基于NB-IoT窄带物联网岩土监测方法、装置和系统与流程

本发明属于岩土工程监测技术领域，主要针对各类传感器的数据传输，例如应力应变传感器、沉降位移倾斜传感器、水位计等数据的传输，具体涉及一种基于nb-iot窄带互联网传输数据的采集及传输。

背景技术：

在岩土工程中，需要保证工程质量和保证工程安全均需要安装和使用各类传感器，例如要监测应变则采用应变计，要监测沉降则采用沉降传感器，要监测位移则采用位移传感器，所需要量亦是日益增加。且随科技的发展，目前传感器数据传输均是向无线物联网方向发展，数据均为海量存储云平台展示。传感器的各类数据对工程建设具有指导性甚至是决定性的意义，如不准确及及时监测可能造成工程质量的缺失甚至造成灾难性事故。

随着国家在基础建设投入越来越多，工程质量事故也频繁出现，及很多大型建筑随着使用年限均临近期限，需要监测各类传感器的参数，目前，工程监测传感器很多样，厂家也很多，各个厂家均有各自优势，需要对一个工程进行全方位的监测需要多个厂家多种规格传感器。现有方案传感器基本均是通过有线连接至汇聚采集箱再通过无线与数据平台对接。因为工程现场比较复杂，有线连接各传感器容易遭施工现场破坏及有些地方不方便走线，且现场供电同样是极大问题，在建项目部分地方可以市电，对于野外部分地方可采用太阳能电池板，市电布线需要增加成品且现场保护成问题，野外太阳能发电同样增加成本且适用性不强。还有用gpps无线信号传输如地铁或隧道及在建工程项目，目前无线传输主要采用gprs远程传输，gprs功耗高、成本高、基站可支持节点数量相对不多，且信号覆盖均不是很强.

gprs、cdma等无线传输方式功耗高、体积大、成本高、施工复杂周期长，严重影响岩土工程领域物联网的发展和应用，束缚了自动化监测技术的发展和应用，因此，急需一种低功耗、低成本、兼容性强、可支持高覆盖率的多区域环境、可接多厂家多型号的传感器信号、可通过无线网络发送至平台，通过多策略传输组成可靠的物联网方法和装置，为工程监测物联网实施及大面积推广得以实现。

技术实现要素：

本发明目的是提供一种基于nb-iot窄带物联网的监测方法和装置，可接多厂家多类型的传感器，并在不工作时低功耗保持休眠状态，在工作时间同样保持低功耗，该装置基于nb-iot窄带物联网可体现nb-iot的优势并将传感器测量数据通过窄带物联网传输至云平台或服务器。

本发明的技术方案之一是：

一种基于nb-iot窄带物联网岩土监测的方法，包括如下步骤：

s1：选择与前端监测测量传感器匹配的硬件采样电路，连接监测测量传感器与对应的硬件采样电路，将所述硬件采样电路连接到基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置；

s2：所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置根据所选择的硬件采集电路，由处理器系统读取存储芯片上的配置参数，适配所述硬件采样电路；

s3.2：所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置的处理器系统采集前端监测测量传感器的初始信号，并处理成数字信号的数据；

s4.3：按约定协议打包数据，启动所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置的nb-iot模组，并传输打包后的数据至云平台或服务器。

进一步地，所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的方法，还包括：

s3.1：所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置的处理器系统监测内部时钟，判断是否达到预设时间，若是，则为前端监测测量传感器供电，并启动步骤s3.2；

s3.3：根据存储单元上对应的传感器标定表定标，根据所述数字信号计算传感器的测量物理量的数值；

s4.1：所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置的处理器系统，判断所述测量物理量的数值变化是否大于设定阈值，若是，将所述测量物理量的数值存储至存储芯片，启动步骤s4.3；

s6：切断所述前端监测测量传感器供电，所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置进入休眠状态。

进一步地，所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的方法，还包括：

s4.2：所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置采集温度数据，将温度数据与测量物理量的数值按约定协议打包。

进一步地，所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的方法，还包括：

s5：所述云平台或服务器校对所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置的内部时钟，调整所述装置的时钟与系统时间保持一致。

本发明的技术方案之二是：

一种基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置，包括：

c1）存储芯片，所述存储芯片上存储有不同的硬件采样电路的配置参数，匹配不同的前端监测测量传感器；

c2）硬件采样电路连接端口，预留与不同的硬件采样电路连接的端口，将硬件采样电路采集的信号传送给处理器系统；

c3）处理器系统，包括如下功能：负责读取配置参数、控制前端监测测量传感器的信号采集、控制低功耗电源电路的通断、处理采集到的信号并打包数据、控制nb-iot模组的启动和传输数据；

c4）nb-iot模组，与预设的云平台或服务器建立连接，发送数据。

进一步地，所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置，所述硬件采样电路连接端口包括电流、电压、频率信号采集端口，和rs485、rs232、uartttl、can总线数字信号采集端口，并预留可扩展端口。

进一步地，所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置，还包括：

c5）低功耗电源电路，控制所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置和前端监测测量传感器的供电，根据预设时间启动数据采集程序之前，为所述装置和传感器供电，数据采集结束后，切断供电，保持装置处于休眠状态，只保持内部时钟正常运行；

c6）电源，采用锂电池供电；

c7）内部时钟，起计时的作用。

进一步地，所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置，所述存储芯片上还存储有传感器标定表及数据上传判断规则，处理器系统根据标定表将采集到的前端监测测量传感器的信号，处理成传感器测量的物理量的数值，所述数值达到数据上传判断规则时，才启动nb-iot模组发送数据，并将达到数据上传判断规则的数据存储至存储芯片。

进一步地，所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置，所述数据上传判断规则是与与上一次测量数值相比的变化量及与初始量变化是否达到警戒值。

进一步地，所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置，所述低功耗电源电路采用三极管控制所述装置和传感器的供电。

进一步地，所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置，还包括：

c8）温度传感器，采集测量时所述装置的温度数据。

进一步地，所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置，所述nb-iot模组还负责接收所述预设的云平台或服务器发送的系统时间数据，校正内部时钟的时间信息。

本发明的技术方案之三是：

一种基于nb-iot窄带物联网岩土监测的系统，包括：

a）前端监测测量传感器，用于采集岩土监测工程中的监测数据或信号；

b）硬件采样电路，用于连接前端检测测量传感器，并将所述传感器数据或信号传送给基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置；

c）如上所述的基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置，将所述传感器数据或信号转化为数字信号，并打包数据发送给预设的云平台或服务器；

d）云平台或服务器，接收基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置发送的打包数据，解析岩土监测工程现场的状况。

本发明的有益效果包括：

（1）基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置，根据配置选择不同硬件采样电路，可采集前端各类传感器信号（如，频率、电压、电流等），并通过其内置标定标定表计算其测量物理量（如，应变应力、位移、沉降、倾斜角度等），可接多厂家多类型的传感器；

（2）无线通讯采用nb-iot窄带互联网网络，nb-iot具有覆盖广、海量连接、功耗更小、成本低等优势，每个传感器通过该装置直接与平台通信，不需要再设计总线电路，改变总线布线的繁琐、成本高；

（3）采用锂电池作为电源供电，不需要连接市电或太阳能电池板，降低供电成本和避免电源损坏，改变了供电不稳定补充电量成本高等劣势；

（4）采用智能省电策略，采样前给传感器供电，采样完毕传感器供电切断，并对数据上传具有选择性从而达到节省电量效果，在不工作时低功耗保持休眠状态，一节18650锂电池每天上传12条数据可支持2年，1条测量数据可支持5年；

（5）整个装置体积小，每个装置单独供电，各自工作不受关联，各自单独与平台双向通信，并将传感器测量数据通过nb-iot窄带物联网传输至云平台或服务器。

附图说明

图1是本发明实施例1的方法流程示意图；

图2是本发明实施例2的方法流程示意图；

图3是本发明实施例3的装置结构示意图；

图4是本发明实施例4的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明，以便于本领域技术人员理解本发明。

本发明实施例1如图1所示，一种基于nb-iot窄带物联网岩土监测的方法，包括：基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置的处理器系统监测内部时钟，判断是否达到预设时间，若否，继续监测系统时间，若是，则为前端监测测量传感器供电，并采集前端监测测量传感器的初始信号，并处理成数字信号的数据，计算传感器的测量物理量，采集温度传感器的温度数据，将温度数据与测量物理量的数值按约定协议打包，通过nb-iot模组传输打包后的数据至预设云平台或服务器。

本发明实施例2如图2所示，一种基于nb-iot窄带物联网岩土监测的方法，包括如下步骤：

s1：选择与前端监测测量传感器匹配的硬件采样电路，连接监测测量传感器与对应的硬件采样电路，将所述硬件采样电路连接到基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置；

s2：所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置根据所选择的硬件采集电路，由处理器系统读取存储芯片上的配置参数，适配所述硬件采样电路；

s3.1：所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置的处理器系统监测内部时钟，判断是否达到预设时间，若是，则为前端监测测量传感器供电；

s3.2：所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置的处理器系统采集前端监测测量传感器的初始信号，并处理成数字信号的数据；

s3.3：根据存储单元上对应的传感器标定表定标，根据所述数字信号计算传感器的测量物理量的数值；

s4.1：所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置的处理器系统，判断所述测量物理量的数值变化是否大于设定阈值，若是，将所述测量物理量的数值存储至存储芯片；

s4.2：所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置采集温度数据，将温度数据与测量物理量的数值按约定协议打包；

s4.3：按约定协议打包数据，启动所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置的nb-iot模组，并传输打包后的数据至云平台或服务器；

s5：所述云平台或服务器校对所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置的内部时钟，调整所述装置的时钟与系统时间保持一致；

s6：切断所述前端监测测量传感器供电，所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置进入休眠状态。

本发明实施例3如图3所示，一种基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置，包括：

c1）存储芯片，所述存储芯片上存储有不同的硬件采样电路的配置参数，匹配不同的前端监测测量传感器；所述存储芯片上还存储有传感器标定表及数据上传判断规则；

c2）硬件采样电路连接端口，预留与不同的硬件采样电路连接的端口，将硬件采样电路采集的信号传送给处理器系统；所述硬件采样电路连接端口包括电流、电压、频率信号采集端口，和rs485、rs232、uartttl、can总线数字信号采集端口，并预留可扩展端口；

c3）处理器系统，包括如下功能：负责读取配置参数、控制前端监测测量传感器的信号采集、控制低功耗电源电路的通断、处理采集到的信号并打包数据、控制nb-iot模组的启动和传输数据；所述处理器系统根据标定表将采集到的前端监测测量传感器的信号，处理成传感器测量的物理量的数值，所述数值达到数据上传判断规则时，才启动nb-iot模组发送数据；所述处理器系统将达到数据上传判断规则的数据存储至存储芯片；所述数据上传判断规则是与与上一次测量数值相比的变化量及与初始量变化是否达到警戒值；

c4）nb-iot模组，与预设的云平台或服务器建立连接，发送数据；所述nb-iot模组还负责接收所述预设的云平台或服务器发送的系统时间数据，校正内部时钟的时间信息；

c5）低功耗电源电路，控制所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置和前端监测测量传感器的供电，根据预设时间启动数据采集程序之前，为所述装置和传感器供电，数据采集结束后，切断供电，保持装置处于休眠状态，只保持内部时钟正常运行；所述低功耗电源电路采用三极管控制所述装置和传感器的供电；

c6）电源，采用锂电池供电；

c7）内部时钟，起计时的作用；

c8）温度传感器，采集测量时所述装置的温度数据。

本发明实施例4如图4所示，一种基于nb-iot窄带物联网岩土监测的系统，包括：

a）前端监测测量传感器，用于采集岩土监测工程中的监测数据或信号；

b）硬件采样电路，用于连接前端检测测量传感器，并将所述传感器数据或信号传送给基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置；连接不同初始信号类型的传感器；前端硬件采集电路根据传感器输出电信号不一样，其硬件电路不一样，如，振弦类，需要对传感器的钢弦激振，再通过硬件电路采样其微弱电流，并放大及整形采样其频率，从而取得其初始频率信号；电压类，可通过单通道或多通道的ad采样电路采集多路模拟电压，并处理成数字信号；电流类，同样通过采样电路采集模拟电流信号并处理成数字信号；对于已经处理过数据数字信号的传感器，例如输出接口有rs485、ttluart、rs232接口等，处理单元通过不同的通行串行通信接口与相应硬件接口对应传感器；

c）如上所述的基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置，包括：

c1）存储芯片，所述存储芯片上存储有不同的硬件采样电路的配置参数，匹配不同的前端监测测量传感器；所述存储芯片上还存储有传感器标定表及数据上传判断规则；

c2）硬件采样电路连接端口，预留与不同的硬件采样电路连接的端口，将硬件采样电路采集的信号传送给处理器系统；所述硬件采样电路连接端口包括电流、电压、频率信号采集端口，和rs485、rs232、uartttl、can总线数字信号采集端口，并预留可扩展端口；

c3）处理器系统，包括如下功能：负责读取配置参数、控制前端监测测量传感器的信号采集、控制低功耗电源电路的通断、处理采集到的信号并打包数据、控制nb-iot模组的启动和传输数据；所述处理器系统根据标定表将采集到的前端监测测量传感器的信号，处理成传感器测量的物理量的数值，所述数值达到数据上传判断规则时，才启动nb-iot模组发送数据；所述处理器系统将达到数据上传判断规则的数据存储至存储芯片；所述数据上传判断规则是与与上一次测量数值相比的变化量及与初始量变化是否达到警戒值；处理器系统还负责监控管理，如监控传感器电源，在每次测量前，通过低功耗电源电路，先把传感器供电供上，因现场耗电因素无线传输为耗电量大的地方，在上传策略上如判定数值变化无需上传至平台，则不启动无线上传系统，从而节省电量；

c4）nb-iot模组，与预设的云平台或服务器建立连接，发送数据；所述nb-iot模组还负责接收所述预设的云平台或服务器发送的系统时数据，校正内部时钟的时间信息；

c5）低功耗电源电路，控制所述基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置和前端监测测量传感器的供电，根据预设时间启动数据采集程序之前，为所述装置和传感器供电，数据采集结束后，切断供电，保持装置处于休眠状态，只保持内部时钟正常运行；所述低功耗电源电路采用三极管控制所述装置和传感器的供电；

c6）电源，采用锂电池供电；

c7）内部时钟，起计时的作用；

c8）温度传感器，采集测量时所述装置的温度数据；

d）云平台或服务器，接收基于nb-iot窄带物联网岩土监测的装置发送的打包数据，解析岩土监测工程现场的状况。

以上实施例仅用于说明本发明的具体实施方式，而不是用于限定本发明，本发明所要求保护的范围以权利要求书所述为准。