接收模块22同多功能智能网关16连接，第一时间同步模块23同多功能智能网关16连接，第一电池模块24为第一MCU管理模块20、第一传感器感知模块21、第一无线接收模块22和第一时间同步模块23供电。无线感知节点14只能被动接收指令，按照定时或实时的方式获取现场传感器的数据并将数据发送至无线中继节点15或多功能智能网关16。第一传感器感知模块21用于将传感器输出的信号转换为数字信号传输至智能网关16及云端服务器19中，针对传感器类型的不一致，第一传感器感知模块21可分为模拟信号和数字信号，用于满足不同类型传感器的数据解析。第一无线接收模块22为无线自组网协议的接收节点，内部自定义的星型组网协议主要用于接收无线中继节点15及多功能智能网关16发送的指令，执行完指令后将相关数据返回给无线中继节点15及多功能智能网关16。第一时间同步模块23主要用于不同第一无线感知模块21之间与多功能智能网关16或无线中继节点15之间的时间同步，当无线感知节点14直接与多功能智能网关16通信时则通过接收多功能智能网关16的时间同步数据包完成时间同步；当无线感知节点14与无线中继节点15通信时，则通过无线中继节点15接收到多功能智能网关16的时间同步数据包转发至无线感知节点14完成时间同步。第一MCU管理模块20用于对整个无线感知节点14的相关控制程序和电路进行统一管理，为了保证无线感知节点14的节能，整体都需要采用低功耗设计。

如图1-5所示，无线中继节点15包括第二MCU管理模块25、无线发送模块26、第二传感器感知模块27、第二无线接收模块28、第二时间同步模块29和第二电池模块30，第二MCU管理模块25分别同无线发送模块26、第二传感器感知模块27、第二无线接收模块28、第二时间同步模块29和第二电池模块30连接，第二电池模块30为无线发送模块26、第二MCU管理模块25、第二传感器感知模块27、第二无线接收模块28和第二时间同步模块29供电。无线发送模块26用于无线感知节点14与多功能智能网关16之间的通信信息的转发，同步将无线中继节点15的第二传感器感知模块27数据发送至多功能智能网关16。第二MCU管理模块25、第二传感器感知模块27、第二无线接收模块28、第二时间同步模块29和第二电池模块30的功能与无线感知节点14功能一致，故在此不做赘述。

如图1-5所示，多功能智能网关16一般部署在基坑工程现场，其包括220V电源模块17、太阳能模块18、第三电池模块31、电源管理模块32、MPU模块33、第三时间同步模块34、无线通讯模块35、本地存储模块36、定位模块37、远程通信模块38、边缘计算模块39、边端报警模块40、数据显示屏41、报警指示灯42和报警嗡鸣器43。无线通信模块35用于与无线感知节点14和无线中继节点15之间的通信，将云端服务器19对某些节点指令发送至对应节点，同时可用于接收所有无线感知节点14及无线中继节点15在执行完相关指令后返回的数据。远程传输模块38主要用于将本地存储模块36中的数据同步到云端服务器19中。本地存储模块36负责多功能智能网关16数据的本地化存储，包含存储无线感知节点14和无线中继节点15发送来的传感器原始数据，基于边缘计算模块39对原始数据的分析结果，即使现场网络通信受阻时，仍可保证深基坑工程的各传感器数据采集、处理与分析工作不中断。边缘计算模块39包含了无线感知节点14原始数据的滤波和分析功能，首先对单个无线感知节点14的数据进行基于时序历时数据的滤波处理，然后基于关联性分析算法对多个无线感知节点14的数据进行关联性分析。定位模块37主要负责多功能智能网关16的授时同步，同时获取多功能智能网关16现场安装的定位信息。电源管理模块32主要用于对多功能智能网关16进行供电管理，其可以实现电池工点、220V电源供电和太阳能供电等多种方式，实现多功能智能网关16的不间断工作。MPU管理模块33用于对多功能智能网关16的各个模块的功能代码及电路进行统一管理，为了保证多功能智能网关16的实时计算和现场报警性能，MPU管理模块33采用高性能设计。第三时间同步模块34主要用于将定位模块37获取的时间信息周期性发送时间同步数据包至无线感知节点14或无线中继节点15完成整个深基坑监测无线自组网的系统时间同步。边端报警模块40用于现场监测数据进行报警提示，其功能可包含数据显示屏41、报警指示灯42和报警嗡鸣器43等装置，结合现场的实际情况进行配置。

如图1-5所示，云端服务器19中设有云端自动化监测系统，云端自动化监测系统包括项目管理模块、设备管理模块、监测数据库、数据分析模块和数据发布模块。项目管理模块用于对深基坑工程的涉及的自动化监测项目进行管理，包含深基坑现场安装的传感器、无线感知节点14、无线中继节点15和多功能智能网关16的绑定，以及监测项目的测点编号、测试时间、预报警值等信息。设备管理模块用于对无线感知节点14、无线中继节点15和多功能智能网关16进行统一管理。监测数据库用于存储无线感知节点14、无线中继节点15和多功能智能网关16的硬件信息及对应设备获取的传感器数据、项目信息、传感器数据分析结果等信息。数据分析模块，通过多功能智能网关16的远程传输模块将各传感器的原始数据的边缘计算模块分析结果存储至云端监测数据库中，通过云端服务器19内置的项目信息、计算公式、预报警参数、异常检测、关联性分析、大数据预测等模块对监测数据进行综合分析，对综合分析后的报警数据，可同步至多功能智能网关16，由现场的报警模块进行边端报警提示。数据发布模块，包含网页版和移动端的数据查询与浏览系统；通过互联网与数据发布模块的监测数据库关联，实现监测项目的原始数据、成果数据及数据风险分析等信息的发布。

本实施例的有益技术效果为：无线感知节点可以实现深基坑工程各类传感器的自动采集与发送，无需将传感器线缆牵引到地面，且无线设备都采用低功耗电池供电，减少现场采集设备的破坏性；采用的无线自组网协议，实现无线感知节点、无线中继节点与多功能智能网关之间的通信，可以解决现有无线通信方式在深基坑工程内部信号被遮挡导致通信不畅的问题；多功能智能网关，可以实现在基坑工程现场对自动化监测数据进行分析，当监测数据超过系统设定的报警值时网关可自动对相应的无线感知节点发送加测指令，加密传感器的采集频率；并及时对经加测的数据分析，确定测点超过系统设定的报警值时现场的多功能智能网关即可触发报警装置，提醒现场相关人员，避免现场信号不稳定时监测数据无法及时反馈到云平台导致监测现场数据报警的不及时；云端自动化监测系统集成了传感器异常处理、边缘计算分析、关联性分析、大数据预测等多种智能分析算法，经过多重判断提高了自动化监测数据的准确性与可靠性，并可通过短信/邮件/小程序等多种方式将监测报警数据推送至相关人员，真正实现深基坑工程的全自动化监测。

虽然以上实施例已经参照附图对本实用新型目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本实用新型作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。

Claims (3)

1.一种云边结合的深基坑工程无线自组网监测系统，其特征在于：包括若干监测传感器，所述监测传感器包括地下水位监测传感器、围护结构受力监测传感器、深层水平位移监测传感器、混凝土支撑受力监测传感器、钢支撑受力监测传感器以及立柱桩受力监测传感器；各所述监测传感器分别与无线感知节点通讯连接，所述无线感知节点通讯连接于多功能智能网关，所述多功能智能网关通讯连接于云端服务器；所述无线感知节点包括第一MCU管理模块、第一传感器感知模块、第一无线接收模块、第一时间同步模块和第一电池模块，所述第一MCU管理模块分别同所述第一传感器感知模块、所述第一无线接收模块、所述第一时间同步模块和所述第一电池模块连接，所述第一传感器感知模块分别同监测传感器和所述多功能智能网关连接，所述第一无线接收模块同所述多功能智能网关连接，所述第一时间同步模块同所述多功能智能网关连接，所述第一电池模块为所述第一MCU管理模块、所述第一传感器感知模块、所述第一无线接收模块和所述第一时间同步模块供电。

2.如权利要求1所述的一种云边结合的深基坑工程无线自组网监测系统，其特征在于：所述无线感知节点与所述多功能智能网关之间设置有无线中继节点。

3.如权利要求2所述的一种云边结合的深基坑工程无线自组网监测系统，其特征在于：所述无线中继节点包括第二MCU管理模块、无线发送模块、第二传感器感知模块、第二无线接收模块、第二时间同步模块和第二电池模块，所述第二MCU管理模块分别同所述无线发送模块、所述第二传感器感知模块、所述第二无线接收模块、所述第二时间同步模块和所述第二电池模块连接，所述第二电池模块为所述无线发送模块、所述第二MCU管理模块、所述第二传感器感知模块、所述第二无线接收模块和所述第二时间同步模块供电。