一种基于拉线位移计的一体化遥测微功耗表面位移监测仪的制作方法

1.本发明涉及一种表面位移监测仪，尤其涉及一种基于拉线位移计的一体化遥测微功耗表面位移监测仪，属于监测领域。


背景技术：

2.现有技术多使用“拉线位移计”来实现，以拉线位移计作为传感器。拉线位移计的位移传感器将机械位移量转换成可计量的、成线性比例的电信号。被测物体产生位移时，拉动与其相连接的钢绳，钢绳带动传感器传动机构和传感元件同步转动；当位移反向移动时，传感器内部的回旋装置将自动收回绳索，并在绳索伸收过程中保持其张力不变，从而输出一个与绳索移动量成正比例的电信号。为保证拉线位移计长期工作，需配置相应的供电系统，比如太阳能供电设施；需要有支撑防护装置，比如立杆(安装太阳能电池板)、设备箱(放置储电池等)；为保证位移变化数据能及时被感知，需配置数据采集、传输设备，比如使用gprs、4g、nb-iot等方式，将采集电路采集到的位移变化数据传递给远端平台，实时监控位移的变化。
3.一个典型的拉线位移监测系统，是将核心传感器“拉线位移计”固定在“基础定位点”，将拉线位移计的钢丝绳拉出，固定到其他的测点，比如测点1，当基础定位点与测点1之间的拉线发生长度变化时，意味着基础定位点与测点1之间地面的位移发生了变化，引起该变化的原因被认为是测点1所处的地面向下滑动了，该变化能被“拉线位移计”感知，并将数据无线传送到测量平台。但是现有技术存在如下缺点：
4.①
电力供应问题。为保证拉线位移计能长期工作，记录监测点位置的长期变化趋势，必须提供可靠的电力供应。市电不具有可行性，因为一般的地质灾害监测点都处于野外，附近不具备市电供应的条件，另外市电存在断电的可能性较大，断电就可能引起位线位移累计数据清零。通常使用太阳能供电系统来解决电力供应问题，每一个监测点都要配备一套可靠的太阳能供电设备，包括太阳能电池板、储电池、太阳能供电控制器等。
5.②
安装施工问题。为保证拉线位移传感器的工作，除保证电力供应外，还要为传感器工作提供必要的防护。比如，要使用钢制立杆支撑太阳能电池板，使用设备箱保护电子设备，立杆要通过混凝土固定到地面上，拉线位移计需外加保护壳等。而这些工作都大大增加了设备安装使用的难度。
6.③
数据的冗余。地质灾害点地表位移的监测是一个长期过程，所监测的位移日变化量或者说年变化量很小，在上述有电力供应的条件下，一般监测系统采集数据的频率很高，比如每秒钟多条数据，大量的数据被传输到监测平台，而且数据在短时间内基本没有变化，就给平台造成了大量的资源浪费。
7.④
实施成本高。核心传感器是“拉线位移计”，但要使其稳定工作，额外配备了太阳能电池板、储电池、太阳能供电控制器、钢制立杆、防护箱、保护壳，而且安装时还要深挖地基，使用混凝土固定地笼。而这些成本甚至远远超过拉线位移计自身的购置成本。
8.⑤
防盗防破坏。拉线位移监测设备无论安装位置位于何处，只要在人的活动范围
内，都有可能很轻易的被破坏或盗取(储电池)。当被盗取或破坏时，使用者无法获得信息，也无法为侦破提供任何线索。


技术实现要素：

9.为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于拉线位移计的一体化遥测微功耗表面位移监测仪，通过提供一种集拉线位移传感器、数据采集、数据存储、数据传输、太阳能供电、电能存储、支撑防护、定位追踪功能为一体，且易于安装、微功耗的表面位移监测仪器，从而用于地质灾害监测(不稳定边坡、滑坡、崩塌、裂缝等)中地表位移的监测。
10.为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于拉线位移计的一体化遥测微功耗表面位移监测仪，包括壳体，它还包括霍尔传感器，壳体包括主外壳、安装支架，主外壳的左端、右端对称设置有外壳挡板，主外壳的顶部设置有可调角度的微型太阳能面板、底部设置有安装支架，主外壳的内部设置有拉线测量部件、锂电池、电路控制模块、电路主板，通过在壳体内一体化集成，大大降低了安装难度与安装成本；
11.电路控制模块包括电路板，电路板的中心设置有磁编码器，电路板上设置有mcu，磁编码器的四周分别设置有霍尔传感器，磁编码器的一侧设置有光电编码器，光电编码器与光电码盘固定相接，霍尔传感器能读取主轴的转动角度，当主轴的转动角度达到30
°
或90
°
时，向mcu发出信号，从而唤醒休眠状态的mcu。
12.优选的，拉线测量部件包括伸缩载体，伸缩载体的前端设置有钢丝线缆出口，伸缩载体的中心设置有主轴，主轴远离伸缩载体的一端外套置有径向磁铁、另一端插入伸缩载体的中部，径向磁铁外套置有光电码盘，主轴的左侧设置有电路控制模块，拉线测量部件通过主轴与电路控制模块相连接。
13.优选的，电路板靠近主轴的一侧中心设置有磁编码器，主轴的轴线中心与磁编码器的中心位于同一条水平中心线上，四个霍尔传感器组成正方形且正方形的中心与磁编码器位于同一条竖直中心线上。
14.优选的，mcu分别与拉线测量部件、电路主板电性相接，锂电池的一端与电路主板电性相接、另一端与微型太阳能面板电性相接。
15.优选的，电路主板上设置有分别与mcu电性相接的电池充放电控制电路、gps定位模块、振动传感器、以及无线传输模块。
16.优选的，伸缩载体的中心设置有绕线盘，绕线盘的左侧设置有固定轴套，固定轴套的中心设置有轴承，轴承内插置有主轴，主轴穿过轴承与绕线盘的中心固定相接。
17.优选的，主外壳的顶面设置有承载支架，承载支架内匹配设置有微型太阳能面板，承载支架的一端通过角度调节支架与主外壳活动相接。
18.优选的，主外壳的内部设置有电池固定支架，电池固定支架的前侧设置有拉线测量部件、后侧设置有电路支架，电池固定支架内匹配嵌置有锂电池，电路支架靠近主外壳内壁的一侧设置有电路主板。
19.优选的，主外壳的前侧面上设置有程序调试接口。
20.优选的，左侧外壳挡板上设置有外置天线。
21.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
22.(1)一体化集成，大大降低安装难度与采购成本。
23.通过一体化集成，省去了基础地基、钢制立杆、设备箱等辅助设备，除了降低设备安装难度外，也大大降低了采购与安装成本。
24.(2)一体化集成，提高设备安全防护能力。
25.通过一个壳体，将所有的部件集成在一起，使设备的防护变得更简单，只需要采购硬度高的材质，做好防水防尘，就可以对所有的设备、电路等起到同等防护作用，而且适宜于野外长期使用。
26.(3)低功耗设计，提高数据使用效率、降低能耗。
27.采用低功耗设计理念，mcu(微控制单元)定时进入休眠状态，同时关闭周围电子元器件。针对野外长期监测的特点，mcu定时唤醒后，在数据采集完成后首先进行一次数据整理，判断数据变化量，对微小变化或不变化，减少上传监测平台的次数，降低数据量，大大降低能耗，还提高数据的使用效率。
28.(4)使用振动传感器与定位模块，实现设备防破坏及被盗追踪。
29.监测仪内置有振动传感器，能记录振动的次数。当发生少数震动时，立刻唤醒mcu对数据进行采集分析及远传到平台。当振动次数达到一定的数值，比如连续在1分钟内振动次数超过5次，认为可能存在人为破坏，就发出报警信息给平台，由巡查人员对设备状况进行现场查看，发现问题及时处理。对存在被盗情况的，可以根据实时定位信息，对设备进行追踪。
30.(5)一个核心mcu统一管理，提高运行效能。
31.与一般的设备集成不同，本发明只有一个mcu，统筹管理传感器数据采集、存储、数据远传；统筹电源管理、能量补充；定时进入休眠状态，定时自我唤醒或外部唤醒(发生较大震动或角度变化较大时)。而现在传统的监测站，不同功能的设备拥有不同的mcu，各行其事，整体效能较低。比如拉线位移传感器拥有一个mcu，数据采集与传输设备也拥有自已的mcu、太阳能供电控制器也拥有自己的mcu，这些mcu要协同起来实现低功耗就相当的因难，不但经济成本增加，运行效能也很低。
32.(6)休眠状态的外部唤醒机制。
33.由于地质灾害地表位移一般具有长期监测的特点，也就是说位移的变化是微小的，需长期测量与记录才能计算出位移变化的数量及速率。在这种情形下，本发明可以定时进入休眠状态，能进行高度的系统集成。但是，针对地质灾害地表位移的监测，在灾害发生时，设备必须能及时唤醒，对数据进行采集与传输，并发出预警信息。所以设备又必须具备外部唤醒机制。
34.本发明拥有两种机制来实现外部唤醒：一是在磁编码器的四周放置四个霍耳传感器，在mcu休眠状态下，能感知主轴的转动，转动角度超出预设的角度时，唤醒mcu进入正常状态；二是在径向磁铁靠近光电编码器的一侧安装有光电码盘，并安装光电编码器，当主轴转动时，通过光电编码器唤醒mcu进入正常状态。以上两种方法均可以根据实际情况，调整唤醒mcu的位移变化数值。
35.(7)通过模块化设计，增加传输方式选择的灵活性。
36.本发明在电路主板pcb设计时，将数据传输部分独立出来，预留电源、信号控制、数据接口，通过更换传输模块(插接方式)，可以根据实际需要变更数据传输的方式。比如，低
功耗的nb-iot、zigbee，覆盖面广的gprs，数据传输量大的4g，集群传输的wifi等模式，满足实际监测需求。
附图说明
37.图1为本发明的整体结构示意图。
38.图2为拉线测量部件的连接结构示意图。
39.图3为图2的分解结构示意图。
40.图4为本发明的控制流程图。
41.图中：1、主外壳；2、拉线测量部件；3、锂电池；4、光电码盘；5、光电编码器；6、电路板；7、电路主板；8、磁编码器；9、霍尔传感器；11、程序调试接口；12、安装支架；13、外壳挡板；14、微型太阳能面板；15、角度调节支架；16、承载支架；17、外置天线；18、电池固定支架；19、电路支架；21、伸缩载体；22、钢丝线缆出口；23、主轴；24、径向磁铁；25、固定轴套；26、轴承。
具体实施方式
42.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
43.如图1所示的一种基于拉线位移计的一体化遥测微功耗表面位移监测仪，包括壳体，它还包括霍尔传感器9，壳体包括主外壳1、安装支架12，主外壳1的左端、右端对称设置有外壳挡板13，主外壳1的顶部设置有可调角度的微型太阳能面板14、底部设置有安装支架12，主外壳1的内部设置有拉线测量部件2、锂电池3、电路控制模块、电路主板7，通过在壳体内一体化集成，大大降低了安装难度与安装成本；主外壳1与两侧的外壳档板13，这三部分通过螺丝固定在一起，构成一个盒状的壳体。
44.作为优选，主外壳1的内部设置有电池固定支架18，电池固定支架18的前侧设置有拉线测量部件2、后侧设置有电路支架19，电池固定支架18内匹配嵌置有锂电池3，电路支架19靠近主外壳1内壁的一侧设置有电路主板7。主外壳1的前侧面上设置有程序调试接口11。左侧外壳挡板13上设置有外置天线17。
45.锂电池、电池固定支架共同组成供电系统的硬件，为整个监测仪供应电力，通过线路与微型太阳能面板相连，通过电路主板的电池充放电控制电路能在白天给锂电池补充电能。
46.主外壳1的顶面设置有承载支架16，承载支架16内匹配设置有微型太阳能面板14，承载支架16的一端通过角度调节支架15与主外壳1活动相接。微型太阳能面板14作为供电部件，由承载支架16固定在主外壳1的顶部，其与主外壳1顶面之间的夹角可自由调节，以满足尽最大可能接收阳光。主外壳1的内部设置有多组锂电池3，其通过电池固定支架18进行固定，通过电路主板7上的电池充放电控制电路控制锂电池充电或放电。
47.如图3所示，电路控制模块包括电路板6，电路板6的中心设置有磁编码器8，磁编码器8的四周分别设置有霍尔传感器9，磁编码器8的一侧设置有光电编码器5，光电编码器5与光电码盘4固定相接，霍尔传感器9能读取主轴的转动角度，当主轴的转动角度达到30
°
或90
°
时，向mcu发出信号，从而唤醒休眠状态的mcu。
48.如图2所示，拉线测量部件2包括伸缩载体21，伸缩载体21的前端设置有钢丝线缆
出口22，伸缩载体21的中心设置有主轴23，主轴23远离伸缩载体21的一端外套置有径向磁铁24、另一端插入伸缩载体21的中部，径向磁铁24外套置有光电码盘4，主轴23的左侧设置有电路控制模块，拉线测量部件2通过主轴23与电路控制模块相连接。拉线测量部件与电路控制模块共同组成整个监测仪的核心，主是测量拉线拉出或缩回的变化量，转化为电信号输出为监测仪所用。
49.伸缩载体21的中心设置有绕线盘，绕线盘的左侧设置有固定轴套25，固定轴套25的中心设置有轴承26，轴承26内插置有主轴23，主轴23穿过轴承26与绕线盘的中心固定相接。使用时，钢丝绳通过钢丝线缆从伸缩载体21拉出。拉出或缩回钢丝绳时，带动内部绕线盘旋转，从而将拉线的直线位移量转化为主轴23旋转的角度变化量。
50.拉线测量部件是将拉线的直线位移转换为主轴旋转角度的装置，其钢丝线缆出口通过主外壳上的孔伸出壳体，以便拉线测量部件中的钢线绳顺利拉出。拉线测量部件也是一个方形的壳体，在壳体内部中心位置有主轴(主轴连通该拉线测量部件与其他部件)、绕线盘、弹簧回弹机构等。通过设置弹簧回弹机构，可以保证拉线拉出或收回均保持一定的力度。由于拉线测量部件为现有技术，因此此处不再赘述其结构组成。
51.作为优选，在主轴23顶端安装有一个直径为6mm的径向磁铁24，随着主轴23的旋转，径向磁铁24相同角度旋转。在径向磁铁24相邻处设置有电路板6，电路板6的中心位置安装有磁编码器8，主轴23的轴线中心与磁编码器8的中心位于同一条水平中心线上。电路板6靠近主轴23的一侧中心设置有磁编码器8，四个霍尔传感器9组成正方形且正方形的中心与磁编码器8位于同一条竖直中心线上。通过磁编码器8能感知主轴23旋转的角度，并转化为电信号量输出，通过换算，根据主轴23旋转角度就可以得出拉线的位移变化量。
52.主轴通过固定轴套、轴承进行固定，其一端插入伸缩载体21的中部，与绕线盘中心固定，在主轴左侧固定有光电码盘，光电码盘与光电编码器(光电开关)配合，监测主轴的转动，用于唤醒休眠的mcu；在主轴的另一端设有一个径向磁铁，其套在主轴上，随主轴转动。在与径向磁铁相隔2mm位置，设置有电路板，电路板上设有磁编码器，其能读取随主轴转动的径向磁铁的转动角度，并转换为电子信号输出。在磁编码器周围还设有霍耳传感器，同样也可以用于根据主轴转动角度唤醒休眠中的mcu。
53.作为优选，mcu分别与拉线测量部件2、电路主板7电性相接，锂电池3的一端与电路主板7电性相接、另一端与微型太阳能面板14电性相接。电路主板7上设置有分别与mcu电性相接的电池充放电控制电路、gps定位模块、振动传感器、以及无线传输模块。将电路主板7设置在远离径向磁铁24的一侧，其与磁编码器8不在一侧。电路主板7还包括数据采集与存储电路等，其由mcu进行统一的管理。
54.当mcu进入低功耗模式后，由振动传感器提供唤醒的变化电平(低电压或高电压)，从而通过外部中断唤醒mcu。另外，还可以根据震动的次数初步判断是发生了较大倾斜或被人为破坏、移动。根据这些数据，mcu会自动启用gps定位模块，对监测仪所处位置进行实时定位，为巡查人员查找设备或追踪被盗设备提供支撑。
55.如图4所示，本发明的工作流程为：微型太阳能面板负责整个监测仪电力供应，在mcu的管理下补充充电；磁编码器负责读取连接在主轴上的径向磁铁的转动角度，并转为电信号供mcu使用；霍尔传感器同样能读取主轴转动角度，当转动角度达到30
°
或90
°
时，向mcu发出信号，唤醒休眠状态的mcu；光电编码器(光电开关)会在主轴转动时，通过光电码盘的
转动，为mcu提供脉冲电平，同样能唤醒休眠的mcu，该功能可与霍尔传感器同时使用，只是唤醒的角度比霍尔传感器更加精确，能达到1度以下的唤醒条件(对精确度要求不高时，该模块可以不装配)。振动传感器实为滚珠开关，振动会使该开关通断电，mcu监测通断电的次数，初步判断可以发生的破坏、正在破坏或被盗等情况，由mcu根据判断结果打开gps定位模块，将监测仪定位信息传输到远程平台。无线传输模块负责将监测仪的监测数据、定位数据以无线的方式传送到远程服务器，供用户使用。该模块可以根据实际需要更换，使用gprs、nb-iot、4g、lora等方式进行传输。
56.本发明通过设置一个带安装支架12的主外壳1，集成供电、数据采集、数据传输、防盗定位等多个系统于一体，实现微功耗，提高数据使用效率，降低安装成本，最大限度的降低辅助成本，有效解决了现有技术中的多个缺点。
57.首先，由于地质灾害位移监测具有长期性的特点，地表位移变化缓慢，或者说具体到某一天，位移变化量基本上是不变的，因此数据采集频率不需要很高。在一天之内，mcu基本上处于休眠状态，周围电路在mcu休眠时，也基本上处于断电状态，节省较多的电能。一天之内，mcu定时多次自动唤醒，采集位移数据，对比分析数据变化情况，当数据没有变化时，每天定时传输一次或若干次数据到远端平台。只有当位移数据变化较大时，自动增加上传数据的频率，并发出预警信号(0或1的特定数据)。本设计通过使用休眠机制，在降低能耗的同时，提高了数据使用效率。
58.其次，由于启用休眠机制，使集成供电成为可能。本发明使用多组锂电池组成储电池，根据需要可配置最大20000ma电池组。为满足数据传输量大与长期使用的要求，集成了外部微型太阳能面板，通过集成在电路主板的电池充放电控制电路，使得供电系统高度集成，可以在日常使用时，为监测仪补充电能，从而使监测仪理论上可以无限期使用。
59.再次，本发明从外观看就是一个底部设有安装支架的独立设备，因此可以很方便的进行固定安装，然后将拉线拉出，固定到监测点位置，将其通电即可以正常工作，不需要其他的辅助基建工作，大大降低安装难度与安装成本。
60.同时，通过振动传感器采集振动频率与次数，发生震动时不但可以唤醒mcu，当震动次数达到一定阀值时，启动定位模块，并发出报警信号给平台。提醒巡检人员及时查看监测仪情况，并根据定位信息对监测仪进行追踪。通过内置振动传感器与gps定位模块，使得监测仪具有一定的防盗、防破坏、定位追踪能力。
61.最后，一体外壳，防水能力强。外壳设计时，考虑到野外防水需求，关键部位增加了防水措施，可以达到ip67级以上防水防尘能力，满足野外长期露天使用。
62.本发明将拉线的位移通过拉线测量部件转化为角度的变化量，再通过磁编码器测量角度变化量并以电信号形式输出，然后通过mcu控制定时休眠与唤醒设备；通过对采集的数据进行比较判断，根据数据变化幅度控制无线传输模块上传数据的频率；进行能源管理，阳光充足时，能补充电池电量；通过使用霍尔传感器或光电开关，实时监控主轴的转动，实现外部唤醒；通过设置一体化外壳，实现设备保护与防水防尘；通过设置自带的安装支架，方便安装施工；通过振动传感器与gps定位模块的联动，实现破坏报警与设备追踪。
63.本发明具有生产加工简单，加工成本低，使用功耗低等特点。在一些特殊场合下，可以通过低功耗模式，减少外部供电设施的投入，以较低的投入达到同样的监测效率，大大降低了成本，节能降耗。
64.上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。