CN220776087U - 一种自适应的多通道振弦式传感器无线采集装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种自适应的多通道振弦式传感器无线采集装置，包括采集外壳以及设置于所述采集外壳内的集成电路和电源模块，所述电源模块为所述集成电路供电，所述集成电路上集成有主控模块、采集模块、无线模块、定位模块和存储模块，所述采集模块的输入端同所述主控模块的输出端电连接，所述定位模块的输入端电连接于所述主控模块的输出端，所述主控模块的输出端同所述无线模块的输入端电连接，所述主控模块同所述存储模块电连接，所述无线模块通讯连接于远程服务器。本实用新型的优点是：提高了传感器采集的实时性和准确性，同时可在本地实现传感器数据的预警分析。
Description
技术领域
本实用新型涉及工程监测的技术领域，尤其是一种自适应的多通道振弦式传感器无线采集装置。
背景技术
振弦式传感器因其具有安装方便、读数稳定和耐久性好等优点，目前被广泛应用于基坑、隧道、桥梁等结构的受力变化监测。在实际应用时，将传感器安装在结构内部或表面，使用采集仪主动发出高压脉冲或低压扫频的方式激励传感器内部的钢弦，传感器内部的钢弦共振产生相应的电流输出，通过运放电流的采集可以获取传感器对应频率，通过频率与钢弦的应力应变换算公式即可得到测点对应的受力变化。
传统人工监测外业采集传感器频率时需要携带频率计对每一个传感器进行频率采集与记录，内业进行数据处理与报表生成，工作效率低；采用自动化监测方式时，需要将大量传感器通过有线的方式接入自动化采集设备，现场接线工作量大且不易保护，导致自动化成本相对较高；另一方面，现有自动化采集设备功耗高，通常需要接入市电或太阳能供电，一旦出现断电或充电不稳定时数据采集模块会出现无法正常工作的情况，导致监测数据的连续性不足。
发明内容
本实用新型的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种自适应的多通道振弦式传感器无线采集装置，通过在采集外壳内设置集成电路，集成电路上集成有主控模块、采集模块、无线模块、定位模块和存储模块，可以实现振弦式传感器的定时/主动两种采集模式，提高了传感器采集的实时性；同时通过电源模块为集成电路供电，保证了集成电路的连续工作。
本实用新型目的实现由以下技术方案完成：
一种自适应的多通道振弦式传感器无线采集装置，其特征在于：包括采集外壳以及设置于所述采集外壳内的集成电路和电源模块，所述电源模块为所述集成电路供电，所述集成电路上集成有主控模块、采集模块、无线模块、定位模块和存储模块，所述采集模块的输入端同所述主控模块的输出端电连接，所述定位模块的输入端电连接于所述主控模块的输出端，所述主控模块的输出端同所述无线模块的输入端电连接，所述主控模块同所述存储模块电连接，所述无线模块通讯连接于远程服务器。
所述采集外壳外设有多通道传感器连接线端和充电接线端。
所述采集模块包括接线模块和数据解析模块，所述接线模块电连接于所述采集外壳外的所述多通道传感器连接线端。
所述电源模块上设有充电接口，所述充电接口包括内电源接口和外部电源接口，所述内电源接口上设有电池充电管理电路，所述电池充电管理电路分别同所述采集外壳外的所述充电接线端以及所述电源模块的内置锂电池电连接。
所述主控模块内置有边缘计算分析模块。
所述无线模块内置有NB-IoT模块和LoRa模块。
本实用新型的优点是；
1、同时兼容多种激励方式，根据内置算法自评估传感器数据质量，筛选稳定数据进行上传，有效保障采集系统数据采集质量的稳定性；
2、内置了无线自组网模块，实现采集节点与智能网关的实时双向通信，有效解决实际工程场景中4G/5G等信号不足时传感器与采集设备之间的通信问题；
3、基于超低功耗设计，自动控制系统的休眠与唤醒模式以最大限度降低系统运行功耗，基于内置锂电池即可长期运行，同时可提供外接太阳能或市电进行供电；
4、结构紧凑，体积小，集成度高，外壳采用IP68防护等级的防水外壳、防水接头，满足工程现场恶劣环境的使用。
附图说明
图1为本实用新型的结构组成图；
图2为本实用新型的工作流程图。
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1-2所示，图中标记分别表示为: 采集外壳1，多通道传感器连接线端2，采集装置控制开关3，充电接线端4，采集装置工作指示灯5，无线模块工作模式指示灯6，主控模块7，采集模块8，无线模块9，定位模块10，存储模块11，电源模块12。
实施例：如图1-2所示，本实施例涉及一种自适应的多通道振弦式传感器无线采集装置，用于振弦式传感器的无线采集、边缘分析及实时传输，其主要包括采集外壳1、集成电路以及电源模块12，集成电路和电源模块12均设置于采集外壳1内，电源模块12为集成电路供电。采集外壳1外设有传感器连接端2、采集装置控制开关3、充电接线端4、采集装置工作指示灯5和无线模块工作模式指示灯6，本实施例中，选用4个传感器连接端2，可以同时接入4只振弦式传感器。集成电路上集成有主控模块7、采集模块8、无线模块9、定位模块10和存储模块11，采集模块8的输入端同主控模块7的输出端电连接，定位模块10的输入端电连接于主控模块7的输出端，主控模块7的输出端同无线模块9的输入端电连接，主控模块7同存储模块11电连接，无线模块9通讯连接于远程服务器，此外，为保障采集装置的防水性能和使用便捷性，采集外壳1采用塑料壳体确保内置的无线模块9和定位模块10可以正常对外通信。
其中，主控模块7主要用于对采集模块8进行控制操作，内置有定时/主动采集两种采集模式，默认情况下基于的固定频率进行数据采集，对采集到的数据自动存储到存储模块11中，同时触发主控模块7内置的边缘计算分析模块，对存储模块11中的历史流数据进行风险分析，对于有突变的监测数据触发主动采集模式，实现采集装置在不同风险情况下的自适应主动测量。主控模块7采用STM32L4XX系列芯片作为主控芯片，用于控制其他模块工作；主控模块7与定位模块10相连，用于获取采集装置的实时位置和时钟同步；STM32L4XX系列芯片自带的低功耗模式，可以满足电池供电场景下设备超低功耗的使用需求。
无线模块9主要用于远程服务器与采集模块8的无线通信，为满足采集模块8低功耗、多场景下的使用需求，无线模块9包括LoRa模块和NB-IoT模块，用于不同场景下无线模块9的自动切换。LoRa模块内置LoRa自组网的协议，与其他采集模块形成星型组网的方式进行无线通信，星型网络可以实现不同节点的自由添加或删除，满足方便、高效的现场安装使用需求；NB-IoT模块同样可以采用其自带的超低功耗模块设计实现对采集装置的主动采集与定时采集两种工作需求。
采集模块8包括与外设多通道传感器连接线端2相连的接线模块和数据解析模块，接线模块结合实际应用场景可以是1、2、4、8等多形式的接线模块；数据解析模块包含振弦式传感器的信号输入、放大、输出模块和温度采集模块，信号输入模块为振弦式传感器提供激励脉冲信号，设计时可以同时采用高压激励和低压扫频两种激励模式，信号放大模块用于获取振弦传感器激励后产生的原始数据，并对原始信号数据进行滤波处理，温度采集模块用于获取振弦传感器自带的热敏电阻式温度芯片的温度，信号输出模块用于输出经解调后的振弦传感器的频率和温度传感器的温度数据，数据解析模块还内置传感器自稳性判别模块，每次测量时分别采用多种输入模式对传感器数据进行测量，基于多模式的数据源对传感器当前稳定性进行判别，并自动识别输出可靠性更高的数据至存储模块11。
定位模块10包括位置模块（GPS模块等）和时钟模块，主要用于确定采集装置的安装位置和时钟同步，基于定位模块10的位置模块用户可以随时查看对应采集装置的实时位置，同时基于定位模块10的时钟模块实时获取当前的时间用于无线模块9和存储模块11的时间校正，可以实现主控模块7与远程服务器的时钟同步，确保采集装置与远程服务器之间的通信一致。
存储模块11用于存储当次采集到的数据、获取时钟模块的实时时间数据、边缘计算分析的计算结果，保存数据的同时根据定位模块10中的时钟模块保存数据采集的时间，为便于边缘计算分析，可存储适量的条历时数据，在下一次采集时，把超出边缘计算窗口的数据删除，保留最新的历时数据。
本实施例中，电源模块12设有充电接口，充电接口包含用于连接内置锂电池的内电源接口和外部电源接口，内电源接口与充电接线端4相连，用于给内置锂电池进行充电管理，内电源接口设有电池充电管理电路，外部电源接口主要用于接入。
如图1-2所示，本实施例还具有以下工作方法：
步骤1：现场安装完采集装置后，根据实际情况判断是否需要外接电源，如果需要则外接太阳能板或者市电给采集装置进行供电，如果不需要则转步骤2。
步骤2：打开采集装置控制开关3，观察采集装置工作指示灯5的情况，如果是绿灯则表示工作正常，红灯则表示异常，需要进一步排查情况，绿灯闪烁则表示正在采集中。
步骤3：观察无线模块工作模式指示灯6的工作情况，灰色表示无线模块9不工作，绿色表示NB-IoT模块信号稳定，绿灯一直闪烁表示NB-IoT信号不稳，则切换至LoRa模块，红灯可表示LoRa信号工作正常，无线模块9工作正常的同时会启动定位模块10进行采集装置的定位和时间同步。
步骤4：采集装置初始打开并完成无线模块9和时间同步工作后，采集装置会自动对多通道传感器连接线端2的传感器进行一次数据采集工作，同时采用多种模式进行传感器的数据采集，并基于内置算法判断传感器的数据质量，如果满足要求则转步骤5，否则重新采集。
步骤5：采集到的数据自动存储到存储模块11中，基于主控模块7的边缘计算分析模块对当前数据进行风险分析，如果判断有风险则转到步骤4进行主动的数据采集工作，否则转步骤6。
步骤6：采集工作完成后，基于无线模块9将数据同步至远程服务器，并对采集装置进行休眠操作，确保采集装置处于低功耗的工作状态。
本实施例的有益技术效果为：
1、同时兼容多种激励方式，根据内置算法自评估传感器数据质量，筛选稳定数据进行上传，有效保障采集系统数据采集质量的稳定性；
2、内置了无线自组网模块，实现采集节点与智能网关的实时双向通信，有效解决实际工程场景中4G/5G等信号不足时传感器与采集设备之间的通信问题；
3、基于超低功耗设计，自动控制系统的休眠与唤醒模式以最大限度降低系统运行功耗，基于内置锂电池即可长期运行，同时可提供外接太阳能或市电进行供电；
4、结构紧凑，体积小，集成度高，外壳采用IP68防护等级的防水外壳、防水接头，满足工程现场恶劣环境的使用。
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 (6)
1.一种自适应的多通道振弦式传感器无线采集装置，其特征在于：包括采集外壳以及设置于所述采集外壳内的集成电路和电源模块，所述电源模块为所述集成电路供电，所述集成电路上集成有主控模块、采集模块、无线模块、定位模块和存储模块，所述采集模块的输入端同所述主控模块的输出端电连接，所述定位模块的输入端电连接于所述主控模块的输出端，所述主控模块的输出端同所述无线模块的输入端电连接，所述主控模块同所述存储模块电连接，所述无线模块通讯连接于远程服务器。
2.如权利要求1所述的一种自适应的多通道振弦式传感器无线采集装置，其特征在于：所述采集外壳外设有多通道传感器连接线端和充电接线端。
3.如权利要求2所述的一种自适应的多通道振弦式传感器无线采集装置，其特征在于：所述采集模块包括接线模块和数据解析模块，所述接线模块电连接于所述采集外壳外的所述多通道传感器连接线端。
4.如权利要求2所述的一种自适应的多通道振弦式传感器无线采集装置，其特征在于：所述电源模块上设有充电接口，所述充电接口包括内电源接口和外部电源接口，所述内电源接口上设有电池充电管理电路，所述电池充电管理电路分别同所述采集外壳外的所述充电接线端以及所述电源模块的内置锂电池电连接。
5.如权利要求1所述的一种自适应的多通道振弦式传感器无线采集装置，其特征在于：所述主控模块内置有边缘计算分析模块。
6.如权利要求1所述的一种自适应的多通道振弦式传感器无线采集装置，其特征在于：所述无线模块内置有NB-IoT模块和LoRa模块。
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