一种基于物联网的控制系统

1.本发明涉及物联网控制技术领域，具体而言，涉及一种基于物联网的控制系统。


背景技术：

2.随着物联网的迅速发展，基于物联网的各种控制系统也已经在各个领域得到广泛的应用，桥梁振动监测为桥梁健康监测系统的必要监测内容,监测桥梁振动频率以及振动大小,对桥梁的安全健康有着重要的意义，在传统的桥梁振动监测中，需要工作人员按照检测周期安排，拿着检测仪器到各个桥梁处进行现场检测、记录，这种方式不能做到对桥梁的振动状态的实时监控，也浪费了大量的人力。


技术实现要素：

3.本发明解决的问题是如何采用物联网控制技术实现对桥梁振动状态的实时检测。
4.为解决上述问题，本发明提供一种基于物联网的控制系统，包括：主控模块、物联网模块、定位模块和桥梁振动检测模块，所述桥梁振动检测模块与所述主控模块连接，用于检测桥梁的振动状态信息，所述定位模块与所述主控模块连接，用于确定所述桥梁的位置信息，所述物联网模块与所述主控模块连接，用于与管理平台之间的通讯。
5.进一步的，所述桥梁振动检测模块包括：加速度传感器，与所述主控模块连接，所述加速度传感器紧贴在桥梁的振动敏感区域的下方，用于检测所述桥梁振动时的加速度信息；雷达检测电路，与所述主控模块连接，用于检测所述桥梁振动时的形变状态信息。
6.进一步的，所述雷达检测电路包括毫米波雷达传感器和雷达flash电路，所述毫米波雷达传感器的通讯端与所述主控模块连接，接收端连接雷达接收天线，发射端连接雷达发射天线，所述毫米波雷达传感器设置在所述桥梁的振动敏感区域的下方，所述雷达接收天线和发射天线正对所述桥梁的振动敏感区域，所述雷达flash电路与所述毫米波雷达传感器连接，用于存储所述毫米波雷达传感器的运行参数信息。
7.进一步的，还包括电源模块，所述电源模块包括电源转换电路和电量检测电路，所述电源转换电路的输入端接电池，输出端分别与所述物联网模块、定位模块和桥梁振动检测模块连接，所述电量检测电路的输入端与所述电池连接，输出端与所述主控模块连接，用于检测所述电池的电量信息。
8.进一步的，所述定位模块包括gps供电电路和gps芯片电路，所述gps供电电路的输入端与所述电源转换电路的输出端连接，输出端与所述gps芯片电路的电源端连接，受控端与所述主控模块连接，所述gps芯片电路的输出端与所述主控模块连接。
9.进一步的，所述物联网模块包括4g通讯电路、4g供电电路、双向电平转换器电路、4g指示电路和sim卡接口电路，所述4g供电电路的输入端与所述电源转换电路的输出端连接，输出端与所述4g通讯电路的电源端连接，受控端与所述主控模块连接，所述4g通讯电路的通讯端与所述双向电平转换器电路的一端连接，所述双向电平转换器电路的另一端与所
述主控模块连接，所述sim卡接口电路与所述4g通讯电路连接，所述4g指示电路与所述4g通讯电路连接，用于指示所述4g通讯电路的工作状态。
10.进一步的，还包括负载控制电路，所述负载控制电路包括第一三极管、第一mos管和负载接口，所述第一三极管的基极与所述主控模块连接，发射极接地，集电极接所述第一mos管的栅极，所述第一mos管的源极与所述电源转换电路的输出端连接，漏极与所述负载接口连接，所述负载接口用于连接小功率电器。
11.进一步的，还包括环境检测模块，所述环境检测模块包括温度检测电路、湿度检测电路和光强检测电路，所述温度检测电路与所述主控模块连接，用于检测环境温度信息，所述湿度检测电路与所述主控模块连接，用于检测环境湿度信息，所述光强检测电路与所述主控模块连接，用于检测光强度信息。
12.进一步的，还包括太阳能充电模块，所述电池为太阳能电池，所述太阳能充电模块的输入端连接太阳能板，输出端与所述太阳能电池连接，受控端与所述主控模块连接。
13.进一步的，所述太阳能充电模块包括太阳能板接口电路、半桥控制芯片电路、半桥充电电路、滤波电路、稳压电路和电池接口，所述太阳能板接口电路的输入端与所述太阳能板连接，输出端与所述半桥充电电路的输入端连接，所述半桥控制芯片电路的输入端与所述主控模块连接，输出端与所述半桥充电电路的受控端连接，用于控制所述半桥充电电路的导通状态，所述半桥充电电路的输出端与所述滤波电路的一端连接，所述滤波电路的另一端与所述电池接口连接，所述稳压电路的两端分别与所述电池接口的两端连接，所述电池接口用于连接所述太阳能电池。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：设置了本控制系统的桥梁在发生振动时，桥梁振动检测模块用于检测到桥梁的振动状态信息，并将振动状态信息反馈至主控模块，主控模块与物联网模块连接，通过物联网模块可将桥梁的振动状态信息发送至管理平台，在桥梁振动检测模块发送振动状态信息的同时，主控模块还会通过定位模块采集桥梁的位置信息，并将位置信息与振动状态信息进行整合后，经物联网模块进行上传，通过物联网，管理人员在管理平台就可实现了对桥梁振动状态的实时检测，对应桥梁的位置和振动信息将自动记录在管理平台，无需工作人员拿着检测仪器到各个桥梁处进行现场检测、记录，节约了人力。
附图说明
15.图1为本发明实施例的基于物联网的控制系统的原理结构示意图；图2为本发明实施例中主控模块的原理结构示意图；图3为本发明实施例中加速度传感器电路的原理结构示意图；图4为本发明实施例中毫米波雷达传感器的第一部分的原理结构示意图；图5为本发明实施例中毫米波雷达传感器的第二部分的原理结构示意图；图6为本发明实施例中雷达flash电路的原理结构示意图；图7为本发明实施例中gps供电电路的原理结构示意图；图8为本发明实施例中gps芯片电路的原理结构示意图；图9为本发明实施例中4g供电电路的原理结构示意图；图10为本发明实施例中4g通讯电路的原理结构示意图；
图11为本发明实施例中双向电平转换器电路的原理结构示意图；图12为本发明实施例中4g指示电路的原理结构示意图；图13为本发明实施例中sim卡接口电路的原理结构示意图；图14为本发明实施例中负载控制电路的原理结构示意图；图15为本发明实施例中太阳能充电模块的第一部分的原理结构示意图；图16为本发明实施例中太阳能充电模块的第二部分的原理结构示意图。
具体实施方式
16.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
17.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
18.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
19.在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“一个实施例”和“一个实施方式”等的描述意指结合该实施例或实施方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示实施方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实施方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或实施方式以合适的方式结合。
20.如图1所示，本发明实施例提供一种基于物联网的控制系统，包括：主控模块、物联网模块、定位模块和桥梁振动检测模块，所述桥梁振动检测模块与所述主控模块连接，用于检测桥梁的振动状态信息，所述定位模块与所述主控模块连接，用于确定所述桥梁的位置信息，所述物联网模块与所述主控模块连接，用于与管理平台之间的通讯。
21.需要说明的是，桥梁敏感部位的受力、 变形状态等，都是影响其结构健康的因素，本实施例中，桥梁振动检测模块安装在桥梁振动敏感区域，例如拱桥的顶点的下方，通过对振动情况进行长期检测，可以准确及时地记录和掌握这些关键数据的演变情况，从而可对其结构耐久性做出判别，为工程在特殊气候、交通条件下或运营状况严重异常时发出预警信号，为桥梁维护、维修与管理决策提供依据和指导，设置了本控制系统的桥梁在发生振动时，桥梁振动检测模块将检测到桥梁的振动状态信息，并将振动状态信息反馈至主控模块，主控模块与物联网模块连接，通过物联网模块可将桥梁的振动状态信息发送至管理平台，在桥梁振动检测模块发送振动状态信息的同时，主控模块还会通过定位模块采集桥梁的位置信息，并将位置信息与振动状态信息进行整合后，经物联网模块进行上传，通过物联网，管理人员在管理平台就可实现了对桥梁振动状态的实时检测，对应桥梁的位置和振动信息将自动记录在管理平台，无需工作人员拿着检测仪器到各个桥梁处进行现场检测、记录，节
约了人力，当检测到桥梁有异常的时候可以精确的确认桥梁位置信息，方便维护部门检修，本实施例中，如图2所示，主控模块可以采用型号为stm32f103rct6的控制芯片。
22.在本发明的一个实施例中，所述桥梁振动检测模块包括：加速度传感器，与所述主控模块连接，所述加速度传感器紧贴在桥梁的振动敏感区域的下方，用于检测所述桥梁振动时的加速度信息；雷达检测电路，与所述主控模块连接，用于检测所述桥梁振动时的形变状态信息。
23.需要说明的是，本实施例中，桥梁振动检测模块采用了加速度传感器和雷达检测电路相结合的方式，桥梁振动检测模块安装在桥梁振动敏感区域，如拱桥的顶点的下方，在桥梁振动时，雷达检测电路通过雷达波可以检测到桥梁敏感区域发生的细微形变，从而确定桥梁的振动状态，并上传至主控模块，如图3所示，本实施例中加速度传感器采用了型号为kxtj3-1057的三轴加速度传感器u618，三轴加速度传感器u618可检测桥梁振动时的加速度信息，并上传至主控模块，主控模块根据加速度信息可判断桥梁振动状态，本实施例中，采用雷达检测电路确定桥梁的振动状态，并采用加速度传感器辅助检测桥梁的振动状态，检测更加精准。
24.在本发明的一个实施例中，所述雷达检测电路包括毫米波雷达传感器和雷达flash电路，所述毫米波雷达传感器的通讯端与所述主控模块连接，接收端连接雷达接收天线，发射端连接雷达发射天线，所述毫米波雷达传感器设置在所述桥梁的振动敏感区域的下方，所述雷达接收天线和发射天线正对所述桥梁的振动敏感区域，所述雷达flash电路与所述毫米波雷达传感器连接，用于存储所述毫米波雷达传感器的运行参数信息。
25.需要说明的是，毫米波雷达传感器使用毫米波 ，通常毫米波是指，波长为1～10mm，同厘米波雷达相比，毫米波雷达具有体积小、易集成和空间分辨率高的特点，检测更精准，本实施例中，毫米波雷达传感器采用型号为iwr6843qagabl 的毫米波雷达传感器u101，毫米波雷达传感器u101如图4、5所示，其中毫米波雷达传感器u101的接收端口rx1-rx4分别连接接收天线，发射端口tx1-tx3连接发射天线，毫米波雷达传感器u101的4 根接收天线、3 根发射天线对着桥梁的敏感部位，4 根接收天线、3 根发射天线之间分别120度间隔，使天线组成具有 120
°ꢀ
方位角视野和 120
°ꢀ
仰角的检测天线阵列，可以全面的检测桥梁的敏感部位的细微变化，雷达flash电路如图6所示，可存储所述毫米波雷达传感器u101的运行参数信息，运行时，毫米波雷达传感器u101根据flash电路存储的参数，从发射端口发出毫米波，接收端口接收反射回来的毫米波信号，以此检测桥梁各个点到毫米波雷达传感器u101的距离变化情况，并将其上传至主控模块，主控模块据此可精确判断桥梁的振动情况。
26.在本发明的一个实施例中，基于物联网的控制系统还包括电源模块所述电源模块包括电源转换电路和电量检测电路，所述电源转换电路的输入端接电池，输出端分别与所述物联网模块、定位模块和桥梁振动检测模块连接，所述电量检测电路的输入端与所述电池连接，输出端与所述主控模块连接，用于检测所述电池的电量信息。
27.需要说明的是，由于本系统设置在桥梁处，大部分桥梁位于偏远处，都存在寻找接线电源困难，电缆施工困难的情况，因此，本系统采用了电池供电，已解决此问题，电源转换电路的输入端接电池，用于对电池电压进行转化，供后续芯片使用，电量检测电路用于检测电池的电量信息，并传递至主控模块，主控模块判断电池电量存在问题，可通过物联网模块
通知管理平台，及时安排维修部门处理。
28.在本发明的一个实施例中，所述定位模块包括gps供电电路和gps芯片电路，所述gps供电电路的输入端与所述电源转换电路的输出端连接，输出端与所述gps芯片电路的电源端连接，受控端与所述主控模块连接，所述gps芯片电路的输出端与所述主控模块连接。
29.需要说明的是，gps芯片电路如图8所示，用于采集桥梁的位置信息，gps供电电路如图7所示，用于为gps芯片电路电路供电，由于本系统采用电池供电，就要求对电能的节约利用，因此，gps供电电路的受控端由主控模块控制，平常gps芯片电路不工作，当主控模块收到桥梁振动检测模块的检测信息时，对gps供电电路的受控端发出控制信号，gps供电电路对gps芯片电路供电，gps芯片电路采集位置信息并传回主控模块。
30.在本发明的一个实施例中，所述物联网模块包括4g通讯电路、4g供电电路、双向电平转换器电路、4g指示电路和sim卡接口电路，所述4g供电电路的输入端与所述电源转换电路的输出端连接，输出端与所述4g通讯电路的电源端连接，受控端与所述主控模块连接，所述4g通讯电路的通讯端与所述双向电平转换器电路的一端连接，所述双向电平转换器电路的另一端与所述主控模块连接，所述sim卡接口电路与所述4g通讯电路连接，所述4g指示电路与所述4g通讯电路连接，用于指示所述4g通讯电路的工作状态。
31.需要说明的是，4g通讯电路如图10所示，包括了型号为air720h/d的通讯芯片u610，4g供电电路如图9所示，用于为4g通讯电路供电，4g供电电路的受控端由主控模块控制，为节约电源，平常4g通讯电路不工作，当主控模块需要与管理平台通讯时，对4g供电电路的受控端发出控制信号，4g供电电路对4g通讯电路供电，4g通讯电路工作，此时，主控模块可通过4g网络与管理平台进行通讯，上传桥梁的振动状态信息和位置信息，4g指示电路如图12所示，当4g通讯电路工作时，其控制端口会发出驱动信号，控制三极管q8，驱动发光二极管d29亮起，指示4g通讯电路的工作状态，sim卡接口电路如图13所示，包括了sim卡接口，sim卡接口用于安装sim卡，双向电平转换器电路如图11所示，4g通讯电路通过双向电平转换器电路与主控模块的通讯端连接，双向电平转换器电路保证了在通讯信号电平电压不一致情况下，4g通讯电路和主控模块仍通讯畅通。
32.在本发明的一个实施例中，基于物联网的控制系统还包括负载控制电路，所述负载控制电路包括第一三极管、第一mos管和负载接口，所述第一三极管的基极与所述主控模块连接，发射极接地，集电极接所述第一mos管的栅极，所述第一mos管的源极与所述电源转换电路的输出端连接，漏极与所述负载接口连接，所述负载接口用于连接小功率电器。
33.需要说明的是，本系统通过负载控制电路可以实现对小功率电器控制，如风扇、加热管、照明等，负载控制电路如图14所示，在使用时，主控模块对第一三极管q16的基极发出信号，第一三极管q16的集电极输出驱动信号至第一mos管q3的栅极，第一mos管q3导通，负载接口与电源转换电路的输出端之间导通，负载接口所连接得小功率电器通电工作，在使用时，本系统可根据现场需要，设置不同数量的负载控制电路，实现对多个不同小功率电器的控制。
34.在本发明的一个实施例中，基于物联网的控制系统还包括环境检测模块，所述环境检测模块包括温度检测电路、湿度检测电路和光强检测电路，所述温度检测电路与所述主控模块连接，用于检测环境温度信息，所述湿度检测电路与所述主控模块连接，用于检测环境湿度信息，所述光强检测电路与所述主控模块连接，用于检测光强度信息。
35.需要说明的是，环境检测模块检测到环境的温湿度和光强信息，上传至主控模块，主控模块可将环境信息与位置信息进行整合，定时将当天整合后的信息上传至管理平台，管理平台可方便了解各地区桥梁的环境状况，作为桥梁的安全评估依据，同时，主控模块还可根据环境信息进行对负载控制电路的控制，如湿度过高时，可开启加热管，防止本系统的电路板和电子元件受潮湿空气的影响，保证系统稳定运行。
36.在本发明的一个实施例中，基于物联网的控制系统还包括太阳能充电模块，所述电池为太阳能电池，所述太阳能充电模块的输入端连接太阳能板，输出端与所述太阳能电池连接，受控端与所述主控模块连接。
37.需要说明的是，本实施例中，系统的供电电池采用了太阳能电池，同时太阳能充电模块控制太阳能板，实现对电池的充电，进一步解决了本系统用在偏远桥梁处的用电问题，节约了能源，避免了工作人员对电池的频繁更换，节省了人力，同时，太阳能充电模块的受控端与主控模块连接，主控模块可根据电量检测电路反馈的电池电量信息合理的控制太阳能充电，使电池使用寿命更长。
38.在本发明的一个实施例中，如图15、16所示，所述太阳能充电模块包括太阳能板接口电路、半桥控制芯片电路、半桥充电电路、滤波电路、稳压电路和电池接口，所述太阳能板接口电路的输入端与所述太阳能板连接，输出端与所述半桥充电电路的输入端连接，所述半桥控制芯片电路的输入端与所述主控模块连接，输出端与所述半桥充电电路的受控端连接，用于控制所述半桥充电电路的导通状态，所述半桥充电电路的输出端与所述滤波电路的一端连接，所述滤波电路的另一端与所述电池接口连接，所述稳压电路的两端分别与所述电池接口的两端连接，所述电池接口用于连接所述太阳能电池。
39.需要说明的是，在使用时，太阳能板的电流信号通过太阳能板接口电路输入至半桥充电电路的输入端，主控模块根据太阳能电池的电量和系统运行情况，对半桥控制芯片电路发出pwm信号，半桥控制芯片电路采用了型号为lm5109bma的半桥驱动芯片u1，半桥控制芯片电路根据pwm信号对半桥充电电路发出驱动信号，控制半桥充电电路的导通状态，从而控制通过半桥充电电路的电流大小，进而控制对太阳能电池充电电流的大小，例如，在太阳能电池电量低时，可加大充电电流，太阳能电池满电时，可使半桥充电电路截止，停止充电，通过半桥充电电路的电流经过滤波电路滤波后，再经稳压电路输出至太阳能电池，完成对太阳能电池的充电，采用本实施例的太阳能充电模块，可方便控制对太阳能电池的充电状态，保护太阳能电池，保证太阳能电池的电量稳定，保证本控制系统的稳定运行，完成对桥梁振动状态的实时检测。
40.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。