CN212781739U - 一种物联网边坡监测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种物联网边坡监测设备，包括壳体、天线和均内置在壳体中的电池与PCB电路板；PCB电路板上设有主控MCU、电源模块、网络支持模块和至少一个传感器采集接口；主控MCU中集成有RTC定时器，RTC定时器能够计时并产生固定间隔频率的唤醒时间；网络支持模块包括NB‑IOT联网模块；电源模块包括电池接口、升压模块和降压模块；电池一方面向降压模块和NB‑IOT联网模块直接供电，另一方面通过串联的可控开关向升压模块直接供电，进而向边坡数据监测传感器供电；降压模块一方面向主控MCU供电，另一方面通过串联的可控开关向传感器采集接口供电。本申请成本低廉、功耗低，且在主控制芯片的控制下对设备进行唤醒与休眠操作，从而大大延长了设备待机时间。

Description

一种物联网边坡监测设备

技术领域

本实用新型涉及专利属于公路、岩土工程边坡监测领域，特别是一种物联网边坡监测设备。

背景技术

随着基础设施建设，尤其是公路、铁路等基础交通运输设施建设的大力发展，形成了大量的自然边坡与人工边坡。这些边坡在自然条件、重力、人为开挖荷载等外界因素影响、扰动的情况下，常常会因边坡失去稳定性而造成严重的地质灾害，给交通运输带来极大安全威胁。

为了保证交通运输的安全与顺畅，对公路、铁路沿线的边坡进行长期动态的有效监测的重要性显得尤为突出。以往的公路、铁路沿线人工巡查等边坡安全监测方法存在费时、费力，数据采集间隔不能够根据边坡体实际情况而灵活调整、数据采集受外部环境影响大等客观问题。

传统道路边坡养护***压力，水渗压力和钢筋扭力等数据采集一般是通过采集设备使用2G 网络进行远程传输，由于2G 网络固有的缺陷，导致其存在很多问题：由于2G 网络覆盖和信号问题导致采集设备的布设存在诸多限制，比如不能布设在隧道中。另外由于2G 网络设备功耗比较高，通常的做法是采用太阳能板对设备电池进行充电，所以采集设备一般是布设在明处，这对设备的安全保护提出了更高的要求，而且太阳能电池板的检修和维护工作量较大。

由于限制较多，传统的道路边坡养护***采集设备一般采用集中布设的方式，但是边坡数据采集所使用的传感器数量多，布设时分布间距大，导致整个采集***的布设难度大，且后期检修、更换和维护困难。

边坡各种数据的采集是道路边坡养护***非常关键的一环，需要设计一种新型的采集设备，解决现有采集设备存在的问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种物联网边坡监测设备，该物联网边坡监测设备成本低廉、功耗低，且在主控制芯片的控制下能够合理地对设备进行唤醒与休眠操作，更是大大延长了设备待机时间。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种物联网边坡监测设备，用于边坡数据监测传感器的数据采集及传输，物联网边坡监测设备包括壳体、电池、PCB电路板和天线。

壳体上设置有传感器线缆防水接头和天线安装接头。

电池和PCB电路板内置在壳体中。

PCB电路板上设置有主控MCU、电源模块、网络支持模块和至少一个传感器采集接口。

主控MCU中集成有RTC定时器，RTC定时器能够计时并产生固定间隔频率的唤醒时间。

网络支持模块包括NB-IOT联网模块，NB-IOT联网模块分别与主控MCU和安装在天线安装接头处的天线相连接。

电源模块包括电池接口、升压模块和降压模块。电池接口与电池相连接，电池一方面向降压模块和NB-IOT联网模块直接供电，另一方面通过串联的可控开关向升压模块直接供电，升压模块的升压输出端与边坡数据监测传感器电连接，从而向边坡数据监测传感器供电。边坡数据监测传感器的线缆从传感器线缆防水接头进入壳体内，并与对应的传感器采集接口相连接。传感器采集接口与主控MCU相连接。

降压模块的降压输出端一方面向主控MCU供电，另一方面通过串联的可控开关向传感器采集接口供电。

电池为锂电池，锂电池的工作电压在3.6-4.2V。升压模块的升压输出端输出5V电压，降压模块的降压输出端输出3.3V电压。

锂电池为可充电锂电池，电源模块还包括充电模块，充电模块通过外接充电插口向可充电锂电池充电。

锂电池为不可充电的锂亚电池。

PCB电路板上还设置有稳定支持模块，稳定支持模块包括掉电存储，掉电存储分别与主控MCU和降压模块的降压输出端相连接。

稳定支持模块还包括看门狗，看门狗分别与主控MCU和降压模块的降压输出端相连接。

NB-IOT联网模块包括SIM卡槽和内置在SIM卡槽中的SIM卡。

当PCB电路板上设置一个传感器采集接口时，传感器采集接口连接的边坡数据监测传感器为埋入式固定测斜传感器、锚杆应力传感器和水渗压传感器中的任意一种。当PCB电路板上设置两个以上的传感器采集接口时，传感器采集接口连接的边坡数据监测传感器为埋入式固定测斜传感器、锚杆应力传感器和水渗压传感器中的任意一种或组合。

还包括服务器和第三方云平台，主控MCU通过NB-IOT联网模块实现与第三方云平台和服务器之间的数据交互。

主控MCU的型号为stm32微控制器。

本实用新型具有如下有益效果：

本监测设备具有以下特点：具有比以往传统监测设备更广的覆盖范围，约为以往设备网络覆盖区域的100倍；本设备具有广泛的兼容性，可兼容多种操作***以及相关专业数据分析软件、平台、终端。设备成本低廉、功耗低，且在主控制芯片的控制下能够合理地对设备进行唤醒与休眠操作，更是大大延长了设备待机时间。基于上述特点，本次设计的监测设备相对于现有的边坡监测设备在网络覆盖区域、兼容性、成本与功耗待机等核心方面具有更为明显的优势。

附图说明

图1显示了本实用新型一种物联网边坡监测设备的结构示意图。

图2显示了边坡数据监测传感器的数据采集及传输的途径示意图。

图3显示了本本实用新型一种物联网边坡监测设备的工作原理框图。

其中有：

10.壳体；11.传感器线缆防水接头；12.天线安装接头；

20.电池；

30.天线；

40.PCB电路板；

41.主控MCU；42.外接充电插口；43.电池接口；44.传感器采集接口；45.SIM卡槽；46.天线接口；47.LED指示灯。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，一种物联网边坡监测设备，用于边坡数据监测传感器的数据采集及传输，包括壳体10、电池20、PCB电路板40、天线30、服务器和第三方云平台。

壳体上设置有传感器线缆防水接头11和天线安装接头12。

电池和PCB电路板内置在壳体中。

如图1和图3所示，PCB电路板上设置有主控MCU41、电源模块、网络支持模块、RTC定时器、***定时器、稳定支持模块、人机接口和传感器采集接口44。

传感器采集接口44可以为一个、两个或多个。当PCB电路板上设置一个传感器采集接口时，传感器采集接口连接的边坡数据监测传感器为埋入式固定测斜传感器、锚杆应力传感器和水渗压传感器中的任意一种；当PCB电路板上设置两个以上的传感器采集接口时，传感器采集接口连接的边坡数据监测传感器为埋入式固定测斜传感器、锚杆应力传感器和水渗压传感器中的任意一种或组合。

边坡数据监测传感器（也称传感器）的线缆从传感器线缆防水接头进入壳体内，并与对应的传感器采集接口相连接；传感器采集接口与主控MCU相连接。图3中可以看出，传感器采集接口优选为RS-485串行接口，并优选通过MAX3485电路获取边坡数据监测传感器的读数。

RTC定时器集成在主控MCU中，能够计时并产生固定间隔频率的唤醒时间。

本申请中，主控MCU的型号优选为stm32微控制器，具体为stm32f103或stm32f429等。如图2所示，主控MCU通过NB-IOT联网模块实现与第三方云平台和服务器之间的数据交互。在图2中，数据采集智能终端设备集群，包括若干个本申请的物联网边坡监测设备，优选不超过10万个。在本实施例中，每个物联网边坡监测设备优选连接一个边坡数据监测传感器。

网络支持模块包括NB-IOT联网模块，NB-IOT联网模块通过开关二极管与主控MCU相连接，NB-IOT联网模块还与安装在天线安装接头处的天线相连接。

NB-IOT联网模块包括SIM卡槽45、内置在SIM卡槽中的SIM卡以及天线接口46，天线接口与天线连接。

上述SIM卡优选为联通/移动制式，采用付费流量；具体优选使用***M5310A实现；M5310A 支持B3、B5 和B8 频段，供电电压3.1-4.2V，处于PSM 状态时电流为3ua，处于接收模式时电流40ma，处于发送模式是电流220ma。

NB-IOT联网模块的采用，约为以往设备网络覆盖区域的100倍，且适合野外使用。

稳定支持模块包括掉电存储和看门狗，掉电存储直接或通过常开开关连接主控MCU；看门狗直接或通过常开开关连接主控MCU。看门狗优选使用TPL5010 实现，其典型耗流为0.035ua。

电源模块优选包括电池接口43、升压模块和降压模块。

上述电池接口43与电池相连接，电池优选采用如下两种实施例。

实施例1

电池为锂电池，锂电池的工作电压在3.6-4.2V，锂电池分三路供电，具体如下：

第一路供电：直接向NB-IOT联网模块供电。

第二路供电：直接向降压模块供电，降压模块的芯片型号优选为XC6216，输出电压为3.3V，输出最大电流为150MA，静态电流0.1ua，自身耗流5ua。

一方面，降压模块分别向主控MCU、人机接口、掉电存储和看门狗供电；另一方面，降压模块通过串联的可控开关向传感器采集接口供电。

第三路供电：锂电池通过串联的可控开关向升压模块直接供电，升压模块的芯片型号优选为PS7516。升压模块的升压输出端与边坡数据监测传感器电连接，从而向边坡数据监测传感器供电。

进一步，锂电池为可充电锂电池，电源模块还包括充电模块，充电模块通过外接充电插口42向可充电锂电池充电。充电模块采用的芯片型号优选为TP4056。

实施例2

锂电池为不可充电的锂亚电池。锂亚电池除不能充电外，其余供电方式同实施例1。

进一步，PCB电路板上还设置有若干个LED指示灯47，分别为充电显示灯（如充电中和已充满等）、电源指示灯、传感器状态指示灯、网络状态指示灯、第三方平台连接指示灯以及运行状态指示灯等，分别通过手动开关调整为显示或不显示。这些LED指示灯作为人机接口，实现设备运行状态显示。

本申请物联网边坡监测设备中的主控MCU具有如下两种工作状态，分别为休眠状态和数据采集状态。

A、休眠状态

所有可控开关均关闭，升压模块和所有传感器采集接口均关闭，主控MCU处于休眠状态。NB-IOT联网模块因无数据传输，耗电量极低。另外，RTC定时器和稳定支持模块耗电量也极低，故而，整机能量消耗为0.02MAH以内。其中，可控开关的型号优选为IRLML6402。

RTC定时器能计时并产生固定间隔频率的唤醒时间。这个唤醒时间间隔，可以采用人机接口进行现场操作更改，也可以在主控MCU处于数据采集状态时，远程操控更改。

B、数据采集状态

当达到唤醒时间间隔（如30min）时，所有可控开关均开启，与此同时，升压模块和所有传感器采集接口均同步开启，通过传感器采集接口采集边坡数据监测传感器的数据。在数据采集状态，能量消耗为0.17MAH以内。

假设采用容量为电池容量为19000mAH，每隔30 分钟发送一次数据，每天等待2 次平台设置。则理论上，设备可以工作的时间为1934 天，超过4年，进而大大延长了电池的使用寿命以及维护时间。

另外，本申请利用第三方云平台存储、处理、分析边坡所有的监测参数，可以有效地针对边坡的实时状态进行分析和预警，极大地将边坡灾害所造成的影响降低。该综合第三方云平台可通过多种可接入互联网的终端设备进行访问，做到了对边坡实时监测、实时查看。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种物联网边坡监测设备，用于边坡数据监测传感器的数据采集及传输，其特征在于：物联网边坡监测设备包括壳体、电池、PCB电路板和天线；

壳体上设置有传感器线缆防水接头和天线安装接头；

电池和PCB电路板内置在壳体中；

PCB电路板上设置有主控MCU、电源模块、网络支持模块和至少一个传感器采集接口；

主控MCU中集成有RTC定时器，RTC定时器能够计时并产生固定间隔频率的唤醒时间；

网络支持模块包括NB-IOT联网模块，NB-IOT联网模块分别与主控MCU和安装在天线安装接头处的天线相连接；

电源模块包括电池接口、升压模块和降压模块；电池接口与电池相连接，电池一方面向降压模块和NB-IOT联网模块直接供电，另一方面通过串联的可控开关向升压模块直接供电，升压模块的升压输出端与边坡数据监测传感器电连接，从而向边坡数据监测传感器供电；边坡数据监测传感器的线缆从传感器线缆防水接头进入壳体内，并与对应的传感器采集接口相连接；传感器采集接口与主控MCU相连接；

降压模块的降压输出端一方面向主控MCU供电，另一方面通过串联的可控开关向传感器采集接口供电。

2.根据权利要求1所述的物联网边坡监测设备，其特征在于：电池为锂电池，锂电池的工作电压在3.6-4.2V；升压模块的升压输出端输出5V电压，降压模块的降压输出端输出3.3V电压。

3.根据权利要求2所述的物联网边坡监测设备，其特征在于：锂电池为可充电锂电池，电源模块还包括充电模块，充电模块通过外接充电插口向可充电锂电池充电。

4.根据权利要求2所述的物联网边坡监测设备，其特征在于：锂电池为不可充电的锂亚电池。

5.根据权利要求2所述的物联网边坡监测设备，其特征在于：PCB电路板上还设置有稳定支持模块，稳定支持模块包括掉电存储，掉电存储分别与主控MCU和降压模块的降压输出端相连接。

6.根据权利要求5所述的物联网边坡监测设备，其特征在于：稳定支持模块还包括看门狗，看门狗分别与主控MCU和降压模块的降压输出端相连接。

7.根据权利要求1所述的物联网边坡监测设备，其特征在于：NB-IOT联网模块包括SIM卡槽和内置在SIM卡槽中的SIM卡。

8.根据权利要求1所述的物联网边坡监测设备，其特征在于：当PCB电路板上设置一个传感器采集接口时，传感器采集接口连接的边坡数据监测传感器为埋入式固定测斜传感器、锚杆应力传感器和水渗压传感器中的任意一种；当PCB电路板上设置两个以上的传感器采集接口时，传感器采集接口连接的边坡数据监测传感器为埋入式固定测斜传感器、锚杆应力传感器和水渗压传感器中的任意一种或组合。

9.根据权利要求1所述的物联网边坡监测设备，其特征在于：还包括服务器和第三方云平台，主控MCU通过NB-IOT联网模块实现与第三方云平台和服务器之间的数据交互。

10.根据权利要求1所述的物联网边坡监测设备，其特征在于：主控MCU的型号为stm32微控制器。

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