基于窄带物联网通信的工程结构物监测数据单通道采集系统的制作方法

本实用新型涉及土木工程安全监测技术领域，尤其是一种基于窄带物联网通信的工程结构物监测数据单通道采集系统。

背景技术：

土木工程结构及周边环境的关键参数直接影响到结构物本身的可靠性和人员和财产的安全，这些参数包括工程结构的沉降，倾斜，裂缝，应变、风速、风压、风向和雪压等。

目前为止，结构监测用采集器多为多个通道集成并需要外接电源，此类方法需要沿结构物室内或室外大量布置线路，工作量大且受监测对象使用状态经常难以实施。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本实用新型提供一种体积很小、不用布线且能实时双向通讯和自动采集与无线传输结构监测数据的装置。结合窄带物联网技术，可以实现监测现场散点式布置，方便安装施工及不依赖当地电源供电限制，节约现场部署监测系统的时间并能提高监测系统工作可靠性。

本实用新型的基于窄带物联网通信的工程结构物监测数据单通道采集系统，包括电池、低功耗CPU控制器、数字总线模块、振弦采集模块、振弦式传感器，电源管理模块、窄宽物联网模块、蓝牙模块和移动终端；所述的电池分别与电源管理模块和低功耗CPU控制器电连接，电源管理模块分别与低功CPU耗控制器、振弦采集模块、窄宽物联网模块和蓝牙模块电连接并收集各连接部件的电压信息和供电时间信息；

低功耗CPU控制器通过数字总线模块分别与振弦采集模块和窄宽物联网模块相连；所述的振弦采集模块包括振弦测量模块；振弦测量模块与振弦式传感器相连；所述的蓝牙模块与低功耗CPU控制器相连，蓝牙模块与移动终端通过蓝牙进行数据通信。

振弦式传感器是以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉力的大小,通过相应的测量电路,就可得到与拉力成一定关系的电信号。

振弦式传感器通过校准后的传感器建立弦频率与安装在土木结构上的变形或应变建立物理关系，通过公式推算相关物理量。振弦式传感器可以直接购买，凡电压或差阻原理的检测传感器其输出电压不高于12V均可以接入本采集器，通讯协议符合水利部2014年颁布的水文监测数据通信规约(SL651-2014)协议的可均直接接入，其它以电压或差阻为原理的传感器在厂家提供通讯协议后也可以接入。

振弦式传感器包括测缝计、土压力计、渗压计、钢筋计、混凝土应力计、应变计等等多种产品，用于监测或收集不同的结构参数，振弦式传感器安装类别和安装方式根据具体监测对象和传感器厂家的产品说明书由相关土木专业的技术工程师与生产厂家协商确定。

电源管理模块的作用在于收集各连接部件的电压信息和供电时间信息；从电压信息可显示各部件的工作情况，电压信息可作为预警信息传输给远端服务器，若电压太低，则可选择更换电池，电池在使用寿命内但电压太低或太高则可对电池进行检修。供电时间信息作为各部件的一个工作参数，随最终的采集数据一起通过窄带物联网模块传输给远端服务器。科拉德CES-5103宽压电池管理板，8串24V50AH带通讯协议锂电保护板等等市面上常见的电源管理模块均适用于本申请。

优选的，本实用新型的电池为锂电池，锂电池用于采集装置中各用电部件的供电，可根据设备的使用和维护间隔情况选择适宜大小的电池容量；优选的，可选择可充电的锂电池。所述的窄带物联网模块是万物互联网络的一个重要分支。窄带物联网模块构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。窄带物联网模块支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说窄带物联网设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖，通过窄带物联网模块可以满足采集装置与控制中心或数据处理平台的通信需求，如可以远程接受用户的控制指令(如参数设定，开关机信号等)，将采集装置采集的信息远程传输给数据处理平台。

优选的，本实用新型的低功耗控制器为单片机或ARM处理器，其主要实现数据格式处理、数据缓存和通信、根据远程指令对内部参数修改等功能，如选用美国德州仪器的MSP430系列单片机。低功耗控制器的主要作用是数据格式处理，即对采集的各种格式数据处理成统一格式，方便本地存储和远程传输。

优选的，本实用新型的振弦采集模块连接振弦式传感器，振弦测量模块主要通过数模转换产生激励信号加到振弦传感器，通模数转换、放大等处理把传感器的采集的模拟量装换为数字量；根据现场需要，可以直接外接传感器传输线，也可以外接防雷模块对CPU控制器提供保护。

优选的，本实用新型的振弦采集模块还包括防雷模块；所述的振弦测量模块通过防雷模块与振弦式传感器相连。

优选的，本实用新型的蓝牙模块和低功耗CPU控制器，电源管理模块，移动终端相连；方便现在施工人员配置和调试，同时能完成施工时间地点的记录。

本实用新型与现有技术相比不用布线且能实时和自动采集数据；通过对振弦式传感器的选择可以检测具体的参数，可以通过低功耗控制器设定参数采集频次；采样得到的数据可以通过远程通信模块实时发送给数据通过窄带物联网传输至处理平台或监控中心。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

其中：电池11，低功耗控制器12，数字总线13，振弦采集模块14，振弦测量模块141，防雷模块142，振弦式传感器15，电源管理模块16，窄带物联网模块17，蓝牙模块18，移动终端19。

具体实施方式

为了使本实用新型的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型的基于窄带物联网通信的工程结构物监测数据单通道采集系统，包括电池11、低功耗CPU控制器12、数字总线模块13、振弦采集模块14、振弦式传感器15，电源管理模块16、窄宽物联网模块17、蓝牙模块18和移动终端19；所述的电池分别与电源管理模块16和低功耗CPU控制器12电连接，电源管理模块16分别与低功CPU耗控制器12、振弦采集模块14、窄宽物联网模块17和蓝牙模块18电连接并收集各连接部件的电压信息和供电时间信息；

低功耗CPU控制器12通过数字总线模块13分别与振弦采集模块14和窄宽物联网模块17相连；所述的振弦采集模块14包括振弦测量模块141；振弦测量模块141与振弦式传感器15相连；所述的蓝牙模块18与低功耗CPU控制器12相连，蓝牙模块18与移动终端19通过蓝牙进行数据通信。

本实施例的振弦式传感器包括测缝计、土压力计、渗压计、钢筋计、混凝土应力计、应变计；均选用北京航宇中瑞测控技术有限公司的HY系列振弦式传感器。振弦测量模块141通过防雷模块142与各振弦式传感器15相连。

在本实用新型的另一个实施例中，振弦式传感器为测缝计，选用北京航宇中瑞测控技术有限公司的HY系列振弦式测缝计，振弦式测缝计布置在建筑物的待测位置；振弦测量模块141通过防雷模块142与各振弦式传感器15相连。

当选择完弦式测缝计并通过数据总线完成本实用新型的采集装置组装后，需要根据厂家提供的振弦式传感器产品说明，将其安装于待检测的建筑物上，并完成调试。

本实施例的电池11为锂电池，窄带物联网模块17选用利尔达公司的NB86系列NB-IOT模块，通信模块可以远程接受用户的控制指令如参数设定，开关机信号等，并将采集装置采集的信息远程传输给数据处理平台。

本实施例的窄宽物联网模块17分别与电源管理模块16和数字总线模块13相连，其中与电源管理模块16相连后获取各部件的供电时间信息；与数字总线模块13相连后获取其内存储的振弦测量数据。工程结构物监测数据的单通道自动采集与无线传输装置通过窄宽物联网模块17将供电时间信息和振弦测量数据传输给远端服务器。

本实施例的振弦测量模块通过数模转换产生激励信号加到振弦传感器，通模数转换、放大等处理把传感器的采集的模拟量装换为数字量；其中振弦测量模块选择了杭州圆山科技有限公司的YS-640振弦式采集模块。

本实施例的蓝牙模块18，选用BLE 4.2协议模块，与移动终端兼容性比较好；低功耗控制器12通过蓝牙模块18实现与移动终端19的无线相连。

安装的建筑物上的采集装置需要考虑防雷设计；本实施例的防雷模块的作用是用来保护电力系统中各种电器设备免受雷电过电压、操作过电压、工频暂态过电压冲击而损坏，采用保护间隙型防雷器。

本实用新型的工作过程为，根据需要选择振弦式传感器的种类和数量，将振弦式传感器与振弦采集模块14进行连接。根据安装说明将振弦式传感器安装在相应的位置。工作时，可以根据需要进行单点测量或定时测量；单点测量时在接收到命令后能对被测量元器件进行一次或者连续多次采集。定时测量时按设定的采集时间、周期、通道自动采集。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。