CN111336981B - 一种融合北斗和惯性传感器的物联网杆塔形变监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种融合北斗和惯性传感器的物联网杆塔形变监测装置，包括北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置、空间数据预处理平台、NB‑IoT通信模块、太阳能电池、电源管理模块、输入输出面板和后台数据监测平台。所述北斗卫星监测点设备及物联网传感监测装置固定于被监测杆体之上，通过NB‑IoT通信模块与空间数据预处理平台相连接，用于塔基沉降、杆塔倾角、结构风荷载分析等杆塔健康状态的自动测量；本发明装置性能好、体积小、功耗低，可利用太阳能供电，结合低功耗监测装置和物联网设备最大限度地实现无人值守的长期自动监测。

Description

一种融合北斗和惯性传感器的物联网杆塔形变监测装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种融合北斗和惯性传感器的物联网杆塔形变监测装置。

背景技术

卫星导航技术的发展具有广泛的社会、经济、科技和国防意义。随着大国之间导航技术的竞争和更新，卫星定位精度不断提高，应用范围也越来越广，逐渐成为信息化时代中社会生活和国民经济里不可或缺的空间信息基础设施。北斗卫星导航***历经多年发展，目前最新的北斗三号卫星星座相比二代做出了两项重大调整，一是用自主研制的氢原子钟代替了国外进口的铷原子钟，精度提高了10倍，能支撑更多的精细应用场景，对前代***无法实现的精准授时和精确定位提供服务足够的能力；二是为了实现对境外卫星监测和注入的便利，北斗中创造性地使用了星间通信测量链路来实现相控阵星间链路，实现卫星互联互通，进一步提升了不依赖于地面***的卫星独立测距、导航和通信能力。这也是继双向短信息服务之外，北斗定位***相比于其它导航***独有的特色功能。

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，窄带物联网)技术有覆盖面积广、设备功耗低、节点支持多、技术更成熟和应用成本低的特点，作为物联网领域中的一项新技术，广受行业支持。NB-IoT与现网有良好的技术融合度，随着相关产业的成熟和政策支持的落地，目前已成为万物互联网络的一个重要分支，在诸如智慧农业、物流仓储、智慧城市、医疗健康、智慧电力等领域得到了极大的应用。NB-IoT可以平滑升级于现有的蜂窝网络之上，能充分利旧原有的网络设备和其他资产，减少网络的重复建设，缩短部署的工期、减少建设费用。NB-IoT设备有极低的功耗水平，特别适用于无人值守设备的物联需求，同时，在极小的带宽上就能满足对网络连接要求较高设备的高效连接。

采用北斗高精度定位技术，结合NB-IoT网络的信息传输，对杆塔健康状态进行全天候自动化监测，包括位移、变形、沉降等变化，精度可达毫米级，同时通过***警告和预警机制有效减少或防止因为杆塔形变而导致的安全事故的发生。当前民用北斗定位的精度都是10米左右，无法直接用于高精度的监测场景。而惯性传感器技术的辅助定位，可以实现高精度的姿态定位、动作捕捉和方向检测等，广泛应用于自动驾驶、三维建模、运动检测等领域。要实现对杆塔形变的毫米级的精准监测就必须依赖于差分精度校正、广域增强技术和传感器融合导航技术来实现。其中，卫星定位的差分算法主要是依靠对位移数据的多次测量和联合处理，比如回归处理、取平均值等方法，来尽可能地消除测量误差对结果的影响。显然地，在这个过程中卫星定位的精度，与测量的次数和时间有高度相关性。除了受到人为破坏、强自然灾害的影响外，杆塔形变的过程一般都是相当缓慢的，正确安装和使用下的杆塔完全可以利用卫星和惯性传感器的融合定位来进行高精度测量。北斗卫星监测点设备及物联网传感监测装置固定于被监测杆体之上，通过NB-IoT通信模块与空间数据预处理平台相连接，用于塔基沉降、杆塔倾角、结构风荷载分析等杆塔健康状态的自动测量。连续测量的大量定位数据，在积累到可用的程度后，进行融合计算，精度在毫米以下的定位数据就算出来了，这种方法比人工测量方便和准确了许多。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种融合北斗和惯性传感器的物联网杆塔形变监测装置，该装置是将北斗卫星监测点设备及物联网传感监测装置固定于被监测通信杆塔、电力杆塔、市政灯杆、施工塔吊等杆塔设施之上，具有监测安全、体积小巧、安装简单、超低功耗的优点。具体地，实现了对通信、电力、市政、塔吊等杆塔设施运行状态和姿态情况的连续自动监测和分析，通过空间数据处理和后台数据监测平台量化监测业务应用，为工程建设和运维人员提供快速识别和解决问题的有效依据，通过NB-IoT网络实现杆体监测装置之间的广域互联，优化了监测数据的传输机制，降低人工监测的误差和成本。本发明装置性能好、体积小、功耗低，可利用太阳能充电，结合低功耗监测装置和物联网设备最大限度地实现无人值守的长期自动监测。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种融合北斗和惯性传感器的物联网杆塔形变监测装置，包括北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置、空间数据预处理平台、NB-IoT通信模块、后台数据监测平台、电源管理模块；

其中，所述北斗卫星监测点设备设置在被测量物体上，北斗卫星监测点设备根据测得的卫星差分数据对被测量物体定位，所述被测量物体包括杆塔；

所述物联网传感监测装置设置在被测量物体上，用于获取被测量物体的惯性姿态数据；物联网传感监测装置采用微机械陀螺仪开发；

所述空间数据预处理平台分别与北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置、NB-IoT通信模块相连接；空间数据预处理平台将北斗卫星监测点设备测得的差分数据和物联网传感监测装置获取的惯性姿态数据进行融合预处理，得到预处理后的数据；

NB-IoT通信模块将空间数据预处理平台预处理后的数据，通过窄带物联网网络传输至后台数据监测平台；

所述后台数据监测平台接收NB-IoT通信模块传输来的数据并在后台依靠计算机远程进行处理，得到后台融合处理的杆塔形变监测数据，从而判断杆塔健康状态；

所述电源管理模块分别与北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置和空间数据预处理平台连接，并对北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置和空间数据预处理平台供电。

所述物联网传感监测装置包括惯性传感器，惯性传感器用于获取被测量物体的惯性姿态数据；

所述空间数据预处理平台将北斗卫星监测点设备测得的差分数据和物联网传感监测装置获取的惯性姿态数据进行融合预处理，得到预处理后的数据，具体包括：附着安装于杆塔上的北斗卫星监测点设备及物联网传感监测装置，直接利用外界太阳能供电，随杆塔的形变而发生正相关的位置移动；所述北斗卫星监测点设备连续测量杆塔定位数据，使用海量数据进行差分计算，使定位杆塔位移的精度达到毫米级；同时，通过物联网传感监测装置中的微机械陀螺仪采集原始数据，所述原始数据包括塔基沉降、杆塔倾角、结构风荷载，所述空间数据预处理平台对原始数据进行数据清洗；

所述空间数据预处理平台只对原始数据进行简单数据清洗，粗略进行姿态解析判断杆塔形变，而不做复杂数学解算；

所述后台数据监测平台接收NB-IoT通信模块传输来的数据并在后台依靠计算机远程进行处理，得到后台融合处理的杆塔形变监测数据，从而判断杆塔健康状态，包括：后台数据监测平台根据预处理后的数据，得到四个四元数微分方程，通过使用经典4阶龙格库塔法解算四元数矩阵进行姿态解析，将卫星差分数据与惯性姿态数据融合，从而判断杆塔健康状态，具体包括如下步骤：

步骤a1，将惯性传感器的微机械陀螺仪采集到的原始数据分别表示为四个时变函数q₀,q₁,q₂,q₃，对应到四元数矩阵Q的表达式为：

这四个时变函数在某一初始时刻，直接由陀螺仪内部根据陀螺仪的转动、加速度和地磁变量输出一组确定实数。如果找到四元数矩阵Q的一阶微分方程Q′，也就是找到对应函数q₀,q₁,q₂,q₃的微分方程q′₀,q′₁,q′₂,q′₃，即能够求出四个时变函数q₀,q₁,q₂,q₃。

设定两个坐标系n系和b系，其中n系为地理世界导航坐标系，b系为微机械陀螺仪内部计算使用坐标系，将n系到b系各个轴向的旋转变化表示为矩阵

矩阵

与四元数矩阵Q做乘法后，反映到杆塔形变的微分表达为

令

则初始四元数矩阵微分方程

其中q₀′,q₁′,q′₂,q₃′分别是陀螺仪原始数据中四个时变函数q₀,q₁,q₂,q₃的微分，即：

步骤a2，用ω_x,ω_y,ω_z分别表示微机械陀螺仪内部计算使用的b系坐标系相对于n系地理世界导航坐标系沿x、y、z各个轴向的角速度分量，由微机械陀螺仪直接输出，对

进行如下矩阵式转换：

最终得到如下变换的四元数矩阵微分方程：

步骤a3，变换的四元数矩阵微分方程对应于四个一阶微分方程，通过在算法程序中(比如MATLAB)更新微机械陀螺仪输出的不断变化的ω_x,ω_y,ω_z数值，即能够求出四个时变函数q₀,q₁,q₂,q₃，这方法计算量小，易于工程中编程实现。根据已知的ω_x,ω_y,ω_z求出随时间变化的q₀,q₁,q₂,q₃后，映射到微机械陀螺仪内部计算使用坐标系，得到杆塔的姿态形变在沿x、y、z轴向的位移变量信息

表示三维坐标中的一个位移；

步骤a4，采集北斗卫星监测点设备输出的卫星差分数据中包括的杆塔差分定位位移变量，在惯性传感器微机械陀螺仪坐标系中，将北斗卫星监测点设备进行差分定位沿x、y、z轴向的杆塔位移变量计为

修正系数为

取值范围在0.8～1.2之间，同一时刻，当微机械陀螺仪跟随杆塔的形变而发生正相关的位置移动时，经后台数据监测平台计算得到位移变量

修正系数为

取值范围在0.9～1.1之间。结合两个测量数据，得到杆塔形变的融合数据为

所述后台数据监测平台在远端提供后台融合处理能力和算法支撑，杆塔形变前后反映在陀螺仪输出的惯性姿态数据的变化中，得到四个四元数微分方程，只需要空间数据预处理平台通过NB-IoT通信模块，发送物联网传感监测装置采集到的杆塔形变的初始和结束姿态数据，后台数据监测平台依靠强大的计算能力，编程求解微分方程的一阶导数，得到随时间变化的q₀,q₁,q₂,q₃的值，就可以解出杆塔姿态变化信息，能准确分析出塔基沉降、杆塔倾角、结构风荷载的结果；所述算法主要是通过解算四元数矩阵进行姿态解析，将卫星定位差分定位数据与姿态解算数据融合，完成杆塔近端的惯性导航微动数据与卫星远端差分定位信息的互补纠偏，实现无人值守的杆塔健康状态自动测量；其中，由于监测***不需要实时反馈数据变化，为了降低空间数据预处理平台的负荷，以及减少数据采集和传输的功耗，预处理数据中包含的惯性姿态数据在后台计算机软件采用四元数龙格库塔解算姿态方法，融合北斗三代卫星差分数据进行精确的杆塔形变测算。例如，某一监测时刻当微机械陀螺仪跟随杆塔的形变而发生正相关的位置移动后，传感器内部集成16位高精度ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)即时在x、y、z三个轴向分别得到变化的转动、加速度和地磁变量，依靠内部数字运动处理器直接输出九轴传感器姿态演算数据后，经后台数据监测平台计算得到变量

修正系数为

同一时刻，北斗卫星监测点设备进行差分定位杆塔位移变量为

修正系数为

得到杆塔形变的融合数据为

代入数值后得

下一监测时刻，经后台数据监测平台计算得到变量

修正系数为

北斗卫星监测点设备进行差分定位杆塔位移变量为

修正系数为

得到杆塔形变的融合数据为

与塔基沉降、杆塔倾角、结构风荷载的变化直接相关的杆塔位移和倾角结果，可以通过陀螺仪与卫星差分数据的前后变化计算得到，杆塔形变位移大小

杆塔倾角变化大小

所述北斗卫星监测点设备包括卫星接收机和卫星接收天线；所述卫星接收机用于接收和处理北斗三号卫星定位数据；所述卫星接收天线用于将卫星信号聚集以提升接收信号质量；

所述后台数据监测平台包括后台服务器，后台服务器中运行解算惯性姿态数据的软件和处理卫星差分数据的软件，以及实现两种数据融合处理的算法。

还包括输入输出面板，所述输入输出面板分别与北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置和电源管理模块连接，用于通过按键手动控制物联网杆塔形变监测装置，以及通过智能终端指示物联网杆塔形变监测装置当前所处的工作状态。

所述电源管理模块包括太阳能充放电电路、太阳能充放电控制器、太阳能接口、锂电池组接口、负载接口、外电接口、太阳能电池、两级电保护装置和储能电池组；

其中太阳能充放电电路与太阳能充放电控制器连接，太阳能充放电电路为单相桥式整流电路，单相桥式整流电路连接太阳能电池和储能电池组，位于储能电池组充电端；储能电池组放电端与两级电保护装置连接；

太阳能充放电电路采用单相桥式整流电路，保证太阳能电池向储能电池组充电的单一方向性，采用两级电保护装置，防止电流骤增对电池或电子元件的损坏；采用高效升压转换芯片，保证阴雨天气下的供电效果，升压转换芯片使用TI公司MC33063A-Q1，可满足-40到125℃的作业环境，具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点。

所述太阳能充放电控制器用于控制太阳能充放电电路工作；

所述太阳能接口一端与太阳能电池连接，另一端与所述太阳能充放电电路连接；

所述太阳能电池通过太阳能充放电电路向储能电池组充电；

所述锂电池组接口与储能电池组连接，锂电池组接口还设有用于与外部充电电源连接的接口；

所述负载接口一端与外电接口连接，另一端与所述北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置、空间数据预处理平台和输入输出面板连接；

所述外电接口分别与外部电源和负载接口连接，能够对负载和储能电池组充电；

所述太阳能电池用于进行能量转化，通过所述太阳能接口向太阳能充放电电路供电，满足后级电能需求；

所述储能电池组通过锂电池组接口向与负载接口连接的设备供电，同时接受输入输出面板的控制信号。

所述太阳能充放电电路和所述太阳能充放电控制器组成太阳能充放电模块，太阳能充放电模块能同时独立地进行充电和放电的工作，太阳能充放电模块对充电和放电过程的控制互不影响。

所述空间数据预处理平台包括主控制模块和通用***设备接口模块；所述NB-IoT通信模块包括射频核心模块和天线；

所述主控制模块通过导线分别与射频核心模块和通用***设备接口模块相连；

所述主控制模块用于接收、存储物联网传感监测装置和北斗卫星监测点设备采集到的惯性姿态数据和差分数据，并在数据进行预处理之后且需要向外界传输时，将预处理后的数据传入射频核心模块；

所述通用***设备接口模块包括USIM接口、UART(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步收发传输器)串口和ADC(Analog to DigitalConverter，模拟数字转换器)接口；

所述USIM接口用于安装运营商物联网卡；所述UART串口用于与所述物联网传感监测装置检测数据的通信；所述ADC接口用于与所述物联网传感监测装置中ADC转换器的连接；

所述主控制模块包括通过导线相连的主控制器、JTAG(Joint Test ActionGroup，联合测试工作组)接口、ROM(Read-Only Memory，只读存储器)、闪存和SRAM(StaticRandom-Access Memory，静态随机存取存储器)；

所述主控制器采用低功耗处理器，用于控制主控制模块的工作和信号处理；所述JTAG接口用于对主控制模块进行调试；所述ROM存储主控制模块的程序；所述闪存存储主控制模块的内部和外部数据；所述SRAM用来存取主控制模块中的串行数据；

所述射频核心模块包括数字锁相环、DSP调制解调器、SRAM、ROM和放大器，放大器与天线相连接；

所述数字锁相环用于实现对输入信号的调制；所述DSP调制解调器负责对物联网通信的收发信号进行数字信号处理；所述SRAM用来存取无线通信串行数据；所述ROM存储射频核心模块的程序；所述放大器用于对射频信号进行功率放大；

所述射频核心模块用于在数据需要向外传输时，接收主控制模块传入的数据，并将数据由天线向外传输；

所述天线用于将预处理信号发送到通信基站并传至后台，并通过NB-IoT网络接收所述后台数据监测平台传来的远程控制信息；所述预处理信号是主控制模块对北斗卫星监测点设备和物联网传感监测装置采集到的原始杆塔形变数据的处理信号。

所述物联网传感监测装置包括传感器监测单元、传感器接口模块、协处理器模块；

所述传感器监测单元包括姿态参考***、惯性测量单元和解算单元；

所述姿态参考***用于预处理物联网传感监测装置测量数据的初始化姿态参考；

所述惯性测量单元用于物联网传感监测装置测量杆塔形变数据；

所述解算单元用于预处理物联网传感监测装置测量杆塔形变数据后进行姿态估算；

所述传感器接口模块包括传感器控制器、ADC和比较器；

所述传感器控制器用于感知物联网传感监测装置中惯性传感器的工作状态；

所述ADC用于对物联网传感监测装置检测数据的转换和清洗；

所述比较器用于对所述电源管理模块中电压的判断；

所述协处理器模块包括ROM、SRAM和协处理器；

所述ROM存储协处理器模块的程序；所述SRAM用来存取协处理器模块中的串行数据；所述协处理器是协处理器模块的核心处理单元；

所述协处理器模块分别通过与传感器监测单元、通用***设备接口模块和传感器接口模块相连，处理和NB-IoT通信模块相连的物联网传感监测装置交互数据，进行时钟同步管理。

所述主控制模块采用TI公司的MSP430F169微控制器进行开发，所述NB-IoT通信模块采用BC28 NB-IoT无线模块.

所述传感器监测单元选用MEMS惯性传感器开发；

所述太阳能电池采用高能效钙钛矿电池；

所述储能电池组采用工业用18650钛酸锂电池组。

所述主控制模块采用TI公司的MSP430F169微控制器进行开发，所述NB-IoT通信模块采用BC28 NB-IoT无线模块。

所述后台数据监测平台包括后台服务器，后台数据监测平台用于运行惯性导航和卫星差分融合定位软件。

所述北斗卫星监测点设备及物联网传感监测装置通过镀锌U型螺栓固定于被监测的杆体之上，北斗卫星监测数据和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)惯性传感器采集到的姿态数据，是用于计算塔基沉降、杆塔倾角、结构风荷载分析等杆塔健康状态的原始数据；所述NB-IoT通信模块和空间数据预处理平台互相连接，原始数据经测量装置的传感器接口和通信模块的通用***设备接口模块传送到NB-IoT通信模块，NB-IoT通信模块通过导线连接的接口和空间数据预处理平台通信，透明传输的原始数据经过主控制模块为MSP430F169微控制器的空间数据预处理平台进行预处理后，经过USIM(UniversalSubscriber Identity Module，全球用户识别卡)接口和射频核心模块发送到外界；所述后台数据监测平台和空间数据预处理平台连接，用于对前端预处理后发出数据的后台融合处理，后台服务器有强大的计算能力，可以高效完成前述嵌入式***返回的大量数据，通过惯性导航和卫星差分融合定位软件的解算得到最终的精确结果；所述太阳能电池与电源管理模块相连，用于为监测装置中北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置和空间数据预处理平台的供电，通过使用高性能和高安全性的工业用18650钛酸锂电池组，以及具有高光电转化效率的第三代钙钛矿太阳能电池，结合低功耗器件、芯片和模块的使用，延长无人管理自动监测的时间；所述输入输出面板用于设备安装、调试和维护时的手动控制，并且可以通过LED灯指示杆塔形变监测装置当前所处的工作状态。

所述外电接口与外部电源连接，在太阳能供电不足或储能电池组无法工作时对负载供电；从而可以延长装置待机、使用时间，实现不间断运行。

所述太阳能电池采用第三代钙钛矿太阳能电池，具有高光电转化效率、高效能和高安全性；所述储能电池组通过使用适合室外环境的高性能和高安全性的工业用18650钛酸锂电池组；结合低功耗器件、芯片和模块的使用，延长无人管理自动监测的时间。

所述主控制模块在将信号预处理完成并传到射频核心模块后，直到下一次接收到新的数据或其他唤醒指令前，进入睡眠状态，从而可以大大降低空间数据预处理平台的功耗。

更进一步的，所述传感器控制器用于感知传感器的工作状态，若没有进行信号采集，则控制NB-IoT通信模块自动进入睡眠状态，降低NB-IoT通信模块的功耗，所述NB-IoT通信模块采用BC28 NB-IoT无线模块。

所述传感器监测单元选用InvenSense公司九轴MEMS惯性传感器MPU9250开发，内部集成16位高精度ADC和数字运动处理器，可以直接向外输出完整的九轴传感器融合演算数据，便于实现姿态解算；该传感器主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等，是微型传感器的主力军，具有取代传统机械传感器的趋势。

本发明实现了对通信、电力、市政、塔吊等杆塔设施运行状态和姿态情况的连续自动监测和分析，通过空间数据处理和后台数据监测平台量化监测业务应用，为工程建设和运维人员提供快速识别和解决问题的有效依据，通过NB-IoT网络实现杆体监测装置之间的广域互联，优化了监测数据的传输机制，降低人工监测的误差和成本。本发明装置性能好、体积小、功耗低，可利用太阳能充电，结合低功耗监测装置和物联网设备最大限度地实现无人值守的长期自动监测。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明采用的北斗卫星监测点设备，属于当前最新的北斗三号卫星定位设备，支持单***工作模式以及多***联合解算模式。在技术实现上，北斗具有其他导航***所不具备的优势，①空间段采用数量不同的高中低三种轨道卫星组成混合星座，拥有更多抗遮挡能力强的高轨卫星；②可提供多频导航信号，并通过多频信号组合使用的方式提高服务精度；③创新性地融合了卫星导航与双向通信能力，可以提供精确定位、高速导航、位置报告、精准授时和短信服务等功能。相比其他类似功能的装置，采用的北斗卫星监测点设备有利于获得更准确的检测结果。

(2)本发明采用的我国自主研发的卫星导航***和设备，克服了其他导航***存在的安全风险，具有信息安全、自主可控的优势。

(3)本发明的杆塔形变监测装置，通过使用NB-IoT物联网通信替代传统老旧监测设备中基于GPRS网络连接的通信方式，克服了监测装置中落后芯片、制式和方法引起的局限性，在当前2G退网和5G优先的情况下，基于GPRS网络连接的杆塔形变监测装置除了功耗高，还存在无法正常使用的风险，本发明中使用的通信方法能保证装置的网络通信保持长生命周期的运转，同时实现装置广覆盖、长时间和低功耗运行。

(4)本发明的电源管理模块采取外部电源和太阳能方式同时供电，有利于降低电力故障对装置的影响，降低能耗，确保稳定运行。太阳能电池采用第三代钙钛矿太阳能电池，具有高光电转化效率、高效能和高安全性，与现有技术相比，当通过太阳能充电方式获得的储备电量耗尽，或者外部供电故障时，可自动启动另一种供电方案，突破了现有单电源供电***中监测装置受电池电量或供电稳定性限制的局限。钙钛矿太阳能电池的使用还可以大幅度降低成本，增加本发明的市场竞争力。

(5)本发明的电源管理模块，太阳能充电模式采用充电模块和放电模块彼此独立的结构和工作方式，充电和放电过程互不影响，不必同时进行，相比于现有技术，装置稳定性提升。

(6)本发明的储能电池组，克服了传统如铅酸、铁锂、镍氢等蓄电池在环境适应性、安全性能、再循环使用寿命、价格等方面的不足，通过采用高性能和高安全性的工业用18650钛酸锂电池组，结合低功耗器件、芯片和模块的使用，保证了本发明的持久供电性能，延长无人管理自动监测的时间，实现自动化运行。

(7)本发明的储能电池组，采用高度标准化的18650电池，生产工艺成熟，具有成本优势，有利于快速维护、更换。

(8)本发明的物联网传感监测装置，使用超低功耗协处理器、MEMS惯性传感器和高精度ADC，克服了以往监测设备中采集传感***复杂、电子元件多、不易于实现轻便化、信号极易受到外界的干扰而引入噪声的弊端，高度集成化使得信号处理效率提升，稳定性明显增强。

(9)本发明的空间数据预处理平台，使用了低功耗微控制器对前端数据进行预处理，提高信号传输和处理效率。

(10)本发明的后台数据监测平台，在后台服务器中完成融合定位的复杂算法，有利于保证***效率。其中惯性陀螺仪姿态解析的主要算法是实现是解析由四个超复数表示旋转的过程，实际上是将杆塔形变的三维空间数据通过陀螺仪采集，并映射到了四维空间。一般使用Q(x,y,z,w)＝w+xi+yj+zk表示四元数。四个参数中，x、y、z代表旋转轴向，w为旋转的角度。通过使用经典4阶龙格库塔法得到四个四元数微分方程，求解微分方程的一阶导数，就可以计算四元数矩阵对应的杆塔姿态。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1a是本实施例的硬件框图。

图1b是本实施例的一种安装示意图。

图2是本实施例的电源管理模块组成图。

图3是本实施例的电源管理模块中太阳能充电控制器的储能电池组反接保护电路图。

图4是本实施例的电源管理模块中太阳能充放电电路的充电电路图。

图5是本实施例的电源管理模块中太阳能充放电电路的放电电路图。

图6是本实施例的空间数据预处理平台和NB-IoT通信模块的连接方式组成图。

图7是本实施例的物联网传感监测装置组成图。

图8是塔杆位移变化与倾角变化示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种融合北斗和惯性传感器的物联网杆塔形变监测装置，包括北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置、空间数据预处理平台、NB-IoT通信模块、后台数据监测平台、电源管理模块；

其中，所述北斗卫星监测点设备设置在被测量物体上，北斗卫星监测点设备根据测得的卫星差分数据对被测量物体定位，所述被测量物体包括杆塔；

所述物联网传感监测装置设置在被测量物体上，用于获取被测量物体的惯性姿态数据；物联网传感监测装置采用微机械陀螺仪开发；

所述空间数据预处理平台分别与北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置、NB-IoT通信模块相连接；空间数据预处理平台将北斗卫星监测点设备测得的差分数据和物联网传感监测装置获取的惯性姿态数据进行融合预处理，得到预处理后的数据；

NB-IoT通信模块将空间数据预处理平台预处理后的数据，通过窄带物联网网络传输至后台数据监测平台；

所述后台数据监测平台接收NB-IoT通信模块传输来的数据并在后台依靠计算机远程进行处理，得到后台融合处理的杆塔形变监测数据，从而判断杆塔健康状态；

所述电源管理模块分别与北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置和空间数据预处理平台连接，并对北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置和空间数据预处理平台供电。

所述物联网传感监测装置包括惯性传感器，惯性传感器用于获取被测量物体的惯性姿态数据；

所述空间数据预处理平台将北斗卫星监测点设备测得的差分数据和物联网传感监测装置获取的惯性姿态数据进行融合预处理，得到预处理后的数据，具体包括：附着安装于杆塔上的北斗卫星监测点设备及物联网传感监测装置，直接利用外界太阳能供电，随杆塔的形变而发生正相关的位置移动；所述北斗卫星监测点设备连续测量杆塔定位数据，使用海量数据进行差分计算，使定位杆塔位移的精度达到毫米级；同时，通过物联网传感监测装置中的微机械陀螺仪采集原始数据，所述原始数据包括塔基沉降、杆塔倾角、结构风荷载，所述空间数据预处理平台对原始数据进行数据清洗；

所述空间数据预处理平台只对原始数据进行简单数据清洗，粗略进行姿态解析判断杆塔形变，而不做复杂数学解算；

所述后台数据监测平台接收NB-IoT通信模块传输来的数据并在后台依靠计算机远程进行处理，得到后台融合处理的杆塔形变监测数据，从而判断杆塔健康状态，包括：后台数据监测平台根据预处理后的数据，得到四个四元数微分方程，通过使用经典4阶龙格库塔法解算四元数矩阵进行姿态解析，将卫星差分数据与惯性姿态数据融合，从而判断杆塔健康状态，具体包括如下步骤：

步骤a1，将惯性传感器的微机械陀螺仪采集到的原始数据分别表示为四个时变函数q₀,q₁,q₂,q₃，对应到四元数矩阵Q的表达式为：

这四个时变函数在某一初始时刻，可以直接由陀螺仪内部根据陀螺仪的转动、加速度和地磁变量输出一组确定实数。如果找到四元数矩阵Q的一阶微分方程Q′，也就是找到对应函数q₀,q₁,q₂,q₃的微分方程q′₀,q′₁,q′₂,q′₃，即能够求出四个时变函数q₀,q₁,q₂,q₃。

设定两个坐标系n系和b系，其中n系为地理世界导航坐标系，b系为微机械陀螺仪内部计算使用坐标系，将n系到b系各个轴向的旋转变化表示为矩阵

矩阵

与四元数矩阵Q做乘法后，反映到杆塔形变的微分表达为

令

则初始四元数矩阵微分方程

其中q′₀,q′₁,q′₂,q′₃分别是陀螺仪原始数据中四个时变函数q₀,q₁,q₂,q₃的微分，即：

步骤a2，用ω_x,ω_y,ω_z分别表示微机械陀螺仪内部计算使用的b系坐标系相对于n系地理世界导航坐标系沿x、y、z各个轴向的角速度分量，由微机械陀螺仪直接输出，对

进行如下矩阵式转换：

最终得到如下变换的四元数矩阵微分方程：

步骤a3，变换的四元数矩阵微分方程对应于四个一阶微分方程，通过在算法程序中(比如MATLAB)更新微机械陀螺仪输出的不断变化的ω_x,ω_y,ω_z数值，即能够求出四个时变函数q₀,q₁,q₂,q₃，这方法计算量小，易于工程中编程实现。根据已知的ω_x,ω_y,ω_z求出随时间变化的q₀,q₁,q₂,q₃后，映射到微机械陀螺仪内部计算使用坐标系，得到杆塔的姿态形变在沿x、y、z轴向的位移变量信息

表示三维坐标中的一个位移；

步骤a4，采集北斗卫星监测点设备输出的杆塔差分定位位移变量，在惯性传感器陀螺仪坐标系中，将北斗卫星监测点设备进行差分定位沿x、y、z轴向的杆塔位移变量计为

修正系数为

取值范围在0.8～1.2之间，同一时刻，当微机械陀螺仪跟随杆塔的形变而发生正相关的位置移动时，经后台数据监测平台计算得到位移变量

修正系数为

取值范围在0.9～1.1之间。结合两个测量数据，得到杆塔形变的融合数据为

所述后台数据监测平台在远端提供后台融合处理能力和算法支撑，杆塔形变前后反映在陀螺仪输出的惯性姿态数据的变化中，得到四个四元数微分方程，只需要空间数据预处理平台通过NB-IoT通信模块，发送物联网传感监测装置采集到的杆塔形变的初始和结束姿态数据，后台数据监测平台依靠强大的计算能力，编程求解微分方程的一阶导数，得到随时间变化的q₀,q₁,q₂,q₃的值，就可以解出杆塔姿态变化信息，能准确分析出塔基沉降、杆塔倾角、结构风荷载的结果；所述算法主要是通过解算四元数矩阵进行姿态解析，将卫星定位差分定位数据与姿态解算数据融合，完成杆塔近端的惯性导航微动数据与卫星远端差分定位信息的互补纠偏，实现无人值守的杆塔健康状态自动测量；其中，由于监测***不需要实时反馈数据变化，为了降低空间数据预处理平台的负荷，以及减少数据采集和传输的功耗，预处理数据中包含的惯性姿态数据在后台计算机软件采用四元数龙格库塔解算姿态方法，融合北斗三代卫星差分数据进行精确的杆塔形变测算。

使用该监测装置的一个杆塔，在某段时间测试过程和数据如下，某一监测时刻当微机械陀螺仪跟随杆塔的形变而发生正相关的位置移动后，传感器内部集成16位高精度ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)即时在x、y、z三个轴向分别得到变化的转动、加速度和地磁变量，依靠内部数字运动处理器直接输出九轴传感器姿态演算数据后，经后台数据监测平台计算得到变量

修正系数为

同一时刻，北斗卫星监测点设备进行差分定位杆塔位移变量为

修正系数为

得到杆塔形变的融合数据为

代入数值后得

下一监测时刻，经后台数据监测平台计算得到变量

修正系数为

北斗卫星监测点设备进行差分定位杆塔位移变量为

修正系数为

得到杆塔形变的融合数据为

与塔基沉降、杆塔倾角、结构风荷载的变化直接相关的杆塔位移和倾角结果，可以通过陀螺仪与卫星差分数据融合前后的变化计算得到，杆塔形变位移大小

杆塔倾角变化大小

依次采集陀螺仪与卫星差分数据的前后变化，经后台数据监测平台计算得到第n个时点的惯性传感器微机械陀螺仪变量

修正系数为

北斗卫星监测点设备进行差分定位杆塔位移变量为

修正系数为

得到杆塔形变的融合数据为

此时，从起始点的融合数据

到第n-1点的融合数据

以及第n点的融合数据

均已得到，容易得到杆塔形变位移大小的计算表达式为

容易得杆塔倾角变化大小的计算表达式为

实际测到的数据如下表1和图8所示：

表1

所述北斗卫星监测点设备包括卫星接收机和卫星接收天线；所述卫星接收机用于接收和处理北斗三号卫星定位数据；所述卫星接收天线用于将卫星信号聚集以提升接收信号质量；

所述后台数据监测平台包括后台服务器，后台服务器中运行解算惯性姿态数据的软件和处理卫星差分数据的软件，以及实现两种数据融合处理的算法。

还包括输入输出面板，所述输入输出面板分别与北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置和电源管理模块连接，用于通过按键手动控制物联网杆塔形变监测装置，以及通过智能终端指示物联网杆塔形变监测装置当前所处的工作状态。

所述电源管理模块包括太阳能充放电电路、太阳能充放电控制器、太阳能接口、锂电池组接口、负载接口、外电接口、太阳能电池、两级电保护装置和储能电池组；

其中太阳能充放电电路与太阳能充放电控制器连接，太阳能充放电电路为单相桥式整流电路，单相桥式整流电路连接太阳能电池和储能电池组，位于储能电池组充电端；储能电池组放电端与两级电保护装置连接；

太阳能充放电电路采用单相桥式整流电路，保证太阳能电池向储能电池组充电的单一方向性，采用两级电保护装置，防止电流骤增对电池或电子元件的损坏；采用高效升压转换芯片，保证阴雨天气下的供电效果，升压转换芯片使用TI公司MC33063A-Q1，可满足-40到125℃的作业环境，具有高效率、高输出电流、低静态电流等特点。

所述太阳能充放电控制器用于控制太阳能充放电电路工作；

所述太阳能接口一端与太阳能电池连接，另一端与所述太阳能充放电电路连接；

所述太阳能电池通过太阳能充放电电路向储能电池组充电；

所述锂电池组接口与储能电池组连接，锂电池组接口还设有用于与外部充电电源连接的接口；

所述负载接口一端与外电接口连接，另一端与所述北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置、空间数据预处理平台和输入输出面板连接；

所述外电接口分别与外部电源和负载接口连接，能够对负载和储能电池组充电；

所述太阳能电池用于进行能量转化，通过所述太阳能接口向太阳能充放电电路供电，满足后级电能需求；

所述储能电池组通过锂电池组接口向与负载接口连接的设备供电，同时接受输入输出面板的控制信号。

所述太阳能充放电电路和所述太阳能充放电控制器组成太阳能充放电模块，太阳能充放电模块能同时独立地进行充电和放电的工作，太阳能充放电模块对充电和放电过程的控制互不影响。

所述空间数据预处理平台包括主控制模块和通用***设备接口模块；所述NB-IoT通信模块包括射频核心模块和天线；

所述主控制模块通过导线分别与射频核心模块和通用***设备接口模块相连；

所述主控制模块用于接收、存储物联网传感监测装置和北斗卫星监测点设备采集到的惯性姿态数据和差分数据，并在数据进行预处理之后且需要向外界传输时，将预处理后的数据传入射频核心模块；

所述通用***设备接口模块包括USIM接口、UART(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter，通用异步收发传输器)串口和ADC(Analog to DigitalConverter，模拟数字转换器)接口；

所述USIM接口用于安装运营商物联网卡；所述UART串口用于与所述物联网传感监测装置检测数据的通信；所述ADC接口用于与所述物联网传感监测装置中ADC转换器的连接；

所述主控制模块包括通过导线相连的主控制器、JTAG(Joint Test ActionGroup，联合测试工作组)接口、ROM(Read-Only Memory，只读存储器)、闪存和SRAM(StaticRandom-Access Memory，静态随机存取存储器)；

所述主控制器采用低功耗处理器，用于控制主控制模块的工作和信号处理；所述JTAG接口用于对主控制模块进行调试；所述ROM存储主控制模块的程序；所述闪存存储主控制模块的内部和外部数据；所述SRAM用来存取主控制模块中的串行数据；

所述射频核心模块包括数字锁相环、DSP调制解调器、SRAM、ROM和放大器，放大器与天线相连接；

所述数字锁相环用于实现对输入信号的调制；所述DSP调制解调器负责对物联网通信的收发信号进行数字信号处理；所述SRAM用来存取无线通信串行数据；所述ROM存储射频核心模块的程序；所述放大器用于对射频信号进行功率放大；

所述射频核心模块用于在数据需要向外传输时，接收主控制模块传入的数据，并将数据由天线向外传输；

所述天线用于将预处理信号发送到通信基站并传至后台，并通过NB-IoT网络接收所述后台数据监测平台传来的远程控制信息；所述预处理信号是主控制模块对北斗卫星监测点设备和物联网传感监测装置采集到的原始杆塔形变数据的处理信号。

所述物联网传感监测装置包括传感器监测单元、传感器接口模块、协处理器模块；

所述传感器监测单元包括姿态参考***、惯性测量单元和解算单元；

所述姿态参考***用于预处理物联网传感监测装置测量数据的初始化姿态参考；

所述惯性测量单元用于物联网传感监测装置测量杆塔形变数据；

所述解算单元用于预处理物联网传感监测装置测量杆塔形变数据后进行姿态估算；

所述传感器接口模块包括传感器控制器、ADC和比较器；

所述传感器控制器用于感知物联网传感监测装置中惯性传感器的工作状态；

所述ADC用于对物联网传感监测装置检测数据的转换和清洗；

所述比较器用于对所述电源管理模块中电压的判断；

所述协处理器模块包括ROM、SRAM和协处理器；

所述ROM存储协处理器模块的程序；所述SRAM用来存取协处理器模块中的串行数据；所述协处理器是协处理器模块的核心处理单元；

所述协处理器模块分别通过与传感器监测单元、通用***设备接口模块和传感器接口模块相连，处理和NB-IoT通信模块相连的物联网传感监测装置交互数据，进行时钟同步管理。

所述主控制模块采用TI公司的MSP430F169微控制器进行开发，所述NB-IoT通信模块采用BC28 NB-IoT无线模块.

所述传感器监测单元选用MEMS惯性传感器开发；

所述太阳能电池采用高能效钙钛矿电池；

所述储能电池组采用工业用18650钛酸锂电池组。

所述主控制模块采用TI公司的MSP430F169微控制器进行开发，所述NB-IoT通信模块采用BC28 NB-IoT无线模块。

所述后台数据监测平台包括后台服务器，后台数据监测平台用于运行惯性导航和卫星差分融合定位软件。

所述北斗卫星监测点设备及物联网传感监测装置通过镀锌U型螺栓固定于被监测的杆体之上，北斗卫星监测数据和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)惯性传感器采集到的姿态数据，是用于计算塔基沉降、杆塔倾角、结构风荷载分析等杆塔健康状态的原始数据；所述NB-IoT通信模块和空间数据预处理平台互相连接，原始数据经测量装置的传感器接口和通信模块的通用***设备接口模块传送到NB-IoT通信模块，NB-IoT通信模块通过导线连接的接口和空间数据预处理平台通信，透明传输的原始数据经过主控制模块为MSP430F169微控制器的空间数据预处理平台进行预处理后，经过USIM(UniversalSubscriber Identity Module，全球用户识别卡)接口和射频核心模块发送到外界；所述后台数据监测平台和空间数据预处理平台连接，用于对前端预处理后发出数据的后台融合处理，后台服务器有强大的计算能力，可以高效完成前述嵌入式***返回的大量数据，通过惯性导航和卫星差分融合定位软件的解算得到最终的精确结果；所述太阳能电池与电源管理模块相连，用于为监测装置中北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置和空间数据预处理平台的供电，通过使用高性能和高安全性的工业用18650钛酸锂电池组，以及具有高光电转化效率的第三代钙钛矿太阳能电池，结合低功耗器件、芯片和模块的使用，延长无人管理自动监测的时间；所述输入输出面板用于设备安装、调试和维护时的手动控制，并且可以通过LED灯指示杆塔形变监测装置当前所处的工作状态。

所述外电接口与外部电源连接，在太阳能供电不足或储能电池组无法工作时对负载供电；从而可以延长装置待机、使用时间，实现不间断运行。

所述太阳能电池采用第三代钙钛矿太阳能电池，具有高光电转化效率、高效能和高安全性；所述储能电池组通过使用适合室外环境的高性能和高安全性的工业用18650钛酸锂电池组；结合低功耗器件、芯片和模块的使用，延长无人管理自动监测的时间。

所述主控制模块在将信号预处理完成并传到射频核心模块后，直到下一次接收到新的数据或其他唤醒指令前，进入睡眠状态，从而可以大大降低空间数据预处理平台的功耗。

更进一步的，所述传感器控制器用于感知传感器的工作状态，若没有进行信号采集，则控制NB-IoT通信模块自动进入睡眠状态，降低NB-IoT通信模块的功耗，所述NB-IoT通信模块采用BC28 NB-IoT无线模块。

所述传感器监测单元选用InvenSense公司九轴MEMS惯性传感器MPU9250开发，内部集成16位高精度ADC和数字运动处理器，可以直接向外输出完整的九轴传感器融合演算数据，便于实现姿态解算；该传感器主要优点是体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、灵敏度高、易于集成等，是微型传感器的主力军，具有取代传统机械传感器的趋势。

实施例1

如图1a所示，本实施例的硬件组成包括北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置、空间数据预处理平台、NB-IoT通信模块、太阳能电池、电源管理模块、输入输出面板和后台数据监测平台。北斗卫星监测数据和物联网传感器监测装置采集到的杆塔形变融合数据，经由NB-IoT通信模块转发至有线连接的空间数据预处理平台进行预处理。透明传输的原始数据经过主控制模块为MSP430F169微控制器的空间数据预处理平台进行预处理后，经过USIM接口和射频核心模块发送到外界。太阳能电池与电源管理模块相连，用于为监测装置中北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置和空间数据预处理平台的供电。输入输出面板用于设备安装、调试和维护时的手动控制，并能通过LED灯指示监测装置当前的工作状态。后台数据监测平台和空间数据预处理平台连接，用于对前端预处理后发来的数据进行融合处理，后台服务器有强大的计算能力，对物联网传感监测装置测得的惯性导航数据和北斗卫星监测点设备测得的卫星差分数据进行校验后，通过融合定位软件的解算得到杆塔形变最终的精确结果。所述图1a中黑色实线箭头表示电流走向，虚线箭头表示控制指令走向，中空箭头表示数据信号走向。

具体的，本实施例中所述北斗卫星监测点设备使用北斗三号卫星接收机和卫星接收天线，物联网传感监测装置采用MEMS九轴陀螺仪开发，设备通过镀锌U型螺栓固定于被监测的杆体之上，从而不受震动、滑落、磨损等影响；NB-IoT通信模块采用BC28 NB-IoT无线模块，可与北斗卫星监测点设备进行分体或组合安装，但是需满足信号的良好收发不被影响。如图1b所示，实施例中若采用主要硬件模块的联合安装，可将NB-IoT通信模块、电源管理模块、北斗卫星监测点设备和物联网传感监测装置集成到一个适宜外界环境的长方体盒中，需要满足设备散热、绝缘、太阳能电池板的安装以及射频信号的稳定等条件，通过镀锌U型螺栓固定于被监测的杆体之上。

如图2所示，本实施例的电源管理模块采取外部电源和太阳能方式同时供电，有利于降低电力故障对装置的影响。电源管理模块的结构如图2所示，由太阳能充放电电路、太阳能充放电控制器、太阳能接口、锂电池组接口、负载接口、外电接口、太阳能电池和储能电池组组成。太阳能电池与太阳能接口连接，锂电池组接口与储能电池组连接，锂电池组接口还设有用于与外部充电电源连接和充放电测试的接口，负载接口与外电接口连接。太阳能充放电控制器控制太阳能充放电电路工作；外电接口与外部电源连接，可以对负载供电和对储能电池组充电；太阳能电池通过太阳能充放电电路向储能电池组充电；储能电池组通过锂电池组接口向与负载接口连接的设备供电，同时接受输入输出面板的控制信号。太阳能充电和放电过程独立进行，从而可以大幅度降低功耗，进一步延长使用时间。

具体的，图3是本实施例电源管理模块中太阳能充电控制器的储能电池组反接保护电路图，二极管起储能电池组反接保护作用，当极性接反时熔丝烧断，避免电路其余部分遭损坏而引发安全事故。

具体的，所述太阳能充放电电路的充电方法如图4所示，由单相桥式整流电路D和电感L滤波电路组成滤波单元，单相桥式整流电路D的作用是保证太阳能电池能够始终向储能电池组充电，而储能电池组无法对太阳能电池放电，同时，避免电路在光线骤变或与储能电池组反接时，出现电流不稳定的情况。

具体的，所述太阳能充放电电路的放电方法如图5所示，采取两级电保护装置，防止电流骤增对电池或电子元件的损坏。这个过程的初级保护，依赖主控制模块(如图6)对高精密电阻Rv两段电压进行特定时长的采集，当ADC采集和计算到的最大电压满足设定的阈值且持续10秒，即认为短路，由主控制器控制Rcd切断放电回路。次级保护是判断电流过大且未持续10秒时，通过自恢复保险丝PTC控制电路避免损害，当其电流达到额定值时，自恢复保险丝PTC温度上升，电阻剧增以抑制过流，然后保险丝自动回复到初始状态。

如图6所示，本实施例的空间数据预处理平台，包括主控制模块和通用***设备接口模块；NB-IoT通信模块包括射频核心模块和天线。主控制模块包括导线相连的主控制器、JTAG接口、ROM、闪存、SRAM；射频核心模块包括数字锁相环、DSP调制解调器、SRAM、ROM和放大器，放大器与天线相连接；天线用于将预处理信号发送到通信基站并传至后台，并接收远程控制信息；通用***设备接口模块由USIM接口、UART串口和ADC接口组成，通用***设备接口模块和物联网传感监测装置(如图7)中的协处理器模块相连。

本实施例中所述空间数据预处理平台和NB-IoT通信模块，相互连接，通过如下自主控制方式达到超低功耗水平：

(1)主控制模块可感知传感器的工作状态，在将信号预处理完成并传到射频核心模块后，直到下一次接收到新的数据或其他唤醒指令前，进入睡眠状态，从而可以大大降低NB-IoT通信模块和空间数据预处理平台的功耗。睡眠状态时只有中断检测程序运行，功耗几乎可忽略。当检测到传感器进行信号采集，立即向主控制器传送中断指令，唤醒模块运行。

(2)射频核心模块采用更精细化的分区管理，将杆塔形变原始数据的接收、存储和传输过程分离，以便独立管理和运行。当物联网传感监测装置测得的惯性导航数据和北斗卫星监测点设备测得的卫星差分数据通过主控制模块的预处理之后，先暂存于闪存中排队，一组数据达到发送条件时，触发射频核心模块由休眠进入工作状态，主控制模块在将数据完全发送至射频核心模块后，如果没有其他任务则进入睡眠状态，预处理数据经过数字锁相环、DSP调制解调器和放大器处理，由天线将此信号向外传输发送。

如图7所示，本实施例的物联网传感监测装置，包括传感器监测单元、传感器接口模块、协处理器模块。传感器监测单元由姿态参考***、惯性测量单元和解算单元组成；传感器接口模块由传感器控制器、ADC和比较器组成；协处理器模块由ROM、SRAM和协处理器组成；协处理器模块分别通过导线与传感器监测单元、传感器接口模块和通用***设备接口模块(如图6所示)相连，处理和NB-IoT通信模块相连的物联网传感监测装置交互数据，进行时钟同步管理。

具体的，本实施例中所述本发明的物联网传感监测装置，使用超低功耗协处理器、MEMS惯性传感器和高精度ADC，高度集成化的电路使信号受外界的干扰大大降低，处理效率提升，稳定性增强。

本发明提供了一种融合北斗和惯性传感器的物联网杆塔形变监测装置，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种融合北斗和惯性传感器的物联网杆塔形变监测装置，其特征在于，包括北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置、空间数据预处理平台、NB-IoT通信模块、后台数据监测平台、电源管理模块；

其中，所述北斗卫星监测点设备设置在被测量物体上，北斗卫星监测点设备根据测得的卫星差分数据对被测量物体定位，所述被测量物体包括杆塔；

所述物联网传感监测装置设置在被测量物体上，用于获取被测量物体的惯性姿态数据；

所述空间数据预处理平台分别与北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置、NB-IoT通信模块相连接；空间数据预处理平台将北斗卫星监测点设备测得的差分数据和物联网传感监测装置获取的惯性姿态数据在前端进行融合预处理，得到预处理后的数据；

NB-IoT通信模块将空间数据预处理平台预处理后的数据，通过窄带物联网网络传输至后台数据监测平台；

所述后台数据监测平台接收NB-IoT通信模块传输来的数据并进行处理，得到后台融合处理的杆塔形变监测数据，从而判断杆塔健康状态；

所述电源管理模块分别与北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置和空间数据预处理平台连接，并对北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置和空间数据预处理平台供电；

所述物联网传感监测装置包括惯性传感器，惯性传感器用于获取被测量物体的惯性姿态数据；

所述空间数据预处理平台将北斗卫星监测点设备测得的差分数据和物联网传感监测装置获取的惯性姿态数据进行融合预处理，得到预处理后的数据，具体包括：附着安装于杆塔上的北斗卫星监测点设备及物联网传感监测装置，直接利用外界太阳能供电，随杆塔的形变而发生正相关的位置移动；所述北斗卫星监测点设备连续测量杆塔定位数据，进行差分计算；同时，通过物联网传感监测装置中的惯性传感器的微机械陀螺仪采集原始数据，所述原始数据包括塔基沉降、杆塔倾角、结构风荷载，所述空间数据预处理平台对原始数据进行数据清洗；

所述后台数据监测平台接收NB-IoT通信模块传输来的数据并进行处理，得到后台融合处理的杆塔形变监测数据，从而判断杆塔健康状态，包括：后台数据监测平台根据预处理后的数据，得到四个四元数微分方程，通过解算四元数矩阵进行姿态解析，将卫星差分数据与惯性姿态数据融合，从而判断杆塔健康状态；

所述后台数据监测平台根据预处理后的数据，得到四个四元数微分方程，通过解算四元数矩阵进行姿态解析，将卫星差分数据与惯性姿态数据融合，从而判断杆塔健康状态，具体包括如下步骤：

步骤a1，将惯性传感器的微机械陀螺仪采集到的原始数据分别表示为四个时变函数q₀,q₁,q₂,q₃，对应到四元数矩阵Q的表达式为：

这四个时变函数在一初始时刻，直接由陀螺仪内部根据陀螺仪的转动、加速度和地磁变量输出一组确定实数，如果找到四元数矩阵Q的一阶微分方程Q′，也就是找到对应函数q₀,q₁,q₂,q₃的微分方程q′₀,q′₁,q′₂,q′₃，即能够求出四个时变函数q₀,q₁,q₂,q₃；

设定两个坐标系n系和b系，其中n系为地理世界导航坐标系，b系为微机械陀螺仪内部计算使用坐标系，将n系到b系各个轴向的旋转变化表示为矩阵

矩阵

与四元数矩阵Q做乘法后，反映到杆塔形变的微分表达为

令

则初始四元数矩阵微分方程

其中q′₀,q′₁,q′₂,q′₃分别是陀螺仪原始数据中四个时变函数q₀,q₁,q₂,q₃的微分，即：

步骤a2，用ω_x,ω_y,ω_z分别表示微机械陀螺仪内部计算使用的b系坐标系相对于n系地理世界导航坐标系沿x、y、z各个轴向的角速度分量，由微机械陀螺仪直接输出，对

进行如下矩阵式转换：

最终得到如下变换的四元数矩阵微分方程：

步骤a3，变换的四元数矩阵微分方程对应于四个一阶微分方程，通过更新微机械陀螺仪输出的不断变化的ω_x,ω_y,ω_z数值，即能够求出四个时变函数q₀,q₁,q₂,q₃，根据已知的ω_x,ω_y,ω_z求出随时间变化的q₀,q₁,q₂,q₃后，映射到微机械陀螺仪内部计算使用坐标系，得到杆塔的姿态形变在沿x、y、z轴向的位移变量信息

表示三维坐标中的一个位移；

步骤a4，采集北斗卫星监测点设备输出的卫星差分数据中包括的杆塔差分定位位移变量，在惯性传感器微机械陀螺仪坐标系中，将北斗卫星监测点设备进行差分定位沿x、y、z轴向的杆塔位移变量计为

修正系数为l，同一时刻，当微机械陀螺仪跟随杆塔的形变而发生正相关的位置移动时，经后台数据监测平台计算得到位移变量

修正系数为

结合两个测量数据，得到杆塔形变的融合数据为

所述北斗卫星监测点设备包括卫星接收机和卫星接收天线；所述卫星接收机用于接收和处理北斗三号卫星定位数据；所述卫星接收天线用于将卫星信号聚集以提升接收信号质量；

还包括输入输出面板，所述输入输出面板分别与北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置和电源管理模块连接，用于通过控制物联网杆塔形变监测装置，以及通过智能终端指示物联网杆塔形变监测装置当前所处的工作状态；

所述电源管理模块包括太阳能充放电电路、太阳能充放电控制器、太阳能接口、锂电池组接口、负载接口、外电接口、太阳能电池、两级电保护装置和储能电池组；

其中太阳能充放电电路与太阳能充放电控制器连接，太阳能充放电电路为单相桥式整流电路，单相桥式整流电路连接太阳能电池和储能电池组，位于储能电池组充电端；储能电池组放电端与两级电保护装置连接；

所述太阳能充放电控制器用于控制太阳能充放电电路工作；

所述太阳能接口一端与太阳能电池连接，另一端与所述太阳能充放电电路连接；

所述太阳能电池通过太阳能充放电电路向储能电池组充电；

所述锂电池组接口与储能电池组连接，锂电池组接口还设有用于与外部充电电源连接的接口；

所述负载接口一端与外电接口连接，另一端与所述北斗卫星监测点设备、物联网传感监测装置、空间数据预处理平台和输入输出面板连接；

所述外电接口分别与外部电源和负载接口连接，能够对负载和储能电池组充电；

所述太阳能电池用于进行能量转化，通过所述太阳能接口向太阳能充放电电路供电；

所述储能电池组通过锂电池组接口向与负载接口连接的设备供电，同时接受输入输出面板的控制信号；

所述太阳能充放电电路和所述太阳能充放电控制器组成太阳能充放电模块，太阳能充放电模块能同时独立地进行充电和放电的工作，太阳能充放电模块对充电和放电过程的控制互不影响；

所述空间数据预处理平台包括主控制模块；所述NB-IoT通信模块包括射频核心模块和天线；

所述主控制模块通过导线分别与射频核心模块和通用***设备接口模块相连；

所述主控制模块用于接收、存储物联网传感监测装置和北斗卫星监测点设备采集到的惯性姿态数据和差分数据，并在数据进行预处理之后且需要向外界传输时，将预处理后的数据传入射频核心模块；

所述射频核心模块用于在数据需要向外传输时，接收主控制模块传入的数据，并将数据由天线向外传输。

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