基于NB-IoT的无线位移传感器及系统的制作方法

本发明涉及基于nb-iot的无线位移传感器及系统。

背景技术：

传统的位移传感器以有线传输为主，其中电阻式即应变电桥原理占绝大部分。其具有高精度、高灵敏度等特点，但是传输距离有限，现场位移传感器布线困难，需配备相应解调设备且后期维护困难，在供电条件不足的环境下难以维持正常工作。同时，若对桥梁或其他基础设施位移变化进行集群监测，将面临巨大现场安装工作量和极高的成本要求。采用无线技术有利于集群、大规模布设位移传感器，且方便数据集中管理。当前无线技术多样，但大部分存在高功耗问题，桥梁等基础设施现场环境复杂，供电困难，高功耗无线传输技术如wifi，zigbee，4g等难以满足长期使用要求。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种低功耗、低成本、高精度的基于nb-iot的无线位移传感器及系统。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的基于nb-iot的无线位移传感器，包括位移计，位移计采集位移数据后送至小信号放大模块，小信号放大模块对位移数据进行放大，然后将放大后的位移数据发送至mcu核心板，mcu核心板用于对位移数据进行存储、对位移计的采集频率进行控制以及与nb-iot模块进行通信。

进一步，所述位移计包括顶杆式位移传感模块。

采用本发明所述的基于nb-iot的无线位移传感器的系统，还包括数据管理模块，nb-iot模块与数据管理模块进行通信。

进一步，所述数据管理模块对nb-iot模块发送来的位移数据进行实时接收和存储，对可能出现的数据丢失情况建立数据恢复算法；通过固定数据长度的检测，对当前数据长度内的数据总数和时间点进行检测：如果发现数据总数少于固定长度或者时间点存在跳跃、缺失的情况，则判定该段数据存在丢失，依据数据随机丢失和连续丢失这两种情况，通过压缩感知理论，对位移数据通过稀疏变换向量进行表示。

进一步，所述数据管理模块采用以下方法对缺失数据进行恢复重构：

s1：构造测量矩阵φ：

φ∈r^m×n(1)

式(1)中，测量矩阵φ的对角线元素为1，其他元素为0；m为缺失数据数量，n为完整数据数量；

s2：通过已有数据样本，构造过完备字典，使得数据样本各段数据能够实现式(2)的表示：

y＝dx(2)

式(2)中，y为数据样本的某段数据，d为过完备字典，x为对y的稀疏表示向量；

s3：通过以下式子求解出拟预测的完整数据估计，完成缺失数据恢复重构：

式(3)中，为拟预测的完整数据估计，为通过正交匹配算法逐步迭代求解得到的估计值。

进一步，所述步骤s2中，过完备字典通过以下步骤构造：

s2.1：将字典d初始化为已有数据样本构成的矩阵；

s2.2：求解数据样本的某段数据对应的稀疏表示向量x；

s.b.||x||0≤t0(5)

其中，t0为稀疏表示向量x中非零元素总数的最大值；

s2.3：通过式(6)对字典d进行更新：

式(6)中，y为每个数据样本的集合，x为每个稀疏表示向量的集合，向量dk表示待更新字典d的第k列，向量dj表示待更新字典d的第j列，xt表示向量dk对应x中的第k行向量，矩阵ek为去除dk后的误差矩阵。

进一步，还包括可视化界面，数据管理模块将数据通过可视化界面进行显示。

进一步，还包括电源管理模块，电源管理模块为mcu核心板和小信号放大模块供电。

有益效果：本发明公开了一种基于nb-iot的无线位移传感器及系统，与现有技术相比，具有如下的有益效果：

(1)本发明通过nb-iot无线通信模块建立无线顶位移传感器，解决有线传感器成本高、布线困难，现场安装难度大等问题，并解决已有无线传感器传输距离有限，功耗大等问题，有效解决现场供电难等问题，能够实现低成本、低功耗、长寿命、广覆盖目的，有利于实现桥梁等基础设施位移数据长期、实时监测。

(2)本发明的无线传感器能够依据现场数据报送要求，提供相应的采集与发送模式，通过udp协议传输数据至云端服务器，能够实现大规模集群化位移监测目的，实现数据集中管理。

(3)数据管理模块实现数据丢失检测、数据恢复重构及实时可视化。该模块高精度数据恢复过程能够弥补因环境、设备等因素导致无线数据丢失带来的数据不连续及分析样本不足等问题。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中系统的框图；

图2为本发明具体实施方式中数据传输的过程图；

图3为本发明具体实施方式中丢失数据恢复算法流程图；

图4为本发明具体实施方式中数据丢失与恢复的示意图；

图4(a)为本发明具体实施方式中总数据样本趋势图；

图4(b)为本发明具体实施方式中随机丢失的示意图；

图4(c)为本发明具体实施方式中数据估计值与实际完整数据对比误差图。

具体实施方式

本具体实施方式公开了一种基于nb-iot的无线位移传感器，如图1所示，包括位移计，位移计采集位移数据后送至小信号放大模块，小信号放大模块对位移数据进行放大，然后将放大后的位移数据发送至mcu核心板，mcu核心板用于对位移数据进行存储、对位移计的采集频率进行控制以及与nb-iot模块进行通信。

(1)位移计

包括顶杆式位移传感模块，采用yhd型位移传感器采集位移数据，主要由机械传动机构、指示装置和电气线路组成。基本工作原理采用应变电桥原理，采用半桥或全桥方式，将电阻变化转换为位移变化模拟信号，误差范围小于5微应变，具有输出灵敏度高，线性好，体积小，自重轻，漂移小等特点。

(2)mcu核心板

包括msp430f5438a低功耗处理器芯片，具有三个16位定时器、一个高性能12位adc、多达四个通用串行通信接口(usci)、一个硬件乘法器、dma、具有报警功能的rtc模块和87个i/o引脚。核心板包括电源开关、dc12v输入、串口通信。扩展接口支持i2c，保证核心板与nb-iot模块正常通信。该核心板主要实现低功耗数据存储，控制位移计采集频率，at指令通信与串口调试功能。通过编译c语言单片机程序，设定接收位移计数据频率，通过单片机内部时钟确定是否接收位移计数据；编译c语言程序生成at指令并发送至nb-iot模块。

(3)nb-iot模块

采用bc95-b20频段为850mhz模块，管脚数量为94，供电电压3.1v～4.2v，典型值3.8v，工作温度为-40℃～+85℃，采用at指令控制，以udp协议传输数据。该模块接收核心板at指令后，执行网络寻找与注册，建立udp协议连接，传输传感数据至指定ip、端口。该模块主要at指令包括：“at+cfun＝1”设定工作模式，“at+cgdcont＝1,”ip”,”apn””设定入网方式，“at+cgatt＝1”附着网络，“at+csq”查询信号强度，“at+cereg？”查询注册网络状态，通过“at+nsocr”向指定公网ip发送16进制数据。

本具体实施方式还公开了采用基于nb-iot的无线位移传感器的系统，如图1所示，包括数据管理模块，nb-iot模块与数据管理模块进行通信。系统还包括可视化界面，数据管理模块将数据通过可视化界面进行显示。此外，系统还包括电源管理模块，电源管理模块为mcu核心板和小信号放大模块供电图2为本发明具体实施方式中数据传输的过程图。

数据管理模块对nb-iot模块发送来的位移数据进行实时接收和存储，对可能出现的数据丢失情况建立数据恢复算法。通过编写python的socket程序，建立udp连接，实时监听udp指定端口(如8080等)，若有数据进入则通过“@”或“||”等分隔符将数据分隔为桥梁id，传感器编号，数据，时间等数据字段，并根据桥梁id与传感器编号，存储至指定id的数据库中。通过固定数据长度的检测，对当前数据长度内的数据总数和时间点进行检测：如果发现数据总数少于固定长度或者时间点存在跳跃、缺失的情况，则判定该段数据存在丢失，依据数据随机丢失和连续丢失这两种情况，通过压缩感知理论，对位移数据通过稀疏变换向量进行表示。

如图3所示，数据管理模块采用以下方法对缺失数据进行恢复重构：

s1：构造测量矩阵φ：

φ∈r^m×n(1)

式(1)中，测量矩阵φ的对角线元素为1，其他元素为0；m为缺失数据数量，n为完整数据数量；

s2：通过已有数据样本，构造过完备字典，使得数据样本各段数据能够实现式(2)的表示：

y＝dx(2)

式(2)中，y为数据样本的某段数据，d为过完备字典，x为对y的稀疏表示向量；

s3：通过以下式子求解出拟预测的完整数据估计，完成缺失数据恢复重构：

式(3)中，为拟预测的完整数据估计，为通过正交匹配算法逐步迭代求解得到的估计值。

步骤s2中，过完备字典通过以下步骤构造：

s2.1：将字典d初始化为已有数据样本构成的矩阵；

s2.2：求解数据样本的某段数据对应的稀疏表示向量x；

s.b.||x||0≤t0(5)

其中，t0为稀疏表示向量x中非零元素总数的最大值；

s2.3：通过式(6)对字典d进行更新：

式(6)中，y为每个数据样本的集合，x为每个稀疏表示向量的集合，向量dk表示待更新字典d的第k列，向量dj表示待更新字典d的第j列，xt表示向量dk对应x中的第k行向量，矩阵ek为去除dk后的误差矩阵。

选取30组总数据样本，每数据样本含有1000个数据，其中每组样本均存在随机丢失或连续丢失情况，丢失数据为400，设定丢失数据为0。图4(a)为总数据样本趋势图，图4(b)为随机丢失示意图。

通过k-svd算法构造过完备字典后，选取缺失数据样本，使用正交匹配算法求解完整数据估计值，该值与实际完整数据对比误差如图4(c)所示，由图可知，重构数据的误差在0.2％以内，满足桥梁监测在实际应用的精度需求。