基于3g/gsm網(wǎng)絡(luò)的自供電多變量分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線傳感和通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于3G/GSM網(wǎng)絡(luò)的自供電多變量分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電力工程、水利工程等是關(guān)系國計民生的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和公用事業(yè)，其安全、穩(wěn)定運行，是國民經(jīng)濟全面協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的重要保障條件。
[0003]輸電線路，尤其是高電壓等級的架空輸電線路，是電力系統(tǒng)的命脈，其運行狀況的好壞直接影響著電網(wǎng)運行的安全和穩(wěn)定。覆冰、臺風(fēng)等自然災(zāi)害是輸電線路常見的安全隱患之一，近年來世界范圍內(nèi)極限氣候的出現(xiàn)，我國輸電線路的風(fēng)、冰災(zāi)害呈現(xiàn)了遞增趨勢。綜上，架空輸電線路的運行維護及監(jiān)測管理工作至關(guān)重要，尤其是在臺風(fēng)、冰雪天氣等惡劣條件下，保障架空輸電線路的正常穩(wěn)定運行更是重中之重。
[0004]水利工程，尤其是水電閘門，在防洪防汛方面，其安全穩(wěn)定運行不僅是水電站安全運行的重要保障，而且還是防洪防汛平穩(wěn)調(diào)度、上下游水位控制等事關(guān)百姓生命財產(chǎn)安全的可靠屏障。因此水電閘門的實時監(jiān)測顯得尤為重要。
[0005]隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，大型工程設(shè)備等在隧道施工、軌道交通建設(shè)、市政建設(shè)等各方面均取得了較快的發(fā)展，其安全穩(wěn)定運行是工程項目健康、持續(xù)進展的重要保障，而這些都離不開能夠?qū)崟r反饋其工況信息的監(jiān)測系統(tǒng)。
[0006]近年來，我國各領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者針對各類工程進行了防災(zāi)監(jiān)控體系研究，并取得了一系列的成果。公開號為CN 1629647A的中國發(fā)明專利申請?zhí)岢隽艘环N高壓電網(wǎng)輸電線路的智能化實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，主要針對高壓輸電系統(tǒng)中高壓桿塔上絕緣子串的絕緣性能進行實時在線監(jiān)測。公開號為CN 101586971A的中國發(fā)明專利申請?zhí)岢隽艘环N輸電線路覆冰預(yù)警及動態(tài)增容系統(tǒng)的在線監(jiān)測裝置，針對輸電線路工作環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、日照等環(huán)境信息進行監(jiān)測。公開號為CN 101603850A的中國發(fā)明專利申請?zhí)岢隽艘环N特高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)，針對輸電線路導(dǎo)線的綜合載荷、絕緣子串泄漏電流、氣象信息等進行監(jiān)測。公開號為CN 102564493A的中國發(fā)明專利申請?zhí)岢隽艘环N架空輸電線路舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)，采用加速度傳感器對線路舞動進行精確定位，定位數(shù)據(jù)通過短程射頻上傳至主站，并通過GPRS將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)及環(huán)境氣象數(shù)據(jù)上傳至后臺上位機。公開號為CN102818590A的中國發(fā)明專利申請?zhí)岢隽艘环N基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過采集導(dǎo)線及周圍環(huán)境的狀態(tài)信息來實現(xiàn)對輸電線路覆冰情況遠(yuǎn)程實時監(jiān)測。公開號為CN 102193542A的中國發(fā)明專利申請公開了一種閘門感知測控智能節(jié)點，提出了采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集中端采集閘門的各有關(guān)數(shù)據(jù)，能夠全面采集閘門狀態(tài)，并實現(xiàn)快速實時的主動控制策略。武漢大學(xué)肖曉暉教授團隊提交了申請?zhí)枮?01210573658.2的，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠采集各種加速度、溫度、濕度等信息，并通過zegbee無線傳輸技術(shù)，將采集的信息發(fā)送給上位機。
[0007]這些代表性成果針對實際結(jié)構(gòu)工程面臨的局部問題進行了深度地分析，并提出了有效的解決方案。尤其是由武漢大學(xué)提交的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多變量分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)こ探Y(jié)構(gòu)的振動時間歷程、動應(yīng)力/應(yīng)變等多變量信息進行在線監(jiān)測，并通過zegbee無線通信技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)。然而不能為監(jiān)測設(shè)備持續(xù)的供電，沒有解決由于長期太陽能不足和設(shè)備長途運輸導(dǎo)致的電池電量損耗過多，而無法啟動電池充電電路的問題，也不能最大限度地提高可檢測時間范圍。同時也不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。不具有智能的數(shù)據(jù)處理功能和報告生成功能，不能減少使用者用于分析數(shù)據(jù)的時間。
[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明采用基于3G和GSM網(wǎng)絡(luò)的無線通信技術(shù)，提出了兩種可切換的供電方式，供電方式一為，太陽能電池板通過電池控制板向鋰電池充電，鋰電池向電池控制板供電，驅(qū)動電池控制板并且向核心控制板供電的模式。鋰電池電量過低時，電池控制板為了保護鋰電池，而切斷鋰電池的供電，此時啟動第二種供電模式，太陽能電池板直接向電池控制板供電，驅(qū)動電池控制板，并且通過電池控制板把電能供給核心控制板。本發(fā)明同時提出了，數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)成圖和自動生成監(jiān)測報告的上位機設(shè)計方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0010]一種基于3G/GSM網(wǎng)絡(luò)的自供電多變量分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括下位機和上位機;所述下位機包括核心控制板、DTU、多種傳感器、外部電源和存儲單元，上位機包括電腦客戶〗而和手機客戶立而;
[0011]所述核心控制板包括主控芯片、信號調(diào)理電路、穩(wěn)壓電路、多通道信號傳輸單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電源模塊；
[0012]多種傳感器與信號調(diào)理電路相連，信號調(diào)理電路與穩(wěn)壓電路相連，穩(wěn)壓電路與多通道信號傳輸單元相連，多通道信號傳輸單元與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路相連，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與主控芯片相連;電源模塊分別與主控芯片、信號調(diào)理電路、穩(wěn)壓電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路相連；
[0013]存儲單元與主控芯片相連;主控芯片通過DTU與電腦客戶端、手機客戶端相連；
[0014]外部電源與電源模塊相連。
[0015]所述的外部電源模塊包括遙控開關(guān)板、電池控制板、鋰電池和太陽能電池板；電池控制板與遙控開關(guān)板相連，遙控開關(guān)板與電源模塊相連;太陽能電池板、鋰電池分別與電池控制板相連。
[0016]所述電腦客戶端包括數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、圖形顯示模塊和報告生成模塊;數(shù)據(jù)存儲模塊與數(shù)據(jù)分析模塊連接，數(shù)據(jù)分析模塊分別與圖形顯示模塊和報告生成模塊連接。
[0017]所述的外部電源，具有兩種電能流通方式;流通方式一:鋰電池電量充足時，鋰電池為電池控制板提供電能驅(qū)動，太陽能電池板的電能經(jīng)過電池控制板充入鋰電池;流通方式二:鋰電池電量不足時，太陽能電池板電壓經(jīng)過降壓，驅(qū)動電池控制板，太陽能電池板的電能經(jīng)過電池控制板為核心控制板供電，同時為鋰電池充電。
[0018]所述的多種傳感器包括加速度傳感器、應(yīng)力傳感器、濕度傳感器和溫度傳感器。
[0019]所述的上位機與多臺下位機建立通信連接。
[0020]—種基于上述監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括以下步驟；[0021 ]步驟一，下位機向電腦客戶端發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包；
[0022]步驟二，電腦客戶端根據(jù)各下位機心跳數(shù)據(jù)包的地址標(biāo)記碼將采樣頻率和采集信號類型發(fā)送至全部或指定的下位機，下位機依據(jù)采樣頻率和采集信號類型控制對應(yīng)的傳感器節(jié)點進行現(xiàn)場采樣；
[0023]步驟三，傳感器節(jié)點現(xiàn)場采集的多變量信息實時存儲于下位機的存儲單元中，采集的多變量信息根據(jù)電腦客戶端的指令回傳或不回傳至電腦客戶端。
[0024]所述步驟二中，在設(shè)置采樣頻率后，選擇停止采樣模式為手動停止還是自動停止；若選擇手動停止，則下位機接收到電腦客戶端發(fā)送的停止采樣指令后停止采樣;若選擇自動停止，則通過電腦客戶端選擇采樣時間，當(dāng)?shù)竭_(dá)采樣時間后停止采樣。
[0025]所述步驟三中，電腦客戶端通過控制多通道信號傳輸單元的通道的導(dǎo)通和關(guān)閉來選擇接受某一類或幾類的采集信號。
[0026]所述步驟三中，若采集的多變量信息回傳至電腦客戶端，則將相同下位機的同一通道的采集信號存儲于下位機的同一數(shù)據(jù)庫中，并生成被監(jiān)控對象的實況監(jiān)控圖和監(jiān)測報生口 ο
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點和有益效果:
[0028]本發(fā)明方法可應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)，例如輸電線路、水電站閘門，用來監(jiān)控對其結(jié)構(gòu)有影響的參數(shù)，例如風(fēng)振速度、風(fēng)振加速度、動應(yīng)力、動應(yīng)變、溫度、風(fēng)速等多變信息，保留了實際工程結(jié)構(gòu)災(zāi)害發(fā)生全過程的時域和頻域信息，實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)控，并可以獲得災(zāi)害形成、工程結(jié)構(gòu)病變和工程結(jié)構(gòu)損壞全過程的數(shù)據(jù)，為實際工程結(jié)構(gòu)的災(zāi)害預(yù)警機制提供了一種有效的技術(shù)手段。本發(fā)明提出了 3G和GSM網(wǎng)絡(luò)的通信方式，彌補zegbee無線通信技術(shù)不能遠(yuǎn)程通信的不足，并且提出了更加節(jié)能的3G和GSM網(wǎng)絡(luò)切換的通信技術(shù)。本發(fā)明采用了太陽能電池板向鋰電池充電和太陽能電池板直接驅(qū)動電池控制板，從而為核心控制板提供電能，兩種供電方案。解決了鋰電池電量過低導(dǎo)致設(shè)備報廢的問題。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明的整體方案圖；
[0030]圖2是本發(fā)明電腦客戶端與單個下位機的組成框圖；
[0031 ]圖3是本發(fā)明供電方案組成框圖；
[0032]圖4是本發(fā)明核心控制板組成框圖；
[0033]圖5是電腦客戶端的程序流程圖；
【具體實施方式】
[0034]一、基于3G和GSM網(wǎng)絡(luò)的自供電多變量分布式在線監(jiān)測系統(tǒng)
[0035]系統(tǒng)包括下位機和上位機。下位機包括核心控制板、DTU、多種傳感