CN114326466A - 一种用于振弦类传感器的智能监测采集仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于振弦类传感器的智能监测采集仪，包括箱体和连接在箱体上的多晶硅太阳能电池板，箱体上设置有N个振弦传感器接口、电源开关、太阳能充电接口、RS485通讯接口；箱体内部设置有控制***，该控制***包括：N个继电器、一个信号采集模块、微处理器单元、4G通信模块、电源管理单元、RS485通讯模块以及蓄电池和太阳能充电控制器；每个振弦传感器接口分别对应连接一个继电器，所有继电器的输出端均连接至所述信号采集模块，并且每个继电器的电磁铁控制端分别与微处理器单元的不同IO引脚连接。工作时，微处理器单元控制各继电器动作，以轮询的方式采集不同通道传感器的信号，可以节省电量。

Description

一种用于振弦类传感器的智能监测采集仪

技术领域

本发明属于智能监测技术领域，具体涉及一种用于振弦类传感器的智能监测采集仪。

背景技术

近年来，振弦类传感器是一种典型的非电量电测传感器，其物理结构简单、器件坚固耐用、结果准确可靠、工作稳定性好，由于振弦传感器直接输出振弦的自振频率信号，因此具有抗干扰能力强、受电参数影响小、零点飘移小、受温度影响较小的特点。目前，在建筑领域、基坑建设领域、隧道及桥梁领域的支护结构应力监测、土压力监测等工程项目中广泛应用。

振弦采集仪主要实现的功能为振弦传感器的数据采集，在实际的工程领域中，市面上现有的振弦采集仪存在以下几方面的缺点：(1)现在工程中常用的振弦采集仪无法实现多通讯协议的传感器互相兼容，目前存在的振弦传感器采集仪只能按照设定的监测频率获取振弦传感器的信号，并且当日常监测频率较高时将显著降低振弦传感器采集仪的寿命，当监测频率较低时，又无法满足振弦传感器输出的监测数据超过预警值时需要提高监测数据密集程度的要求，因此在振弦类传感器采集仪发展的过程中，出现了产品日常测试使用时间长而要求监测频率低和紧急情况下的实时性而要求监测频率高的自相矛盾的问题，两者导致了在工程的实际应用上具有较大的局限性。(2)传统的振弦传感器采集仪并未考虑依靠自身电源供电长期使用的情况，普遍采用外接电源而不考虑功耗的问题，目前已存的大多数的振弦采集仪采用的供电方式仅是利用锂电池进行供电，但是在使用的过程中需要连续采集的时间通常在30个小时以上，仅利用内部的锂电池无法保证在应用过程中的供电。(3)市面上已有的采集仪采集数据后，上传至云端服务器，上传方式较为单一，并且还需要网络的支持，但是在网络信号较差的区域，会造成数据的丢失，导致工程监测过程中成本的增加。(4)目前常用的采集仪，结构较为复杂，不易操作与后期的维护。

上述各种问题的存在，使得目前国内外市场上并没有一种可以实现长期无需外部供电，又能无线数据采集和传输，且无需人员巡检读数操作的振弦传感器智能监测采集仪。基于此，立足于上述问题针对性地开展研制工作，提出解决方案和设计方法，研制出具有实用价值的针对振弦类传感器的采集仪和***，并顺利完成了首批交付产品的使用和验证工作，确认其相比已有的产品和专利技术方案，实现了测试使用时长和紧急情况下对实时性要求高的完美统一，显著提高了实施便捷性、运行可靠性及其智能化水平，并降低了生产使用成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于振弦类传感器的智能监测采集仪。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于振弦类传感器的智能监测采集仪，包括箱体和连接在箱体上的多晶硅太阳能电池板；在多晶硅太阳能电池板的背面设置有接线盒，该接线盒通过外接线连接插头；在箱体上设置有N个振弦传感器接口、电源开关、太阳能充电接口、RS485通讯接口；所述多晶硅太阳能电池板的插头用于***所述太阳能充电接口，为智能监测采集仪供电；

箱体内部设置有控制***，该控制***包括：N个继电器、一个信号采集模块、MCU微处理器单元、4G通信模块、电源管理单元、RS485通讯模块以及蓄电池和太阳能充电控制器；

所述太阳能充电控制器的输入端与所述太阳能充电接口连接，太阳能充电控制器的输出端与蓄电池连接；所述电源管理单元与蓄电池输出端连接，通过电源管理单元为各用电模块提供所需电压；

所述MCU微处理器单元与所述信号采集模块、4G通信模块、电源管理单元和RS485通讯模块连接；每个振弦传感器接口分别对应连接一个继电器，所有继电器的输出端均连接至所述信号采集模块，并且每个继电器的电磁铁控制端分别与MCU微处理器单元的不同IO引脚连接，通过MCU微处理器单元能够控制各个继电器动作，进而控制N个振弦传感器接口与信号采集模块的导通状态。

在上述技术方案中，所述箱体包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体上下固定连接，构成方型箱体，所述多晶硅太阳能电池板通过阻尼合页连接在上壳体上。

在上述技术方案中，每个振弦传感器接口各连接一个振弦传感器。

在上述技术方案中，振弦传感器接口和继电器的数量相同，为8个。

在上述技术方案中，MCU微处理器单元采用STC15W4K56S4微控芯片。

在上述技术方案中，STC15W4K56S4微控芯片的P0.2引脚通过第一三极管放大电路连接第一个继电器的电磁铁控制端，第一个继电器的两个公共触点对应连接第一个振弦传感器接口的正极和负极，第一个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P0.3引脚通过第二三极管放大电路连接第二个继电器的电磁铁控制端，第二个继电器的两个公共触点对应连接第二个振弦传感器接口的正极和负极，第二个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P0.4引脚通过第三三极管放大电路连接第三个继电器的电磁铁控制端，第三个继电器的两个公共触点对应连接第三个振弦传感器接口的正极和负极，第三个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P0.5引脚通过第四三极管放大电路连接第四个继电器的电磁铁控制端，第四个继电器的两个公共触点对应连接第四个振弦传感器接口的正极和负极，第四个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P1.2引脚通过第五三极管放大电路连接第五个继电器的电磁铁控制端，第五个继电器的两个公共触点对应连接第五个振弦传感器接口的正极和负极，第五个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P1.3引脚通过第六三极管放大电路连接第六个继电器的电磁铁控制端，第六个继电器的两个公共触点对应连接第六个振弦传感器接口的正极和负极，第六个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P1.4引脚通过第七三极管放大电路连接第七个继电器的电磁铁控制端，第七个继电器的两个公共触点对应连接第七个振弦传感器接口的正极和负极，第七个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P1.5引脚通过第八三极管放大电路连接第八个继电器的电磁铁控制端，第八个继电器的两个公共触点对应连接第八个振弦传感器接口的正极和负极，第八个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN。

在上述技术方案中，所述信号采集模块采用MAX485E收发器芯片。

在上述技术方案中，箱体内还包括有EEPROM存储模块，EEPROM存储模块与MCU微处理器单元连接。如果是在无网络信号的区域进行工程应用，MCU微处理器单元可将数字信号直接储存至EEPROM存储模块中，当连接到网络信号后，再一并上传至云端服务器。

在上述技术方案中，箱体上还设置有充电器充电接口，该充电器充电接口与箱体内部的蓄电池输入口连接，以满足在光照不足的情况下及时地为蓄电池充电。

在上述技术方案中，箱体上还设置有天线和SIM卡槽，天线与4G通信模块连接，SIM卡槽与MCU微处理器单元连接。

本发明的优点和有益效果为：

本发明采用8路振弦传感器+1路信号采集模块的技术方案，工作时，通过MCU微处理器单元控制各继电器动作，以轮询的方式采集不同通道传感器的信号，然后通过485收发器芯片与MCU微处理器单元进行数据交换，每路传感器的采集时间，各路传感器之间的时间间隔均可通过软件进行设定。

本发明采用轮询的方式与各传感器分时段导通，较同时导通方式相比，可以节省电量；此外，采用轮询切换方式采集多个传感器的信号，理论上可以进行无限数量传感器扩展，降低信号采集模块的成本。

本发明采用多晶硅太阳能电池板+锂电池+220V交流电供电技术，使得在外业环境无交流电或光照条件不足时，采集仪也能正常工作48小时以上，满足外业生产实际需求。

本发明采用4G模块无线传输技术，将获取的传感器数据通过4G模块自动发送至后端服务器中，实现数据的自动上传及存储。

本发明的智能监测采集仪，防水性能良好，在连续阴雨天气下，也能正常工作，并且设备操作简单、易于维护。

附图说明

图1是智能监测采集仪的外形立体结构图；

图2是智能监测采集仪的外形侧视图；

图3是智能监测采集仪内部的控制***组成架构图；

图4是智能监测采集仪的控制***连接结构图；

图5是智能监测采集仪中的继电器和信号采集模块、MCU微处理器单元连接电路图；

图6是智能监测采集仪中的信号采集模块和MCU微处理器单元连接电路图。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

一种用于振弦类传感器的智能监测采集仪，其外型，参见附图1-2，包括箱体和连接在箱体上的多晶硅太阳能电池板1。

所述箱体包括上壳体3和下壳体4，上壳体3和下壳体4上下固定连接，构成方型箱体，所述多晶硅太阳能电池板1通过阻尼合页2连接在上壳体3上。

在多晶硅太阳能电池板1的背面设置有接线盒101，该接线盒101通过外接线连接插头103。

在下壳体4的第一侧面上设置有电源开关403、太阳能充电接口404、充电器充电接口405、RS485通讯接口406、程序下载接口407、备用接口408；在下壳体4的第二侧面上设置有8个振弦传感器接口409；在下壳体4的第三侧面上还设置有天线401和SIM卡槽402。

多晶硅太阳能电池板1的插头103用于***所述太阳能充电接口404，为智能监测采集仪供电。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例结合附图3-6介绍所述用于振弦类传感器的智能监测采集仪的内部控制***。

参见附图3，所述智能监测采集的箱体内部设置有控制***，该控制***包括：8个继电器410(与振弦传感器接口409的数量相同)、一个信号采集模块411、MCU微处理器单元412、4G通信模块413、电源管理单元414、程序下载模块415、EEPROM存储模块416、RS485通讯模块417以及蓄电池和太阳能充电控制器。

所述太阳能充电控制器的输入端与所述太阳能充电接口404连接，太阳能充电控制器的输出端与蓄电池连接，当多晶硅太阳能电池板1的插头103***太阳能充电接口404后，经太阳能充电控制器进行功率调节后即可给蓄电池充电。

所述电源管理单元414与蓄电池输出端连接，通过电源管理单元414为各用电模块提供所需电压。

所述MCU微处理器单元412与所述信号采集模块411、4G通信模块413、电源管理单元414、程序下载模块415、EEPROM存储模块416和RS485通讯模块417连接；每个振弦传感器接口409分别对应连接一个继电器410，所有(8个)继电器410的输出端均连接至所述信号采集模块411，并且每个继电器410的电磁铁控制端分别与MCU微处理器单元412的不同IO引脚连接，通过MCU微处理器单元412能够控制各个继电器410动作，进而控制8个振弦传感器接口409与信号采集模块411的导通状态。具体的讲，参见附图5，当使用采集仪进行数据采集时，每个振弦传感器接口409各连接一个振弦传感器5，MCU微处理器单元412采用STC15W4K56S4微控芯片，STC15W4K56S4微控芯片的P0.2引脚通过第一三极管放大电路连接第一个继电器的电磁铁控制端，第一个继电器的两个公共触点对应连接第一个振弦传感器接口的正极和负极(S1+、S1-)，第一个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块411的引脚SIGN-IN和GND-IN，当STC15W4K56S4微控芯片的P0.2引脚驱动第一个继电器的电磁铁吸合后，第一个振弦传感器接口与信号采集模块411导通；STC15W4K56S4微控芯片的P0.3引脚通过第二三极管放大电路连接第二个继电器的电磁铁控制端，第二个继电器的两个公共触点对应连接第二个振弦传感器接口的正极和负极(S2+、S2-)，第二个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块411的引脚SIGN-IN和GND-IN，当STC15W4K56S4微控芯片的P0.3引脚驱动第二个继电器的电磁铁吸合后，第二个振弦传感器接口与信号采集模块411导通；同理，STC15W4K56S4微控芯片的P0.4引脚通过第三三极管放大电路连接第三个继电器的电磁铁控制端，第三个继电器的两个公共触点对应连接第三个振弦传感器接口的正极和负极，第三个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块411的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P0.5引脚通过第四三极管放大电路连接第四个继电器的电磁铁控制端，第四个继电器的两个公共触点对应连接第四个振弦传感器接口的正极和负极，第四个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块411的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P1.2引脚通过第五三极管放大电路连接第五个继电器的电磁铁控制端，第五个继电器的两个公共触点对应连接第五个振弦传感器接口的正极和负极，第五个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块411的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P1.3引脚通过第六三极管放大电路连接第六个继电器的电磁铁控制端，第六个继电器的两个公共触点对应连接第六个振弦传感器接口的正极和负极，第六个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块411的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P1.4引脚通过第七三极管放大电路连接第七个继电器的电磁铁控制端，第七个继电器的两个公共触点对应连接第七个振弦传感器接口的正极和负极，第七个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块411的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P1.5引脚通过第八三极管放大电路连接第八个继电器的电磁铁控制端，第八个继电器的两个公共触点对应连接第八个振弦传感器接口的正极和负极，第八个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块411的引脚SIGN-IN和GND-IN。进一步的说，参见附图6，所述信号采集模块411采用MAX485E收发器芯片，MAX485E收发器芯片的1引脚连接STC15W4K56S4微控芯片的P3.0引脚，MAX485E收发器芯片的2引脚和3引脚连接STC15W4K56S4微控芯片的P4.0引脚，MAX485E收发器芯片的4引脚连接STC15W4K56S4微控芯片的P3.1引脚，MAX485E收发器芯片的8引脚连接VCC，MAX485E收发器芯片的5引脚连接GND，MAX485E收发器芯片的6引脚和7引脚分别作为SIGN-IN和GND-IN。

工作时，MCU微处理器单元412控制各继电器动作，以轮询的方式采集不同通道传感器的信号，然后通过485收发器芯片与MCU微处理器单元进行数据交换，每路传感器的采集时间，各路传感器之间的时间间隔均可通过软件进行设定。

进一步地，采集仪的充电方式除了多晶硅太阳能电池板1为蓄电池充电外，还可以采用220V交流电通过充电器充电接口405给蓄电池进行充电(即，充电器充电接口405与采集仪内部的蓄电池输入口连接)，以满足在光照不足的情况下及时地为蓄电池充电。

实施例三

进一步地，工作时，MCU微处理器单元412对数字信号进行进一步解析，并且将数据经由4G通信模块413上传至云端服务器。

进一步地，如果是在无网络信号的区域进行工程应用，MCU微处理器单元412可将数字信号直接储存至EEPROM存储模块416中，当连接到网络信号后，再一并上传至云端服务器。

进一步地，当RS485通讯模块417通过RS485通讯接口406与主站相连接时，数据也可以通过RS485通讯模块将数据传递至主站。

进一步地，当采集仪不进行振弦信号采集时，信号采集模块411和4G通信模块413的供电均被切断，采集仪处于休眠状态，从而使得实际工程应用中的功耗大大降低。

为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。

而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于振弦类传感器的智能监测采集仪，其特征在于：包括箱体和连接在箱体上的多晶硅太阳能电池板；在多晶硅太阳能电池板的背面设置有接线盒，该接线盒通过外接线连接插头；在箱体上设置有N个振弦传感器接口、电源开关、太阳能充电接口、RS485通讯接口；所述多晶硅太阳能电池板的插头用于***所述太阳能充电接口；

箱体内部设置有控制***，该控制***包括：N个继电器、一个信号采集模块、MCU微处理器单元、4G通信模块、电源管理单元、RS485通讯模块以及蓄电池和太阳能充电控制器；

太阳能充电控制器的输入端与所述太阳能充电接口连接，太阳能充电控制器的输出端与蓄电池连接；所述电源管理单元与蓄电池输出端连接；

所述MCU微处理器单元与所述信号采集模块、4G通信模块、电源管理单元和RS485通讯模块连接；每个振弦传感器接口分别对应连接一个继电器，所有继电器的输出端均连接至所述信号采集模块，并且每个继电器的电磁铁控制端分别与MCU微处理器单元的不同IO引脚连接。

2.根据权利要求1所述的用于振弦类传感器的智能监测采集仪，其特征在于：所述箱体包括上壳体和下壳体，上壳体和下壳体上下固定连接，构成方型箱体，所述多晶硅太阳能电池板通过阻尼合页连接在上壳体上。

3.根据权利要求1所述的用于振弦类传感器的智能监测采集仪，其特征在于：每个振弦传感器接口各连接一个振弦传感器。

4.根据权利要求1所述的用于振弦类传感器的智能监测采集仪，其特征在于：振弦传感器接口和继电器的数量相同，为8个。

5.根据权利要求1所述的用于振弦类传感器的智能监测采集仪，其特征在于：MCU微处理器单元采用STC15W4K56S4微控芯片。

6.根据权利要求5所述的用于振弦类传感器的智能监测采集仪，其特征在于：STC15W4K56S4微控芯片的P0.2引脚通过第一三极管放大电路连接第一个继电器的电磁铁控制端，第一个继电器的两个公共触点对应连接第一个振弦传感器接口的正极和负极，第一个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P0.3引脚通过第二三极管放大电路连接第二个继电器的电磁铁控制端，第二个继电器的两个公共触点对应连接第二个振弦传感器接口的正极和负极，第二个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P0.4引脚通过第三三极管放大电路连接第三个继电器的电磁铁控制端，第三个继电器的两个公共触点对应连接第三个振弦传感器接口的正极和负极，第三个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P0.5引脚通过第四三极管放大电路连接第四个继电器的电磁铁控制端，第四个继电器的两个公共触点对应连接第四个振弦传感器接口的正极和负极，第四个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P1.2引脚通过第五三极管放大电路连接第五个继电器的电磁铁控制端，第五个继电器的两个公共触点对应连接第五个振弦传感器接口的正极和负极，第五个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P1.3引脚通过第六三极管放大电路连接第六个继电器的电磁铁控制端，第六个继电器的两个公共触点对应连接第六个振弦传感器接口的正极和负极，第六个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P1.4引脚通过第七三极管放大电路连接第七个继电器的电磁铁控制端，第七个继电器的两个公共触点对应连接第七个振弦传感器接口的正极和负极，第七个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN；STC15W4K56S4微控芯片的P1.5引脚通过第八三极管放大电路连接第八个继电器的电磁铁控制端，第八个继电器的两个公共触点对应连接第八个振弦传感器接口的正极和负极，第八个继电器的两个常闭触点对应连接信号采集模块的引脚SIGN-IN和GND-IN。

7.根据权利要求1所述的用于振弦类传感器的智能监测采集仪，其特征在于：所述信号采集模块采用MAX485E收发器芯片。

8.根据权利要求1所述的用于振弦类传感器的智能监测采集仪，其特征在于：箱体内还包括有EEPROM存储模块，EEPROM存储模块与MCU微处理器单元连接。

9.根据权利要求1所述的用于振弦类传感器的智能监测采集仪，其特征在于：箱体上还设置有充电器充电接口，该充电器充电接口与箱体内部的蓄电池输入口连接。

10.根据权利要求1所述的用于振弦类传感器的智能监测采集仪，其特征在于：箱体上还设置有天线和SIM卡槽，天线与4G通信模块连接，SIM卡槽与MCU微处理器单元连接。

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