一种用于大型建筑物结构安全的智能采集系统

摘要

本发明公开了一种用于大型建筑物结构安全的智能采集系统，包括中央运算与处理单元、电源管理单元，还包括分别和中央运算与处理单元连接的本地存储单元、采集单元、可编程开关阵列、断路/短路诊断单元、RS485通讯单元、公网通讯模块；其中，所述可编程开关阵列通过断路/短路诊断单元与采集单元连接，同时可编程开关阵列与n个传感器接口连接，n≥1；所述采集单元包括振弦激励与接收单元、电阻采集单元、电压采集单元、电流采集单元；所述公网通讯模块设置有独立天线。本发明保证采集端数据的原始性,真实性,将计算与分析放到云端服务器,既可以杜绝现场数据作假上传,也有利于大数据分析,有利于安全性能分析及其阈值的设置。

权利要求

1.一种用于大型建筑物结构安全的智能采集系统，其特征在于：包括中央运算与处理单元、电源管理单元，还包括分别和中央运算与处理单元连接的本地存储单元、采集单元、可编程开关阵列、断路/短路诊断单元、RS485通讯单元、公网通讯模块；其中，所述可编程开关阵列通过断路/短路诊断单元与采集单元连接，同时可编程开关阵列与n个传感器接口连接，n≥1；所述采集单元包括振弦激励与接收单元、电阻采集单元、电压采集单元、电流采集单元；所述公网通讯模块设置有独立天线；所述电源管理单元用于供电；

所述断路/短路诊断单元通过传感器断路/短路时所出现的超过设定值的阻抗特征进行抓取并提交给中央运算与管理单元；中央运算与管理单元包括微控制器，负责整个系统的控制、交互、计算及诊断决策；

所述断路/短路诊断单元包括依次连接的2线传感器、切换控制单元、电阻网络、模数转换电路，所述切换控制单元还与测量电路连接；其中，所述模数转换电路与微控制器连接；

在未接入2线传感器，即2线传感器断路状态下，通过电阻网络的配置求得电压V1、V2、V3、V4的值，该值作为参考值预存；

当2线传感器接入时，测得电压V1、V2、V3、V4的值；对于无源类传感器，通过这些值计算出传感器2线之间的接入电阻值，能够直接诊断其为短路或者断路状况；对于有源类传感器，一方面求得其输出阻抗值，即接入阻值，能够初步诊断其是否异常，再通过两线之间的电压差进行进一步诊断，短路状态下两线压差为0；某一线断路状态下可能会使其中一线电压钳位在某一电压值或者和两线都断路时表现出传感器接入对V1、V2、V3、V4的值不产生任何影响，即其测量值与预存值匹配。

2.根据权利要求1所述用于大型建筑物结构安全的智能采集系统，其特征在于：所述电源管理单元用于实现所述智能采集系统的各个单元的供电转换与管理；所述电源管理单元支持9—18V的直流电源供电及220V交流电源供电；其中，220V交流电通过交流适配器转换成12V与9—18V直流输入并联后经一输入为9—18VDC、输出为12VDC的直流稳压电路稳压到+12V直流，再经直流稳压器转换输出+5V直流，所输出+5V直流再经直流稳压器转换输出+

3.3V直流，各路稳压器所输出+12V、+5V、+3.3V分别给各个单元供电。

3.根据权利要求1所述用于大型建筑物结构安全的智能采集系统，其特征在于：所述振弦激励与接收单元用于实现对振弦类传感器的激励及返回信号的放大、滤波及周模提取功能；所述振弦激励以扫频模式发送不同频率激励波激励传感器，当传感器本振频率与激励波同频率时引起共振，产生同频余振，持续时间达到预设时间值，通过接收电路滤波放大后进行提取转换。

4.根据权利要求1所述用于大型建筑物结构安全的智能采集系统，其特征在于：所述电阻采集单元、电流采集单元分别将测得的电阻、电流转换成电压，最后通过A/D转换器将模拟量转化成数字量传输至中央运算与处理单元，中央运算与处理单元通过电路参数计算出对应的电阻值、电流值；

所述电压采集单元测得的电压值通过A/D转换器将模拟量转化成数字量传输至中央运算与处理单元，中央运算与处理单元通过电路参数计算出对应的电压值。

5.根据权利要求1所述用于大型建筑物结构安全的智能采集系统，其特征在于：所述传感器包括精密电阻传感器，精密电阻传感器测量是通过在电阻回路中施加高精度恒定电流，由V＝I*R得出电阻两端电压随电阻变化成线性关系；电流测量也是以欧姆定律为基础，通过精密电阻两端电压得出其电流值；所以电阻、电流、电压型传感器的采集与测量最终都是通过转换电路转换成电压并经滤波放大后输出到A/D转换器。

6.根据权利要求1所述用于大型建筑物结构安全的智能采集系统，其特征在于：所述公网通讯模块通过电讯公网拨号登陆服务器平台实现交互；所述本地存储单元采用海量闪存，用于存储设备的身份信息、工作模式与配置信息及近期采集的数据。

7.根据权利要求1所述用于大型建筑物结构安全的智能采集系统，其特征在于：所述可编程开关阵列通过可编程器件及高速继电器实现灵活切换，而使得每一个通道类型可随意配置。

说明书

一种用于大型建筑物结构安全的智能采集系统

技术领域

[0001] 本发明涉及大型建筑物结构安全监测领域，特别涉及一种用于大型建筑物结构安全的智能采集系统。

背景技术

[0002] 改革开放以来，中国的城市化及基础建设发展可谓迅猛，特别是近些年来高速铁路、地铁、高速公路、水电站大坝、超长跨度桥梁、高楼大厦等等大型建筑物建筑速度之快，数量之多堪称世界瞩目。这些建筑物的结构安全与稳定性至关重要，各种坍塌事件、危房危筑也时有发生，因此，引用各类高精度传感器对这类建筑物建筑乃至使用过程进行实时测量与监测可反馈其结构健康状态，为异常状态提供预警，也可为以后的智慧城市建设提供感知终端与大数据分析基础。这在现场需要一种终端采集系统对传感器进行采集、控制与管理。

[0003] 经过多年的技术发展，岩土学科、电子学科，测量学科等领域共同努力，相继研发了一系列的感知传感器及测量检测手段。常采用钢筋计、轴力计、土压力盒等力学类传感器对结构内部受力情况进行监测；采用渗压计、水位计、雨量计等传感器进行地下水位及地表降水量的监测；采用测斜仪、倾斜计等传感器对深层位移及局部倾斜进行监测；采用裂缝计、应力应变计对混凝土表面裂缝及应变进行监测；采用全站仪、高精度GNSS接收机、位移计等测量进行表面形变与位移监测。

[0004] 针对上述各类传感器及测量设备，其激励原理或者接口技术各不相同，有振弦类、RS485输出类、电阻输出类、模拟电压输出类及4-20mA电流输出类等等，为了获取传感器数据并进行计算获得监测量，传感器采集与控制设备是现场必需的设备之一。现有技术与设备主要表现为各个传感器厂商为自家传感器所配套开发的单一类型的读数仪或者采集模块，其应用表现为现场人工采集或者连接DTU遥测遥报。

[0005] 现有厂家的传感器采集系统存在以下不足：

[0006] 1、通用性不够强，厂家以传感器为主，只针对自家产品；

[0007] 2、功能单一，只针对某一类传感器；

[0008] 3、可扩展性不强，通道数固定；

[0009] 4、无云计算，只提供远程上报与查询；

[0010] 5、不智能，不能对现场传感器阻抗特性进行学习及其故障进行诊断与排除。

[0011] 另外，监测现场的一个传感器汇集点(本领域一般技术人员称之为监测断面)往往有不同厂家不同类型的多种多个传感器(几个甚至几十个)，安装、布线及通讯的难度较大。同时，现场常有多个工作面，多种重型机械工作，场面复杂，监测过程中传感器本体被损坏、传感器线路被挖土机碾压引起断路短路故障时有发生，这样不但影响到监测数据的准确性，同时也影响到采集设备本身的稳定和安全，线路及传感器的损坏极易引起采集设备的损坏而导致整个断面无数据。

发明内容

[0012] 本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于大型建筑物结构安全的智能采集系统，本发明主要应用于基坑、大坝、隧道、桥梁、边坡等大型建筑物结构健康(安全)监测领域，也属于物联感知的智慧城市建设领域。

[0013] 本发明的目的通过以下的技术方案实现：

[0014] 一种用于大型建筑物结构安全的智能采集系统，包括中央运算与处理单元、电源管理单元，还包括分别和中央运算与处理单元连接的本地存储单元、采集单元、可编程开关阵列、断路/短路诊断单元、RS485通讯单元、公网通讯模块；其中，所述可编程开关阵列通过断路/短路诊断单元与采集单元连接，同时可编程开关阵列与n个传感器接口连接，n≥1；所述采集单元包括振弦激励与接收单元、电阻采集单元、电压采集单元、电流采集单元；所述公网通讯模块设置有独立天线；所述电源管理单元用于供电。

[0015] 所述断路/短路诊断单元通过传感器断路/短路时所出现的超过设定值的阻抗特征进行抓取并提交给中央运算与管理单元；中央运算与管理单元包括微控制器，负责整个系统的控制、交互、计算及诊断决策。

[0016] 所述断路/短路诊断单元包括依次连接的2线传感器、切换控制单元、电阻网络、模数转换电路，所述切换控制单元还与测量电路连接；其中，所述模数转换电路与微控制器连接。

[0017] 在未接入2线传感器，即2线传感器断路状态下，通过电阻网络的配置求得电压V1、V2、V3、V4的值，该值作为参考值预存。

[0018] 当2线传感器接入时，测得电压V1、V2、V3、V4的值。对于振弦与电阻等无源类传感器，可通过这些值计算出传感器2线之间的接入电阻值，可直接诊断其为短路或者断路状况；对于电流、电压类传感器及RS485等有源类传感器，一方面可求得其输出阻抗值(即接入阻值)，可初步诊断其是否异常，再通过两线之间的电压差进行进一步诊断，短路状态下两线压差为0；某一线断路状态下可能会使其中一线电压钳位在某一电压值或者和两线都断路时表现出传感器接入对V1、V2、V3、V4的值不产生任何影响，即其测量值与预存值匹配。

[0019] 所述电源管理单元用于实现所述智能采集系统的各个单元的供电转换与管理；所述电源管理单元支持9—18V的直流电源供电及220V交流电源供电，以便于现场选择交流、蓄电池或者太阳能电池供电；其中，220V交流电通过交流适配器转换成12V与9—18V直流输入并联后经一输入为9—18VDC、输出为12VDC的直流稳压电路稳压到+12V直流，再经直流稳压器转换输出+5V直流，所输出+5V直流再经直流稳压器转换输出+3.3V直流，各路稳压器所输出+12V、+5V、+3.3V分别给各个单元供电。

[0020] 所述振弦激励与接收单元用于实现对振弦类传感器的激励及返回信号的放大、滤波及周模提取功能；所述振弦激励以扫频模式发送不同频率激励波激励传感器，当传感器本振频率与激励波同频率时引起共振，产生同频余振，持续时间达到预设时间值，通过接收电路滤波放大后进行提取转换。

[0021] 所述电阻采集单元、电流采集单元分别将测得的电阻、电流转换成电压，最后通过A/D转换器将模拟量转化成数字量传输至中央运算与处理单元(微控制器)，中央运算与处理单元(微控制器)通过电路参数计算出对应的电阻值、电流值；

[0022] 所述电压采集单元测得的电压值通过A/D转换器将模拟量转化成数字量传输至中央运算与处理单元(微控制器)，中央运算与处理单元(微控制器)通过电路参数计算出对应的电压值。

[0023] 所述传感器包括精密电阻传感器，精密电阻传感器测量是通过在电阻回路中施加高精度恒定电流，由V＝I*R得出电阻两端电压随电阻变化成线性关系；电流测量也是以欧姆定律为基础，通过精密电阻两端电压得出其电流值；所以电阻、电流、电压型传感器的采集与测量最终都是通过转换电路转换成电压并经滤波放大后输出到A/D转换器。

[0024] 所述公网通讯模块通过电讯公网拨号登陆服务器平台实现交互；所述本地存储单元采用海量闪存(FLASH)，用于存储设备的身份信息、工作模式与配置信息及近期采集的数据。

[0025] 所述可编程开关阵列通过可编程器件及高速继电器实现灵活切换，而使得每一个通道类型可随意配置。

[0026] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

[0027] 1、本发明安装于高铁轨道、基坑、隧道、边坡、桥梁、大坝等大型建筑物监测现场，体积小巧，方便安装与放置，连接安装于现场的钢筋计、轴力计、渗压计等各种传感器，系统内部具有面向不同种类传感器的采集模块，终端系统具有单个或者多个连接传感器的接口，现场传感器按接口定义与终端系统相连；终端系统内置网络传输模块并通过拨号上网，上网登陆到云端服务器，通过网络远程选择每个通道的传感器类型、终端系统的采集时间与间隔、传感器修正参数、定时查询工作状态与传感器数据。如图1。

[0028] 2、本发明保证采集端数据的原始性,真实性,将计算与分析放到云端服务器,既可以杜绝现场数据作假上传,也有利于大数据分析,有利于安全性能分析及其阈值的设置。本发明所述的智能采集系统通用性强,方便现场安装与连接,具有故障诊断与避障功能,与云端计算与分析相配合。

[0029] 3、本发明所述的智能采集系统具有以下功能：

[0030] (1)网络链接功能：本终端系统可通过拨号上网登录到服务器端进行身份信息登记与数据交互，并具有对应的交互协议与安全机制；本发明具有联网功能，每一个传感器都是一个无线感知节点，方便实时自动化监测，以减小对现场施工与维护的干扰与影响。

[0031] (2)通用性：本发明以传感器类型及工作原理为基础，不依赖于传感器厂家产品型号，提交的是最原始的数据，将运算和分析放到服务器端，使其通用性很强，可连接不同厂家同类型的传感器；本发明具有传感器接口的通用性，在监测现场，往往会采用来自不同厂家的传感器，这无需采用厂家专用采集设备，减少了设备数量与成本。

[0032] (3)通道类型可配置性：本发明首次提出同一端口连接不同种类的传感器,通过远程配置后,系统内部自动切换到匹配的采集电路；本发明传感器接口种类可配置；这是非常具有实用价值的，监测现场一个监测点往往会接各种不同接口类型的传感器，传统方式是采用不同的接口模块来进行扩展，会造成设备数量、体积、成本增加。例如现场有2只轴力计(振弦类)和2只水位计(RS485类)，传统模式需要配置一个8通道的振弦采集模块和一个8通道的RS485采集模块，而本发明只需提供一台多通道(4通道或者8通道)的智能采集终端系统即可。

[0033] (4)本地记忆与存储功能：对采集的数据进行本地备份，对系统状态进行断点记忆，防止因为断电、断网引起的数据丢失或采集异常；本发明设备本地具有海量存储器及断点记忆功能，对长达一周的数据具有备份存储功能，对工地易出现的断网(天线被遮挡或者损坏)断电(线被压断，供电设备损坏)故障，具有断点记忆功能，恢复正常状态后上报故障类型并继续将未完成的采集功能完成。

[0034] (5)智能诊断功能：在正常状况下，系统自动学习各个接口传感器阻抗特性，在出现故障情况下针对传感器特性本发明首次提出传感器电缆短路、断路、损坏进行诊断的电路模块，在诊断确认该路传感器异常后主动将其隔离，对主系统电路进行保护，不影响其它通道传感器的正常工作。大型建筑物监测现场一般会有诸多大型建筑机械和不同工种的工作并存，过程中线被碾压、传感器被非法损坏的故障及事件时有发生，这样容易引起传感器接口短路、断路等各种异常，这种情况下对传感器进行激励极易引起电路的损坏而导致整个传感器采集终端系统损坏与瘫痪，因此该功能是适应现场苛刻条件的有利保障。

附图说明

[0035] 图1是本发明所述一种用于大型建筑物结构安全的智能采集系统的应用示意图。

[0036] 图2是本发明所述一种用于大型建筑物结构安全的智能采集系统的结构示意图。

[0037] 图3是本发明所述电源管理单元的结构示意图。

[0038] 图4是振弦测量原理图。

[0039] 图5是电阻、电流、电压测量示意图。

[0040] 图6是本发明所述可编程开关阵列的结构示意图。

[0041] 图7是本发明所述一种大型建筑物结构安全的智能采集方法的流程图。

[0042] 图8是本发明所述断路/短路诊断单元的结构示意图。

具体实施方式

[0043] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0044] 如图1、2、3、4、5、6、7、8所示，一种用于大型建筑物结构安全的智能采集系统，包括中央运算与处理单元、电源管理单元，还包括分别和中央运算与处理单元连接的本地存储单元、采集单元、可编程开关阵列、断路/短路诊断单元、RS485通讯单元、公网通讯模块；其中，所述可编程开关阵列通过断路/短路诊断单元与采集单元连接，同时可编程开关阵列与n个传感器接口连接，n≥1；所述采集单元包括振弦激励与接收单元、电阻采集单元、电压采集单元、电流采集单元；所述公网通讯模块设置有独立天线；所述电源管理单元用于供电。

[0045] 所述断路/短路诊断单元通过传感器断路/短路时所出现的超过设定值的阻抗特征进行抓取并提交给中央运算与管理单元；中央运算与管理单元包括微控制器，负责整个系统的控制、交互、计算及诊断决策。

[0046] 如图8所示所述断路/短路诊断单元包括依次连接的2线传感器、切换控制单元、电阻网络、模数转换电路，所述切换控制单元还与测量电路连接；其中，所述模数转换电路与微控制器连接。

[0047] 在未接入2线传感器，即2线传感器断路状态下，通过电阻网络的配置求得电压V1、V2、V3、V4的值，该值作为参考值预存。

[0048] 当2线传感器接入时，测得电压V1、V2、V3、V4的值。对于振弦与电阻等无源类传感器，可通过这些值计算出传感器2线之间的接入电阻值，可直接诊断其为短路或者断路状况；对于电流、电压类传感器及RS485等有源类传感器，一方面可求得其输出阻抗值(即接入阻值)，可初步诊断其是否异常，再通过两线之间的电压差进行进一步诊断，短路状态下两线压差为0；某一线断路状态下可能会使其中一线电压钳位在某一电压值或者和两线都断路时表现出传感器接入对V1、V2、V3、V4的值不产生任何影响，即其测量值与预存值匹配。

[0049] 如图3所示，所述电源管理单元用于实现所述智能采集系统的各个单元的供电转换与管理；所述电源管理单元支持9—18V的直流电源供电及220V交流电源供电，以便于现场选择交流、蓄电池或者太阳能电池供电；其中，220V交流电通过交流适配器转换成12V与9—18V直流输入并联后经一输入为9—18VDC、输出为12VDC的直流稳压电路稳压到+12V直流，再经直流稳压器转换输出+5V直流，所输出+5V直流再经直流稳压器转换输出+3.3V直流，各路稳压器所输出+12V、+5V、+3.3V分别给各个单元供电。

[0050] 如图4所示，所述振弦激励与接收单元用于实现对振弦类传感器的激励及返回信号的放大、滤波及周模提取功能；所述振弦激励以扫频模式发送不同频率激励波激励传感器，当传感器本振频率与激励波同频率时引起共振，产生同频余振，持续时间达到预设时间值，通过接收电路滤波放大后进行提取转换。

[0051] 如图5所示，所述电阻采集单元、电流采集单元分别将测得的电阻、电流转换成电压，最后通过A/D转换器将模拟量转化成数字量传输至中央运算与处理单元(微控制器)，中央运算与处理单元(微控制器)通过电路参数计算出对应的电阻值、电流值；

[0052] 所述电压采集单元测得的电压值通过A/D转换器将模拟量转化成数字量传输至中央运算与处理单元(微控制器)，中央运算与处理单元(微控制器)通过电路参数计算出对应的电压值。

[0053] 所述传感器包括精密电阻传感器，精密电阻传感器测量是通过在电阻回路中施加高精度恒定电流，由V＝I*R得出电阻两端电压随电阻变化成线性关系；电流测量也是以欧姆定律为基础，通过精密电阻两端电压得出其电流值；所以电阻、电流、电压型传感器的采集与测量最终都是通过转换电路转换成电压并经滤波放大后输出到A/D转换器。

[0054] 所述公网通讯模块通过电讯公网拨号登陆服务器平台实现交互；所述本地存储单元采用海量闪存(FLASH)，用于存储设备的身份信息、工作模式与配置信息及近期采集的数据。

[0055] 如图6所示，所述可编程开关阵列通过可编程器件及高速继电器实现灵活切换，而使得每一个通道类型可随意配置。

[0056] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。