用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器及控制方法与流程

1.本发明涉及一种物联网传感器，尤其涉及一种用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器，并进一步涉及用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器的控制方法。


背景技术：

2.在工程、桥梁、隧道以及高层建筑等行业，传感器广泛用于实现地质监测，旨在有效地预防极端天气导致的次生地质灾害，以及预防工程作业导致地质沉降塌陷发生。在当前的智能化和提倡万物互联的时代，传感器的使用也越来越多，基于安全因素的考虑，在施工时对周围环境的监控也越来越严，但是现有技术中的传感器并没有针对监测地质沉降与振动特性这一特殊使用环境，不能够稳定可靠地实现24小时不间断的监测，而相关的监测和预警不及时，就有可能会造成重大的人身安全隐患以及经济财产损失。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是需要提供一种能够通过简单且高效的结构设计实现稳定可靠的用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器，以便通过较低的成本和合理的结构实现不间断的监测，为避免人身安全隐患和经济财产损失提供有利的基础。在此基础上，还进一步提供用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器的控制方法。
4.对此，本发明提供一种用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器，包括：金属外壳、电池、主控pcb板、塑料盖子、限位按钮开关以及按钮开关堵头，所述金属外壳的底部为安装基准平面，所述安装基准平面的四周设置有第一安装孔；所述金属外壳的内部设置有密封安装腔体，所述密封安装腔体四周设置有安装台阶，所述电池设置于所述密封安装腔体的底部；所述主控pcb板通过所述安装台阶设置于所述电池的上方，并设置于所述密封安装腔体之中；所述塑料盖子与所述密封安装腔体的开口密封连接；所述金属外壳的一端设置有按钮开关孔，所述限位按钮开关设置于所述按钮开关孔之中，并与所述主控pcb板相连接；所述按钮开关堵头对所述限位按钮开关进行限位和固定；其中，所述按钮开关孔靠近所述金属外壳内侧的一端内壁设置有第一内螺纹，所述限位按钮开关的安装柱外侧设置有与所述第一内螺纹相配套的第一外螺纹；所述按钮开关孔靠近所述金属外壳外侧的一端内壁设置有第二内螺纹，所述按钮开关堵头的固定柱外侧设置有与所述第二内螺纹相配套的第二外螺纹；当所述物联网传感器在启动状态之前，所述按钮开关堵头的第二外螺纹与所述按钮开关孔的第二内螺纹相连接，且所述按钮开关堵头和所述限位按钮开关之间的位置关系保持为不压迫状态；当所述物联网传感器在启动状态之后，所述按钮开关堵头通过所述第二外螺纹和第二内螺纹进一步内旋直到抵住并按下所述限位按钮开关的按钮，所述按钮开关堵头和所述限位按钮开关之间的位置关系保持为压迫按下状态。
5.本发明的进一步改进在于，所述第一内螺纹的内径小于所述第二内螺纹的内径；所述限位按钮开关的按钮设置于靠近所述按钮开关堵头的一端，所述限位按钮开关的按钮
和安装柱之间设置有按钮限位环，所述按钮限位环的直径大于所述第一内螺纹的内径。
6.本发明的进一步改进在于，所述第二外螺纹的径向长度比所述第二内螺纹的径向长度长2-5mm。
7.本发明的进一步改进在于，所述按钮开关堵头的外侧为多边形螺帽，所述多边形螺帽的中间设置有多边形凹槽；所述按钮开关孔的一侧设置有led信号灯。
8.本发明的进一步改进在于，所述主控pcb板靠近所述限位按钮开关的一侧设置有开关避位槽，所述开关避位槽的宽度和深度，分别与所述限位按钮开关的安装柱插入至所述金属外壳的直径和长度相对应。
9.本发明的进一步改进在于，所述密封安装腔体四周的安装台阶的内壁围成电池限位固定腔，所述电池的直径和长度分别与所述电池限位固定腔的宽度和长度相对应，所述电池固定设置于所述电池限位固定腔之中。
10.本发明的进一步改进在于，所述金属外壳的内部灌入防水硅胶；所述金属外壳的上表面内侧设置有防水台阶，所述塑料盖子靠近所述金属外壳的一侧设置有防水凹槽，所述防水凹槽的位置和形状与所述防水台阶的位置和形状相对应；所述塑料盖子靠近所述金属外壳的一侧中间位置设置有天线，所述天线设置于所述防水凹槽的内侧，并与所述主控pcb板相连接。
11.本发明的进一步改进在于，所述天线为nb-lot通讯模块的天线，仅在正常工作模式下实现通讯；所述限位按钮开关与所述主控pcb板的低电压导通开关模组相连接。
12.本发明还提供一种用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器的控制方法，用于控制如上所述的用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器，并包括以下步骤：步骤s1，在检测到所述限位按钮开关的启动信号后，启动并进入正常工作模式；步骤s2，实时监测所述物联网传感器的倾斜角度和加速度，当所述倾斜角度和加速度在预设时间周期内的变化率分别低于倾斜角度变化率阈值和加速度变化率阈值后，关闭nb-lot通讯模块，并切换至低功耗监测模式；步骤s3，继续监测所述物联网传感器的倾斜角度和加速度，直到所述倾斜角度或加速度在预设时间周期内的变化率达到所述倾斜角度变化率阈值或加速度变化率阈值后，开启nb-lot通讯模块，并切换回正常工作模式；步骤s4，继续监测所述物联网传感器的倾斜角度和加速度，判断当前的倾斜角度或加速度在预设时间周期内的变化率是否达到倾斜角度变化率阈值或加速度变化率阈值，若是，则保持正常工作模式；若否，则切换至低功耗监测模式。
13.本发明的进一步改进在于，当正常工作模式的工作时长达到第一预设时长后，通过所述nb-lot通讯模块发出提醒信号，所述提醒信号包括所述物联网传感器的id编号、倾斜角度数据、加速度数据、正常工作模式的工作时长以及当前的定位数据；并在正常工作模式的工作时长达到第二预设时长后，在所述提醒信号中增加电池电量数据。
14.与现有技术相比，本发明有益效果在于：通过整体结构的优化设计，进而能够通过简单且高效的结构设计实现稳定可靠的用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器，在存储或运输等没有使用的状态下，即所述物联网传感器在启动状态之前，通过这种特殊的结构设计既能够保证所述限位按钮开关和按钮开关堵头的稳定状态，不会松动或丢失，同时也能够使得所述按钮开关堵头和限位按钮开关之间的位置关系稳定地保持在不压迫状
态，即不触发物联网传感器的启动；在使用状态下，即所述物联网传感器在启动状态之后，通过所述按钮开关堵头能够通过所述第二外螺纹和第二内螺纹进一步内旋直到抵住并按下所述限位按钮开关的按钮，并且所述按钮开关堵头和所述限位按钮开关之间的位置关系稳定地保持为压迫按下状态，即非外力操作的情况下按钮不会断开，进而稳定地保证物联网传感器的持续工作，以便通过较低的成本和合理的结构实现不间断的监测，为避免人身安全隐患和经济财产损失提供有利的基础，特别适合用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器这一特殊的使用环境。
15.在此基础上，本发明还进一步通过对结构以及所述物联网传感器的控制方法均进行了优化设计，再进一步提高了产品的防呆设计程度和人性化设计程度，便于提高产品的稳定可靠性能，以便能够更好地满足工程、桥梁、隧道以及高层建筑等行业的工业化应用需求。
附图说明
16.图1是本发明一种实施例的爆炸结构示意图；图2是本发明一种实施例的局部爆炸结构示意图；图3是本发明一种实施例的低电压导通开关模组的电路原理示意图；图4是本发明一种实施例的工作流程示意图。
17.附图标识：1-金属外壳；101-安装基准平面；102-第一安装孔；103-密封安装腔体；104-安装台阶；105-按钮开关孔；106-第一内螺纹；107-第二内螺纹；108-led信号灯；109-防水台阶；110-第二安装孔；111-第三安装孔；112-限位台阶；2-电池；3-主控pcb板；301-开关避位槽；302-第四安装孔；4-塑料盖子；401-第五安装孔；5-限位按钮开关；501-安装柱；502-第一外螺纹；503-按钮；504-按钮限位环；6-按钮开关堵头；601-第二外螺纹；602-多边形螺帽；603-多边形凹槽；7-天线安装腔；8-低电压导通开关模组。
具体实施方式
18.下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
19.如图1和图2所示，本实施例提供一种用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器，包括：金属外壳1、电池2、主控pcb板3、塑料盖子4、限位按钮开关5以及按钮开关堵头6，所述金属外壳1的底部为安装基准平面101，所述安装基准平面101的四周设置有第一安装孔102；所述金属外壳1的内部设置有密封安装腔体103，所述密封安装腔体103四周设置有安装台阶104，所述电池2设置于所述密封安装腔体103的底部；所述主控pcb板3通过所述安装台阶104设置于所述电池2的上方，并设置于所述密封安装腔体103之中；所述塑料盖子4与所述密封安装腔体103的开口密封连接；所述金属外壳1的一端设置有按钮开关孔105，所述限位按钮开关5设置于所述按钮开关孔105之中，并与所述主控pcb板3相连接；所述按钮开关堵头6对所述限位按钮开关5进行限位和固定；其中，所述按钮开关孔105靠近所述金属外壳1内侧的一端内壁设置有第一内螺纹106，所述限位按钮开关5的安装柱501外侧设置有与所述第一内螺纹106相配套的第一外螺纹502；所述按钮开关孔105靠近所述金属外壳1外侧的一端内壁设置有第二内螺纹107，所述按钮开关堵头6的固定柱外侧设置有与所述第二内螺纹107相配套的第二外螺纹601；当
所述物联网传感器在启动状态之前，所述按钮开关堵头6的第二外螺纹601与所述按钮开关孔105的第二内螺纹107相连接，且所述按钮开关堵头6和所述限位按钮开关5之间的位置关系保持为不压迫状态；当所述物联网传感器在启动状态之后，所述按钮开关堵头6通过所述第二外螺纹601和第二内螺纹107进一步内旋直到抵住并按下所述限位按钮开关5的按钮，所述按钮开关堵头6和所述限位按钮开关5之间的位置关系保持为压迫按下状态。
20.本实施例采用所述金属外壳1的原因主要在于利用金属的可靠性和刚性，所述金属外壳1的底部为安装基准平面101，所述安装基准平面101的四周设置有第一安装孔102，所述安装基准平面101必须平整，指的是所述第一安装孔102所在的平面位于同一水平线上，优选通过四个与螺丝相配合的第一安装孔102进行固定，并在所述按钮开关孔105的一侧设置有led信号灯孔，以便在所述按钮开关孔105的一侧设置led信号灯108用于实现状态指示功能。所述电池2优选采用锂亚硫酰氯电池，与nb-lot通讯模块相配合，工作温度范围广，工作温度范围从-40℃到+85℃，电池自损小，每年小于1%，能量密度高且使用寿命长，能够使得所述物联网传感器做得更小。所述主控pcb板3为所述物联网传感器的主控电路板。与所述金属外壳1不同，所述塑料盖子4不再采用金属材质是因为通讯模块需要采用天线，而金属材质会影响天线的发射和接收效率，因此，本实施例采用所述塑料盖子4，一方面既能够满足密封盖的要求，另一方面也便于设置天线，所述天线优选设置在所述塑料盖子4靠近所述主控pcb板3的内侧即可，既满足了稳定可靠的安装，且发射和接收效率高，与所述主控pcb板3之间的距离短，接线简便。所述限位按钮开关5指的是具有限位固定功能的按钮开关，除了用于实现开关控制功能之外，与现有技术中的按钮开关最大区别在于针对用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器这一应用场景，设计了特殊的限位和固定结构，其特殊的限位和固定结构需要与本实施例的按钮开关堵头6和按钮开关孔105相配套才能够很好地满足本实施例所述的物联网传感器。所述按钮开关堵头6为针对本实施例而设计的用于辅助所述限位按钮开关5的限位和固定功能的堵头结构。
21.本实施例通过整体结构的优化设计，进而能够通过简单且高效的结构设计实现稳定可靠的用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器，在存储或运输等没有使用的状态下，即所述物联网传感器在启动状态之前，通过这种特殊的结构设计既能够保证所述限位按钮开关5和按钮开关堵头6的稳定状态，不会松动或丢失，同时也能够使得所述按钮开关堵头6和限位按钮开关5之间的位置关系稳定地保持在不压迫状态，即没有压迫所述限位按钮开关5的按钮503进而没有触发物联网传感器启动的状态；在使用状态下，即所述物联网传感器在启动之后的状态，通过所述按钮开关堵头6能够通过所述第二外螺纹601和第二内螺纹107进一步内旋直到抵住并按下所述限位按钮开关5的按钮，并且所述按钮开关堵头6和所述限位按钮开关5之间的位置关系稳定地保持为压迫按下状态，即非外力操作的情况下按钮不会断开，进而稳定地保证物联网传感器的持续工作，以便通过较低的成本和合理的结构实现不间断的监测，为避免人身安全隐患和经济财产损失提供有利的基础，特别适合用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器这一特殊的使用环境。
22.值得说明的是，如图1和图2所示，本实施例所述第一内螺纹106的内径小于所述第二内螺纹107的内径；也就是说，所述按钮开关孔105内壁的内螺纹并不是直径一致的内螺纹，而是靠近所述金属外壳1内侧的一端的第一内螺纹106内径小于靠近所述金属外壳1外侧的一端的第二内螺纹107内径，进而使得所述第一内螺纹106和第二内螺纹107之间形成
一个限位台阶112，所述限位台阶112用于实现对所述限位按钮开关5和按钮开关堵头6的限位，即所述限位按钮开关5或按钮开关堵头6的旋入到位之后就会被所述限位台阶112所限制，进而有效地避免所述限位按钮开关5或按钮开关堵头6的旋入深度太大而损坏器件。本实施例有效地提高了产品的防呆设计程度和人性化设计程度，降低了产品在生产和使用过程中的报废率和返修率。
23.同样值得说明的是，如图1和图2所示，本实施例所述限位按钮开关5的按钮503设置于靠近所述按钮开关堵头6的一端，在所述按钮开关堵头6旋入并压迫的时候实现闭合；所述限位按钮开关5的按钮503和安装柱501之间设置有按钮限位环504，所述按钮限位环504指的是用于实现所述按钮开关堵头6的限位功能的突出环状结构，所述按钮限位环504的直径大于所述第一内螺纹106的内径；所述按钮限位环504的直径大于所述限位台阶112的内径，且小于所述第二内螺纹107内径；所述限位台阶112的内径与所述第一内螺纹106的内径一致。因此，所述限位按钮开关5也能够通过所述按钮限位环504和限位台阶112的配合实现限位功能。与所述限位台阶112不同，所述限位台阶112能够同时实现对所述限位按钮开关5和按钮开关堵头6的限位作用；而所述按钮限位环504则只是对所述按钮开关堵头6进行限位，在所述按钮503被压迫到位的时候，通过所述按钮限位环504限制所述按钮开关堵头6的进一步运动，进而避免所述按钮503被压迫过度而损坏，能够再进一步提高了产品的防呆设计程度和人性化设计程度。
24.再进一步的，本实施例所述第二外螺纹601的径向长度优选比所述第二内螺纹107的径向长度长2-5mm，即所述按钮开关堵头6能够旋入运动的运动距离比所述第二内螺纹107的深度多2-5mm，进而保证了对所述按钮503的压迫有效性，且不至于压迫过渡而损坏器件。
25.如图2所示，本实施例所述按钮开关堵头6的外侧为多边形螺帽602，便于在没有工具的时候对所述按钮开关堵头6进行初步旋入安装，实现所述按钮开关堵头6的固定，此时，适用于在存储或运输阶段，即不需要压迫所述按钮503的情况下，无需其他工具对所述按钮开关堵头6进行初步安装和固定；所述多边形螺帽602的中间设置有多边形凹槽603，便于在实际使用的时候，通过与所述多边形凹槽603相配套的专用工具进一步旋紧，以使得所述按钮开关堵头6压迫所述按钮503启动所述物联网传感器的工作。本实施例对所述按钮开关堵头6的这种设计，即能够实现产品的快速装配，也能够在存储或运输阶段的时候有效地避免由于误操作而导致所述物联网传感器提前启动的弊端，结构简单且人性化设计程度高。
26.如图1所示，本实施例所述主控pcb板3靠近所述限位按钮开关5的一侧设置有开关避位槽301，所述开关避位槽301的宽度和深度，分别与所述限位按钮开关5的安装柱501插入至所述金属外壳1的直径和长度相对应，进而能够使得所述限位按钮开关5在安装到位后，能够直接跟所述主控pcb板3相连接，比如通过插入安装座或是焊接等方式，进而简化了产品的生产和装配过程，提高了产品的稳定性，延长其使用寿命。
27.本实施例所述密封安装腔体103四周的安装台阶104的内壁围成电池限位固定腔，所述电池限位固定腔指的是所述密封安装腔体103的底部用于固定和限位所述电池2的空间。值得说明的是，如图1所示，所述安装台阶104的内壁为弧形内壁，这样的设计能够更好地贴合所述电池2，所述电池2的直径和长度分别与所述电池限位固定腔的宽度和长度相对应，以便更好地将所述电池2固定设置于所述电池限位固定腔之中，提高产品的安装稳定
性。所述安装台阶104优选设置有第三安装孔111，所述主控pcb板3的外边缘处优选设置有第四安装孔302，所述主控pcb板3通过螺丝等连接件穿梭所述第四安装孔302和第三安装孔111能够稳固地安装在所述安装台阶104上。
28.更为优选的，本实施例所述金属外壳1的内部灌入防水硅胶，灌入防水硅胶的作用一方面能够实现防水效果，另一方面，也能够增加各个器件的安装稳定性，比如所述电池2等；如图1和图2所示，所述金属外壳1的上表面内侧设置有防水台阶109，所述塑料盖子4靠近所述金属外壳1的一侧设置有防水凹槽，所述防水凹槽的位置和形状与所述防水台阶109的位置和形状相对应；并且所述金属外壳1的上表面外侧设置有第二安装孔110，所述塑料盖子4的边缘处设置有与所述第二安装孔110相对应的第五安装孔401，以便在所述防水台阶109的外面实现固定连接，更进一步保证了其防水性能，整体防水等级达到ip67，适用范围广。所述塑料盖子4靠近所述金属外壳1的一侧中间位置设置有天线，所述天线设置于所述天线安装腔7的内侧，所述天线安装腔7设置于所述塑料盖子4靠近所述金属外壳1的一侧，且设置在防水凹槽的内侧，因此，所述天线设置于所述防水凹槽的内侧，便于快速实现与所述主控pcb板3的连接，且能够防水和避免破坏，保证了天线的发射和接收效率。
29.因此，本实施例还进一步通过对结构以及所述物联网传感器的控制方法均进行了优化设计，再进一步提高了产品的防呆设计程度和人性化设计程度，便于提高产品的稳定可靠性能，以便能够更好地满足工程、桥梁、隧道以及高层建筑等行业的工业化应用需求。
30.本实施例所述天线为nb-lot通讯模块的天线，仅在正常工作模式下实现通讯，便于节省电量，提高产品的使用寿命；如图3所示，所述限位按钮开关5与所述主控pcb板3的低电压导通开关模组8相连接。所述低电压导通开关模组8为采用mos管电路实现的开关模组，设置于所述主控pcb板3上，并与所述限位按钮开关5电连接，为实现关闭、启动、低功耗监测模式以及正常工作模式提供硬件基础，以尽量降低功耗，在低功耗监测模式中大概只有700ua的静态电流；在正常工作模式中的工作电流约30ma，发射电流约0.5a。在所述低电压导通开关模组8中增加上下拉电阻阻值，能够进一步减小非必要损耗。
31.如图4所示，本实施例还提供一种用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器的控制方法，用于控制如上所述的用于监测地质沉降与振动特性的物联网传感器，并包括以下步骤：步骤s1，在检测到所述限位按钮开关5的启动信号后，即在所述限位按钮开关5的按钮503压迫到位后，启动并进入正常工作模式；步骤s2，实时监测所述物联网传感器的倾斜角度和加速度，当所述倾斜角度和加速度在预设时间周期内的变化率分别低于倾斜角度变化率阈值和加速度变化率阈值后，关闭nb-lot通讯模块，并切换至低功耗监测模式；步骤s3，继续监测所述物联网传感器的倾斜角度和加速度，直到所述倾斜角度或加速度在预设时间周期内的变化率达到所述倾斜角度变化率阈值或加速度变化率阈值后，开启nb-lot通讯模块，并切换回正常工作模式；步骤s4，继续监测所述物联网传感器的倾斜角度和加速度，判断当前的倾斜角度或加速度在预设时间周期内的变化率是否达到倾斜角度变化率阈值或加速度变化率阈值，若是，则保持正常工作模式；若否，则切换至低功耗监测模式。
32.值得说明的是，本实施例需要所述倾斜角度和加速度在预设时间周期内的变化率
分别低于倾斜角度变化率阈值和加速度变化率阈值，才关闭nb-lot通讯模块，并切换至低功耗监测模式。而所述倾斜角度或加速度在预设时间周期内任意一个的变化率，只要达到了所述倾斜角度变化率阈值或加速度变化率阈值，就开启nb-lot通讯模块，并切换回正常工作模式，进而保证了其监测的准确性和及时有效性。
33.本实施例所述预设时间周期指的是预先设置的判断周期，可以根据实际情况和需要进行自定义设置和调整；所述倾斜角度变化率阈值和加速度变化率阈值分别指的是预先设置的用于判断出现了沉降与振动的变化率判断阈值，可以根据实际情况和需要进行自定义设置和调整，并且，基于不同的应用环境，所述倾斜角度变化率阈值和加速度变化率阈值的默认设置值是不同的，比如桥梁所在环境对应的倾斜角度变化率阈值可以设置为千分之八等，这些默认设置值可以通过实验和大数据分析来获取，也可以在实际应用过程中通过深度学习来不断优化和调整。
34.本实施例优先设置有模式判断参数表，所述模式判断参数表中，针对桥梁、隧道以及高层建筑分别设置了对应的倾斜角度变化率阈值和加速度变化率阈值的默认值，当低于所述倾斜角度变化率阈值和加速度变化率阈值时，认为没有发生沉降与振动异常的情况，关闭nb-lot通讯模块，并切换至低功耗监测模式，以尽可能节省能耗；当达到所述倾斜角度变化率阈值或加速度变化率阈值中的任意一个时，认为发生了沉降或振动异常的情况，则开启nb-lot通讯模块，并切换回正常工作模式，提高监测进度和及时响应程度。本实施例所述步骤s4则用于实现监测的实时判断和状态调整，便于保证监测的有效性，同时也能够尽量降低能耗，延长产品的使用寿命。
35.本实施例当正常工作模式的工作时长达到第一预设时长后，通过所述nb-lot通讯模块发出提醒信号，所述提醒信号包括所述物联网传感器的id编号、倾斜角度数据、加速度数据、正常工作模式的工作时长以及当前的定位数据；并在正常工作模式的工作时长达到第二预设时长后，在所述提醒信号中增加所述电池电量数据。所述第一预设时长指的是经测试得到的所述电池2能够在正常工作模式下的工作时长的0.75倍，进而能够在电量不足的时候，及时发出提醒信号；所述第二预设时长指的是经测试得到的所述电池2能够在正常工作模式下的工作时长的0.85倍，进而能够在电量即将耗尽的时候，自动发送当前的所述物联网传感器的id编号、倾斜角度数据、加速度数据、正常工作模式的工作时长、当前的定位数据以及电池电量数据，提醒及时更换所述物联网传感器，避免影响监测的持续性。本实施例所述第一预设时长和第二预设时长均可以根据实际情况和需求进行自定义设置和调整，进而能够满足不同的提醒需求。
36.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。