阅读说明：本技术 无线低功耗崩塌计及其使用方法 (Wireless low-power consumption collapse meter and using method thereof ) 是由 姚鸿梁 徐辉 宋爽 于 2019-10-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及响应灾难事件的报警器领域,具体为一种无线低功耗崩塌计及其使用方法。一种无线低功耗崩塌计,包括机壳(1),其特征是：还包括崩塌监控器(2),崩塌监控器(2)设于机壳(1)内,崩塌监控器(2)包括加速度传感器(201)、低功耗可配置比较器(202)、模数转换器(203)、微控制单元(204)、实时时钟(205)、低功耗蓝牙元件(206)、LoRa/NB-IoT远程通讯模块(207)、金属氧化物半导体场效应管(208)、电源管理系统(209)、电池(210)和开关(211)。一种无线低功耗崩塌计的使用方法,其特征是：包括如下步骤：安装、待机、监控、报警。本发明低功耗,适应性强,监测可靠。(The invention relates to the field of alarms responding to disaster events, in particular to a wireless low-power collapse meter and a using method thereof. A wireless low-power consumption collapse meter comprises a machine shell (1), and is characterized in that: the intelligent anti-collapse system is characterized by further comprising a collapse monitor (2), wherein the collapse monitor (2) is arranged in the machine shell (1), and the collapse monitor (2) comprises an acceleration sensor (201), a low-power-consumption configurable comparator (202), an analog-to-digital converter (203), a micro-control unit (204), a real-time clock (205), a low-power-consumption Bluetooth element (206), a LoRa/NB-IoT remote communication module (207), a metal oxide semiconductor field effect transistor (208), a power management system (209), a battery (210) and a switch (211). A use method of a wireless low-power collapse meter is characterized by comprising the following steps: the method comprises the following steps: installation, standby, monitoring and alarming. The invention has low power consumption, strong adaptability and reliable monitoring.)

无线低功耗崩塌计及其使用方法

技术领域

本发明涉及响应灾难事件的报警器领域，具体为一种无线低功耗崩塌计及其使用方法。

背景技术

岩质山坡在发生地质灾害时，常伴有岩体崩塌情况，滚落的岩石往往造成房屋损毁与人员安全事故。因此，实时监测岩体状态，并发布崩塌预警信息，对防灾减灾具有重要意义。现有的崩塌预警方法主要分为人工现场勘测与自动化监测两种方式。人工监测的方法实时性不强，而且准确性受人员经验限制较高；自动化监测中的普遍方式，在岩体上安装加速度传感器，监测岩体的微动。一般为了实现监测的实时性，传感器需要连续工作，为此需要配备太阳能供电系统以实现长时工作。然而，地灾发生前往往伴随较长时间的降雨，太阳能系统容易馈电而使系统失效。另外一种方式是采用大容量的非充电电池，授权公告号为204332058U的中国实用新型专利于2015年05月13日公开了一种智能崩塌预警监测装置，包括：多个监测终端以及无线网络协调器；各个监测终端均连接到无线网络协调器，但该专利中并明确体现具体的崩塌监测方法及低功耗设计，从而解决高频监测与低功耗的矛盾。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，提供一种低功耗、适应性强、监测可靠的监测设备，本发明公开了一种无线低功耗崩塌计及其使用方法。

本发明通过如下技术方案达到发明目的：

一种无线低功耗崩塌计，包括机壳，机壳通过两侧的安装孔固定在被测岩石上，其特征是：还包括崩塌监控器，崩塌监控器设于机壳内，

崩塌监控器包括加速度传感器、低功耗可配置比较器、模数转换器、微控制单元、实时时钟、低功耗蓝牙元件、LoRa/NB-IoT远程通讯模块、金属氧化物半导体场效应管、电源管理系统、电池和开关，

加速度传感器的模拟信号输出端通过信号线分别连接低功耗可配置比较器的信号输入端和模数转换器的模拟信号输入端，模数转换器的数字信号输出端通过信号线连接微控制单元，微控制单元还通过信号线分别连接低功耗可配置比较器、实时时钟、低功耗蓝牙元件和LoRa/NB-IoT远程通讯模块，一个金属氧化物半导体场效应管通过信号线连接模数转换器，另一个金属氧化物半导体场效应管通过信号线连接LoRa/NB-IoT远程通讯模块，电源管理系统通过信号线分别连接加速度传感器、低功耗可配置比较器、微控制单元和金属氧化物半导体场效应管，电池通过串联了开关的导线连接电源管理系统。

所述的无线低功耗崩塌计，其特征是：机壳包括腔体和上罩，腔体外部的底部为敞口向下的凹槽，腔体两侧的底部设有安装孔，腔体的一个侧面上设有透明的观察窗，开关设于腔体上；上罩盖在腔体的敞口处，上罩和腔体之间衬有密封圈，上罩选用盖板或罩壳；电池选用锂-亚硫酰氯电池。

所述的无线低功耗崩塌计的使用方法，其特征是：按如下步骤依次实施：

i. 在被测岩石上找到相对平整的一个安装面，安装面尺寸不小于120mm×55mm；

ii. 将机壳放在所述安装面上，使机壳外部的底部贴合在所述安装面上，用记号笔穿过机壳两侧的安装孔，在被测岩石上做好记号标记；

iii. 使用8mm的钻头，在被测岩石上钻孔，深度不小于40mm；

iv. 使用两颗M5膨胀螺丝，先将机壳(1)固定在被测岩石上；

v. 打开机壳，闭合开关，此时电源管理系统的指示灯亮起10秒后再熄灭，崩塌监控器进入待机状态；

vi. 使用配置了专用APP和蓝牙通信的智能移动终端，通过低功耗蓝牙元件唤醒崩塌监控器，此时电源管理系统的指示灯常亮，进入待配置状态；

vii. 用智能移动终端读取崩塌监控器三个方向的加速度数据，观察数据稳定性；

viii. 在数据稳定后，记录初值，微控制单元自动对三个方向加速度进行稳定性判断，若在1分钟内的波动小于预设阈值则通过自检，微控制单元自动记录1分钟内三个方向加速度的平均值作为初始值a0，每个方向加速度的初始值和阈值可以一样也可以不一样；

ix. 用户通过所述智能移动终端设置三个方向加速度波动报警阈值at、基准编号或服务器地址、正常上传时间间隔与加密上传时间间隔；

x. 微控制单元根据设置的阈值转换为绝对的电压量并配置低功耗可配置比较器；同时根据周期上传时间配置实时时钟的中断设置；

xi. 所述移动智能终端完成操作后，电源管理系统的指示灯熄灭，崩塌监控器(2)进入待机模式；

xii. 在所述被测岩石加速度未超过阈值的情况下，微控制单元处于待机模式，并且关断模数转换器和LoRa/NB-IoT远程通讯模块的供电，此时崩塌监控器只有加速度传感器、低功耗可配置比较器和实时时钟处于工作模式，崩塌监控器的总体功耗小于50μA；

xiii. 当到周期上传时间时，实时时钟产生中断信号唤醒微控制单元，微控制单元收到中断信号后控制电源管理系统向模数转换器上电以进行一次加速度值的采集，然后控制电源管理系统向LoRa/NB-IoT远程通讯模块上电，将加速度值的数据发送至基站并最终汇总到监测云平台；

xiv. 若崩塌监控器待机时，加速度值a发生如下两种情况之一时，a>a0+at或a<a0–at，低功耗可配置比较器发出中断信号，微控制单元被唤醒，崩塌监控器开启LoRa/NB-IoT远程通讯模块以加密上传时间间隔的周期不断上报监测到的加速度数据；

xv. 监测云平台收到加密后的加速度数据后发出对应预警信息。

所述的无线低功耗崩塌计的使用方法，其特征是：

步骤viii时，预设阈值设为50μg，g指重力加速度；

步骤ix时，加速度波动报警阈值at设为1mg，g指重力加速度；

正常上传间隔的默认值设为1小时一次，加密上传时间间隔的默认值设为1分钟1次，所述的两个默认值用户可以修改。

所述的无线低功耗崩塌计的使用方法，其特征是：

步骤ix时，用户以当前值作为初始值远程重置初始值或修改阈值，或者用户在平台上人工消警后，系统远程重置初始值。

本发明采用独特的外观与结构，机壳为可扩展设计，底部腔体不变，更换上罩可支持单电池与双电池两种模式；机壳上设有各种接口，包括天线、安装孔、面板（塑料材质，透蓝牙信号，并且中心位置有透明孔，指示灯观察点）、开关（运输与存储时关闭）。

本发明的各项参数及性能如下所述：

1. 静态功耗小于50uA；

2. 上述过程中的所有配置参数，可以通过现场蓝牙进行快速配置；事后也可以通过云端远程修改；

3. 电池电量数据也会和加速度数据按照正常上传间隔，上报云监测系统，便于用户了解电池状况；

4. 正常情况下，每小时一次上报，仪器可连续工作5年以上。若数据采样率要求更高，或监测年限要求更长，可通过电池扩展，增大容量实现；

5. 安装孔与机壳一体设计，可实现X、Y双向安装；

6. 安装面内凹设计，降低对岩石安装面平整度要求；

7. 上罩的密封圈与上下腔设计，电路下腔可进行打胶处理，可达IP68级的密封防护；

8. 设有亚克力透明观察窗，背面布设蓝牙PCB天线（内置）与电源状态灯，实现配置通讯与状态提示功能；

9. 窄带通讯（如LoRa或NB-IoT）天线外置（壳体上安装SMA座，内部打胶处理），可根据现场环境选用不同增益的玻璃钢或吸盘天线；

10. 选用低功耗加速度传感器、比较器、MCU、BLE蓝牙（蓝牙模块可选择内置于MCU的类型，如采用意法半导体的STM32W系列单片机），待机功耗小于50μA；

11. 通过可配置比较器，采用阈值触发模式，实现MCU待机情况下的实时监测；

12. 电池选用锂-亚硫酰氯电池，年漏电率小于1%；

13. 电源管理电路具备电池电量管理与输出开关功能

本发明提出了一种岩体崩塌监测的方法及对应的硬件装置，在保证崩塌监测的实时性同时，实现了极低的功耗，从而保证监测设备长期可靠。

附图说明

图1是本发明中崩塌监控器的电路原理图；

图2是本发明中机壳的结构示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

一种无线低功耗崩塌计，包括机壳1、崩塌监控器2，崩塌监控器2设于机壳1内，如图1和图2所示，具体结构是：

机壳1通过两侧的安装孔固定在被测岩石上；

崩塌监控器2包括加速度传感器201、低功耗可配置比较器202、模数转换器203、微控制单元204、实时时钟205、低功耗蓝牙元件206、LoRa/NB-IoT远程通讯模块207、金属氧化物半导体场效应管208、电源管理系统209、电池210和开关211，

加速度传感器201的模拟信号输出端通过信号线分别连接低功耗可配置比较器202的信号输入端和模数转换器203的模拟信号输入端，模数转换器203的数字信号输出端通过信号线连接微控制单元204，微控制单元204还通过信号线分别连接低功耗可配置比较器202、实时时钟205、低功耗蓝牙元件206和LoRa/NB-IoT远程通讯模块207，一个金属氧化物半导体场效应管208通过信号线连接模数转换器203，另一个金属氧化物半导体场效应管208通过信号线连接LoRa/NB-IoT远程通讯模块207，电源管理系统209通过信号线分别连接加速度传感器201、低功耗可配置比较器202、微控制单元204和金属氧化物半导体场效应管208，电池210通过串联了开关211的导线连接电源管理系统209。

本实施例中：机壳1包括腔体11和上罩12，腔体11外部的底部为敞口向下的凹槽，腔体11两侧的底部设有安装孔，腔体11的一个侧面上设有透明的观察窗，开关211设于腔体11上；

上罩12盖在腔体11的敞口处，上罩12和腔体11之间衬有密封圈，上罩12选用盖板或罩壳，当电池210为单节时，上罩12可选用盖板，当电池210为双节或更多节时，上罩12可选用罩壳，以增加内部空间；

电池210选用锂-亚硫酰氯电池。

本实施例使用时，按如下步骤依次实施：

i. 在被测岩石上找到相对平整的一个安装面，安装面尺寸不小于120mm×55mm；

ii. 将机壳1放在所述安装面上，使机壳1外部的底部贴合在所述安装面上，用记号笔穿过机壳1两侧的安装孔，在被测岩石上做好记号标记；

iii. 使用8mm的钻头，在被测岩石上钻孔，深度不小于40mm；

iv. 使用两颗M5膨胀螺丝，先将机壳1固定在被测岩石上；

v. 打开机壳1，闭合开关211，此时电源管理系统209的指示灯亮起10秒后再熄灭，崩塌监控器2进入待机状态；

vi. 使用配置了专用APP和蓝牙通信的智能移动终端，通过低功耗蓝牙元件206唤醒崩塌监控器2，此时电源管理系统209的指示灯常亮，进入待配置状态；

vii. 用智能移动终端读取崩塌监控器2三个方向的加速度数据，观察数据稳定性；

viii. 在数据稳定后，记录初值，微控制单元204自动对三个方向加速度进行稳定性判断，若在1分钟内的波动小于预设阈值（默认50μg，g指重力加速度）则通过自检，微控制单元204自动记录1分钟内三个方向加速度的平均值作为初始值a0，每个方向加速度的初始值和阈值可以一样也可以不一样；

ix. 用户通过所述智能移动终端设置三个方向加速度波动报警阈值at（默认1mg，g指重力加速度）、基准编号或服务器地址、正常上传时间间隔（默认值1小时一次）与加密上传时间间隔（默认值1分钟1次），所述的两个默认值用户可以修改；

用户还可以以当前值作为初始值远程重置初始值或修改阈值，或者用户在平台上人工消警后，系统远程重置初始值；

x. 微控制单元204根据设置的阈值转换为绝对的电压量并配置低功耗可配置比较器202；同时根据周期上传时间配置实时时钟205的中断设置；

xi. 所述移动智能终端完成操作后，电源管理系统209的指示灯熄灭，崩塌监控器2进入待机模式；

xii. 在所述被测岩石加速度未超过阈值的情况下，微控制单元204处于待机模式，并且关断模数转换器203和LoRa/NB-IoT远程通讯模块207的供电，此时崩塌监控器2只有加速度传感器201、低功耗可配置比较器202和实时时钟205处于工作模式，崩塌监控器2的总体功耗小于50μA；

xiii. 当到周期上传时间时，实时时钟205产生中断信号唤醒微控制单元204，微控制单元204收到中断信号后控制电源管理系统209向模数转换器203上电以进行一次加速度值的采集，然后控制电源管理系统209向LoRa/NB-IoT远程通讯模块207上电，将加速度值的数据发送至基站并最终汇总到监测云平台；

xiv. 若崩塌监控器2待机时，加速度值a发生如下两种情况之一时，a>a0+at或a<a0–at，低功耗可配置比较器202发出中断信号，微控制单元204被唤醒，崩塌监控器2开启LoRa/NB-IoT远程通讯模块207以加密上传时间间隔的周期不断上报监测到的加速度数据；

xv. 监测云平台收到加密后的加速度数据后发出对应预警信息。