本發(fā)明涉及一種基于Lora技術(shù)的分布式無(wú)線(xiàn)振動(dòng)爆破監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，屬于土木工程領(lǐng)域，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)安全健康監(jiān)測(cè)行業(yè)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有技術(shù)：爆破監(jiān)測(cè)的目的，爆破振動(dòng)測(cè)試是爆破施工的重要環(huán)節(jié)，一方面爆破的方法和爆破的參數(shù)影響爆破地震的振動(dòng)強(qiáng)度，通過(guò)監(jiān)測(cè)指導(dǎo)爆破施工，另一方面確保被保護(hù)物（工區(qū)周?chē)藛T和建筑物）的安全性，避免糾紛發(fā)生，給企業(yè)帶來(lái)利益。爆破振動(dòng)測(cè)試設(shè)備主要是通過(guò)監(jiān)測(cè)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的三個(gè)分量值、主振頻率及振動(dòng)速度隨時(shí)間的衰減變化曲線(xiàn)。

目前現(xiàn)有技術(shù)主要采用特定的固定區(qū)域監(jiān)測(cè)，并且系統(tǒng)多采用有線(xiàn)級(jí)聯(lián)的方式或者無(wú)線(xiàn)zigbee的方式，無(wú)論是有線(xiàn)還是zigbee無(wú)線(xiàn)，都因?yàn)樾盘?hào)衰減引起的監(jiān)測(cè)范圍受限，從而監(jiān)測(cè)的布點(diǎn)范圍也受到限制，也限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和監(jiān)測(cè)廣度，針對(duì)一些大型結(jié)構(gòu)物受爆破振動(dòng)影響的監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有的技術(shù)方式無(wú)法滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于Lora技術(shù)的分布式無(wú)線(xiàn)振動(dòng)爆破監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法，本發(fā)明利用具有遠(yuǎn)距離通信能力的Lora模塊，將現(xiàn)有的振動(dòng)爆破監(jiān)測(cè)范圍由原來(lái)的幾十米到幾百米擴(kuò)展到上千米，極大的擴(kuò)展了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，拓展了市場(chǎng)應(yīng)用環(huán)境，由針對(duì)結(jié)構(gòu)物局部爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)擴(kuò)展到針對(duì)大型結(jié)構(gòu)物的整體爆破振動(dòng)的評(píng)估，從而提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度和可靠性。

本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

一種基于Lora技術(shù)的分布式無(wú)線(xiàn)振動(dòng)爆破監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它包括三軸MEMS振動(dòng)傳感器、程控放大器、信號(hào)調(diào)理電路、多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器、Lora通信模塊、Nand Flash存儲(chǔ)器、觸發(fā)器、Lora無(wú)線(xiàn)振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)、Lora網(wǎng)關(guān)；

所述三軸MEMS振動(dòng)傳感器與程控放大器連接，程控放大器與信號(hào)調(diào)理電路連接，信號(hào)調(diào)理電路與多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器與微控制器連接；

微控制器分別與Lora通信模塊連接、Nand Flash存儲(chǔ)器連接；

多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器與觸發(fā)器連接，程控放大器與微控制器連接；

多個(gè)Lora無(wú)線(xiàn)振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)與Lora網(wǎng)關(guān)連接。

一種基于Lora技術(shù)的分布式無(wú)線(xiàn)振動(dòng)爆破的監(jiān)測(cè)方法：

三軸MEMS振動(dòng)傳感器感應(yīng)出來(lái)的外界振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)程控放大器和信號(hào)調(diào)理電路再通過(guò)多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過(guò)微控制器發(fā)送給Lora通信模塊。

微控制器經(jīng)過(guò)Lora通信模塊將振動(dòng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離發(fā)送給Lora網(wǎng)關(guān)。

微控制器將滿(mǎn)足觸發(fā)器經(jīng)過(guò)多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份在Nand Flash存儲(chǔ)器后再通過(guò)Lora通信模塊發(fā)送出去。

三軸MEMS振動(dòng)傳感器的輸出信號(hào)與觸發(fā)器比較，并將對(duì)比信號(hào)發(fā)送給多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

Lora無(wú)線(xiàn)振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)星型網(wǎng)絡(luò)將振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送給Lora網(wǎng)關(guān)。

本發(fā)明的原理，LoRa?技術(shù)是物理層或無(wú)線(xiàn)調(diào)制用于建立長(zhǎng)距離通信鏈路。許多傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)使用頻移鍵控（FSK）調(diào)制作為物理層，因?yàn)樗且环N實(shí)現(xiàn)低功耗的非常有效的調(diào)制。LoRa?是基于線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制，它保持了像FSK調(diào)制相同的低功耗特性，但明顯地增加了通信距離，相比于傳統(tǒng)的zigbee技術(shù)，它具有傳輸距離遠(yuǎn)、通信可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，非常具備在高支模這種復(fù)雜工況環(huán)境下工作。

LoRa?的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)方面的長(zhǎng)距離能力。單個(gè)網(wǎng)關(guān)或基站可以覆蓋整個(gè)城市或數(shù)百平方公里范圍。在一個(gè)給定的位置，距離在很大程度上取決于環(huán)境或障礙物，但LoRa?和LoRaWAN?有一個(gè)鏈路預(yù)算優(yōu)于其他任何標(biāo)準(zhǔn)化的通信技術(shù)。

因此利用Lora的遠(yuǎn)距離可靠通信的優(yōu)勢(shì)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上，每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)使用了Lora無(wú)線(xiàn)通信模塊，所有采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)星型網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯總并發(fā)送給監(jiān)控中心。

具體實(shí)現(xiàn)為：振動(dòng)爆破一般需要x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng)傳感器進(jìn)行對(duì)爆破振動(dòng)信號(hào)的拾取，分別對(duì)應(yīng)平行于地面的相互垂直的兩個(gè)軸及垂直于底面的軸，振動(dòng)傳感器通過(guò)將振動(dòng)的速度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)再通過(guò)振動(dòng)信號(hào)采集設(shè)備進(jìn)行采樣得到時(shí)域的振動(dòng)波形。對(duì)于爆破振動(dòng)波形的識(shí)別是通過(guò)觸發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)傳感器和采集設(shè)備安裝好后，采集設(shè)備根據(jù)觸發(fā)閾值來(lái)采樣爆破信號(hào)，一般爆破振動(dòng)的信號(hào)都會(huì)遠(yuǎn)大于周邊其他物體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的振動(dòng)，如行人、汽車(chē)等。

當(dāng)爆破信號(hào)被傳感器感應(yīng)后并超過(guò)設(shè)定閾值后，振動(dòng)采集設(shè)備將振動(dòng)傳感器的輸出信號(hào)采樣、濾波后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)在本地進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)振動(dòng)采集設(shè)備繼續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)傳感器是否還有持續(xù)性的超過(guò)閾值的信號(hào)輸出，有則繼續(xù)采集存儲(chǔ)，微控制器通過(guò)內(nèi)部DMA總線(xiàn)的方式可以實(shí)現(xiàn)采樣和數(shù)據(jù)發(fā)送同步處理，此時(shí)外部如果有持續(xù)性的爆破振動(dòng)信號(hào)，都會(huì)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)在本地的存儲(chǔ)器中，微控制器按照時(shí)間順序，逐條的將數(shù)據(jù)通過(guò)Lora 模塊發(fā)送給Lora網(wǎng)關(guān)，最終再發(fā)送給監(jiān)控中心。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明通過(guò)利用Lora遠(yuǎn)距離高可靠通信模塊，將振動(dòng)爆破監(jiān)測(cè)的地域范圍大大擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)大型結(jié)構(gòu)物的整體監(jiān)測(cè)布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，針對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)物局部監(jiān)測(cè)，極大地提高了結(jié)構(gòu)物的振動(dòng)爆破監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，提高了系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明的基于Lora的無(wú)線(xiàn)振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1、2對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述：

一種基于Lora技術(shù)的分布式無(wú)線(xiàn)振動(dòng)爆破監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它包括三軸MEMS振動(dòng)傳感器1、程控放大器2、信號(hào)調(diào)理電路3、多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器4、微控制器5、Lora通信模塊6、Nand Flash存儲(chǔ)器7、觸發(fā)器8、Lora無(wú)線(xiàn)振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)9、Lora網(wǎng)關(guān)10；

所述三軸MEMS振動(dòng)傳感器1與程控放大器2連接，程控放大器2與信號(hào)調(diào)理電路3連接，信號(hào)調(diào)理電路3與多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器4連接，多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器4與微控制器5連接；

微控制器5分別與Lora通信模塊6連接、Nand Flash存儲(chǔ)器7連接；

多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器4與觸發(fā)器8連接，程控放大器2與微控制器5連接；

多個(gè)Lora無(wú)線(xiàn)振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)9與Lora網(wǎng)關(guān)10連接。

一種基于Lora技術(shù)的分布式無(wú)線(xiàn)振動(dòng)爆破監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其監(jiān)測(cè)方法：

三軸MEMS振動(dòng)傳感器1感應(yīng)出來(lái)的外界振動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)程控放大器2和信號(hào)調(diào)理電路3再通過(guò)多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器4轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)通過(guò)微控制器5發(fā)送給Lora通信模塊6。

微控制器5經(jīng)過(guò)Lora通信模塊6將振動(dòng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離發(fā)送給Lora網(wǎng)關(guān)10。

微控制器5將滿(mǎn)足觸發(fā)器8經(jīng)過(guò)多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器4采樣后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備份在Nand Flash存儲(chǔ)器7后再通過(guò)Lora通信模塊6發(fā)送出去。

三軸MEMS振動(dòng)傳感器1的輸出信號(hào)與觸發(fā)器8比較，并將對(duì)比信號(hào)發(fā)送給多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器4。

Lora無(wú)線(xiàn)振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)9經(jīng)過(guò)星型網(wǎng)絡(luò)將振動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送給Lora網(wǎng)關(guān)10。

附圖1說(shuō)明：因?yàn)槿SMEMS振動(dòng)傳感器的信號(hào)需要同步采集，所以采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了三路信號(hào)鏈對(duì)三個(gè)軸的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理，同時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用多通道同步采樣型，滿(mǎn)足多個(gè)通道同步采集。

該發(fā)明專(zhuān)利在實(shí)施過(guò)程中，首先Lora無(wú)線(xiàn)振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)9為了使得監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)小型化，采用內(nèi)置MEMS型振動(dòng)傳感器的設(shè)計(jì)方式，具體的芯片可以選擇NXP公司的MMA8451Q型三軸加速度傳感器，量程可配置為±2g、±4g、±8g滿(mǎn)足爆破監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)要求，該芯片成本低、精度高、體積小，功耗低，滿(mǎn)足小型化傳感器設(shè)計(jì)的要求。振動(dòng)傳感器的輸出信號(hào)首先經(jīng)過(guò)程控放大器2，程控放大器用于放大微弱振動(dòng)信號(hào)，放大倍數(shù)由微控制器5經(jīng)過(guò)I/O口進(jìn)行配置。信號(hào)經(jīng)過(guò)程控放大器后，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路3進(jìn)行濾波器處理，用于濾除目標(biāo)帶寬之外的干擾及噪聲，使得振動(dòng)信號(hào)更加純潔干凈，信號(hào)調(diào)理電路采用有源低通濾波器的設(shè)計(jì)，其中運(yùn)算放大器可采用ADI公司的低噪聲OP297系列運(yùn)放構(gòu)件濾波器電路。經(jīng)過(guò)濾波的振動(dòng)信號(hào)再經(jīng)過(guò)多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器4同步將三路信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)微控制器存儲(chǔ)到Nand Flash存儲(chǔ)器7中，同時(shí)按照時(shí)間順序，將數(shù)據(jù)段依次通過(guò)Lora通信模塊發(fā)送出去。觸發(fā)器8是通過(guò)不斷比較設(shè)定的閾值和傳感器輸出的信號(hào)大小比較，當(dāng)傳感器輸出的信號(hào)幅度超過(guò)設(shè)定的閾值是，將觸發(fā)多轉(zhuǎn)換內(nèi)核的同步模數(shù)轉(zhuǎn)換器4進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。微控制器5可采用ST公司的STM32F20x系列的32位Cortex-M3內(nèi)核處理器，滿(mǎn)足系統(tǒng)的控制要求。

所有Lora無(wú)線(xiàn)振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)9只要在滿(mǎn)足在Lora通信范圍內(nèi)部署的無(wú)線(xiàn)振動(dòng)采集節(jié)點(diǎn)，都將數(shù)據(jù)傳輸給Lora網(wǎng)關(guān)10，最終發(fā)給監(jiān)控中心。