一种基于UWB的位移监测系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于UWB的位移监测系统和方法，所述位移监测系统包括：通过网络进行通信连接的服务端和设备端；所述服务端包括服务器和数据库；所述设备端包括一个中控站、多个基站和多个监测点；所述基站和监测点统称为设备，每个设备具有唯一的ID号；每个基站与所有监测点之间，以及每个设备和中控站之间均通过UWB信号进行数据交互。本发明专利技术实现了基于UWB的位移监测，由于本发明专利技术采用了UWB技术，相比单纯采用GNSS，可以提高位移监测精度和实时性，并且具有设备小型化、成本低的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于UWB的位移监测系统和方法
本专利技术涉及形变监测
，尤其是一种基于UWB的位移监测系统和方法。
技术介绍
无论是天然边坡的坍塌、滑坡及崩塌等地质灾害，还是水利水电开发、矿产资源开采、陆路交通建设等人类工程活动引起的人工边坡失稳地质灾害，都对经济建设和人民财产造成了巨大的损失。尤其在大型水利工程建设和运营过程中，高边坡的稳定性涉及工程本身和整体环境的安全，其失稳破坏不仅对工程建设造成摧毁，还能通过不可抗力的环境灾难对土木基础工程和人民居住环境带来直接或间接的社会性灾难，故其已成为影响国民经济及社会可持续发展的一个重大问题。做好边坡安全的实时监控，及早预防灾害发生，或者提前疏散群众，减少边坡地质灾害对国民经济建设的影响意义重大。大坝出现安全隐患，主要就表现在大坝出现局部沉降、位移，坝体裂痕等，这些安全隐患的出现都可以表现为工程关键位置出现位移，边坡和桥梁的安全隐患也是如此，因此，通过在大坝、边坡或者桥梁上加装具有位移探测功能的设备，就能很好的监测工程关键位置的位移变化情况，作为评估这些项目的健康状况的一项重要指标，对于出现这些风险的项目及早发现，及早预防处理，可以极大的减少重大事故的发生，最大限度的保护人民的生命、财产安全。随着电子技术的发展，位移监测技术已经由原始的人工测量，发展到现在的高端仪器或者装备测量，但是由于我国的水利项目众多，各种桥梁、高速公路及流域的边坡分布广，需要监测的项目众多，另一方面却面临维护费用有限的矛盾，由于现有的高端监测装备价格昂贵，主要用于重点项目和水坝的监控，而大量的中小型项目还停留在比较落后或者比较单一的监测手段上。常见的外装式位移监测技术有：基于GNSS的定位监控系统、全站仪、边坡雷达。(1)GNSS定位的问题有：采用基于GNSS定位技术来进行变形监测时，垂直位移的精度一般不如水平位移的精度好,如测站周围高度角15°以上不允许存在成片的障碍物；测站离高压线、变压器、无线电台、电视台、微波中继站等信号干扰物和强信号源有一定的距离(例如200～400m)；测站周围也不允许有房屋、围墙、广告牌、山坡、大面积水域等信号反射物，以避免多路径误差等。(2)边坡雷达系统特点：监测精度高，能以亚毫米级精度对监测区域进行大范围的快速连续扫描；监测范围广，测量可覆盖整个监测区域。但是边坡雷达设备成本过高，且运营费用高，难以满足数量众多的中小型水坝或者边坡监控的低成本要求和连续实时监控的需求。(3)全站仪的特点：全站仪精度高，但存在如下问题：属于高精密的光学仪器，仪器的使用规程复杂，需要由专人负责测量和保养维护，使用不方便，难以做到实时监控的要求，而且全站仪属于光学监测设备，对天气条件有要求，难以达到全天候测量的要求。因此，急需研发一种小型化，价格便宜的位移监测设备，以满足众多中小型项目和边坡对实时安全监测的需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于UWB的位移监测系统和方法。本专利技术提供的一种基于UWB的位移监测系统，包括：通过网络进行通信连接的服务端和设备端；所述服务端包括服务器和数据库；所述设备端包括一个中控站、多个基站和多个监测点；所述基站和监测点统称为设备，每个设备具有唯一的ID号；每个基站与所有监测点之间，以及每个设备和中控站之间均通过UWB信号进行数据交互。进一步地，每个所述设备包括依次连接的第一UWB天线、第一UWB芯片和第一MCU，以及用于供电的第一供电单元。进一步地，每个所述设备还包括定位模块，所述定位模块与第一MCU连接，用于监测设备的定位信息。进一步地，所述中控站包括依次连接的UWB天线、UWB芯片和MCU、用于供电的供电单元、以及用于通过无线网络进行通信连接的无线通信模块。进一步地，所述中控站还包括定位模块，所述定位模块与第二MCU连接，用于监测中控站的定位信息。进一步地，所述中控站还包括与第二MCU连接的雨量监测模块以及其他环境监测设备，用于监测中控站所处区域的降雨信息以及其他环境信息，并通过网络传输至服务端。进一步地，所述第二MCU采用两个相连接的MCU实现。本专利技术还提供一种基于UWB的位移监测方法，所述位移监测方法包括如下步骤：步骤1，位移监测系统上线检测，由中控站生成各设备的状态表并发送至服务端；所述状态表中标注了位移监测系统中，每个设备是在线设备或异常设备的状态信息，将状态信息为在线设备的设备用于执行步骤3-5；步骤2，中控站确定其自身以及各设备的定位信息，并发送至服务端；步骤3，服务端根据状态表中的状态信息为在线设备的设备配置一个位移监测工作表，并发送至中控站；步骤4，中控站根据位移监测工作表，配置位移监测工作表中的某一对基站和监测点，使该对基站和监测点进入工作模式后进行测距；并在遍历完位移监测工作表，使位移监测工作表中的每一对基站和监测点完成测距后，得到测距数据；步骤5，中控站将所述测距数据发送至服务端，并由服务端根据所述定位信息和测距数据解出监测点的三维坐标；步骤6，服务端根据数据库中不同时间的测距数据和监测点的三维坐标，生成监测点的位移变化图并显示。进一步地，步骤1包括如下子步骤：步骤101，设备安装好并上电，初始设备处于接收状态；步骤102，中控站按照设备ID的排序广播搜寻UWB信号，每次广播的搜寻UWB信号包含一个ID号和搜寻指令；步骤103，中控站在每次广播搜寻UWB信号后进入接收状态，并预先设置一个超时时间T1；步骤104，系统中所有设备接收到搜寻UWB信号后，将其中的ID号与自身的ID号进行对比，若对比结果相符合，则回复接收确认UWB信号，并在接收确认UWB信号中加入自己的ID号；步骤105，判断中控站在超时时间T1内是否接收到接收确认UWB信号：(1)中控站若在超时时间T1内接收到接收确认UWB信号，则检查其中的ID号，并记录该ID号对应的设备为在线设备；(2)中控站若在超时时间T1内未接收到接收确认UWB信号，则返回步骤102广播包含该ID号的搜寻UWB信号后再执行步骤103-105，当重复执行若干次后中控站仍未收到接收确认UWB信号，则判断该ID号对应的设备为异常设备；步骤106，中控站经过步骤102-105搜寻完所有设备后生成状态表并发送至服务端。进一步地，步骤2的方法为：(1)若中控站和设备上装有定位模块，则中控站向设备发送定位获取命令UWB信号；设备接收到该定位获取命令UWB信号后，通过其定位模块获取定位信息，然后通过广播定位信息UWB信号给中控站；中控站将收到的定位信息以及由其定位模块获取的定位信息发送至给服务端；(2)若中控站和设备上没有装定位模块，则通过全站仪或外置定位设备确定该中控站和设备的定位信息，然后将定位信息人工输入服务端。进一步地，步骤4包括如下子步骤：步骤401，中控站向位移监测工作表中的一对基站和监测点广播测量配置UWB本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于UWB的位移监测系统，其特征在于，包括：通过网络进行通信连接的服务端和设备端；所述服务端包括服务器和数据库；所述设备端包括一个中控站、多个基站和多个监测点；所述基站和监测点统称为设备，每个设备具有唯一的ID号；每个基站与所有监测点之间，以及每个设备和中控站之间均通过UWB信号进行数据交互。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于UWB的位移监测系统，其特征在于，包括：通过网络进行通信连接的服务端和设备端；所述服务端包括服务器和数据库；所述设备端包括一个中控站、多个基站和多个监测点；所述基站和监测点统称为设备，每个设备具有唯一的ID号；每个基站与所有监测点之间，以及每个设备和中控站之间均通过UWB信号进行数据交互。


2.根据权利要求1所述的基于UWB的位移监测系统，其特征在于，每个所述设备包括依次连接的第一UWB天线、第一UWB芯片和第一MCU，以及用于供电的第一供电单元。


3.根据权利要求2所述的基于UWB的位移监测系统，其特征在于，每个所述设备还包括定位模块，所述定位模块与第一MCU连接，用于监测设备的定位信息。


4.根据权利要求1所述的基于UWB的位移监测系统，其特征在于，所述中控站包括依次连接的第二UWB天线、第二UWB芯片和第二MCU、用于供电的第二供电单元、以及用于通过无线网络进行通信连接的无线通信模块。


5.根据权利要求4所述的基于UWB的位移监测系统，其特征在于，所述中控站还包括定位模块，所述定位模块与第二MCU连接，用于监测中控站的定位信息。


6.根据权利要求5所述的基于UWB的位移监测系统，其特征在于，所述中控站还包括与第二MCU连接的雨量监测模块以及其他环境监测设备，用于监测中控站所处区域的降雨信息以及其他环境信息，并通过网络传输至服务端。


7.根据权利要求4-6任一项所述的基于UWB的位移监测系统，其特征在于，所述第二MCU采用两个相连接的MCU实现。


8.一种基于UWB的位移监测方法，其特征在于，所述位移监测方法包括如下步骤：
步骤1，位移监测系统上线检测，由中控站生成各设备的状态表并发送至服务端；所述状态表中标注了位移监测系统中，每个设备是在线设备或异常设备的状态信息，将状态信息为在线设备的设备用于执行步骤3-5；
步骤2，中控站确定其自身以及各设备的定位信息，并发送至服务端；
步骤3，服务端根据状态表中的状态信息为在线设备的设备配置一个位移监测工作表，并发送至中控站；
步骤4，中控站根据位移监测工作表，配置位移监测工作表中的某一对基站和监测点，使该对基站和监测点进入工作模式后进行测距；并在遍历完位移监测工作表，使位移监测工作表中的每一对基站和监测点完成测距后，得到测距数据；
步骤5，中控站将所述测距数据发送至服务端，并由服务端根据所述定位信息和测距数据解出监测点的三维坐标；
步骤6，服务端根据数据库中不同时间的测距数据和监测点的三维坐标，生成监测点的位移变化图并显示。


9.根据权利要求8所述的基于UWB的位移监测方法，其特征在于，步骤1包括如下子步骤：
步骤101，设备安装好并上电，初始设备处于接收状态；
步骤102，中控站按照设备ID的排序广播搜寻UWB信号，每次广播的搜寻UWB信号包含一个ID号和搜寻指令；
步骤103，中控站在每次广播搜寻UWB信号后进入接收状态，并预先设置一个超时时间T1；
步骤104，系统中所有设备接收到搜寻UWB信号后，将其中的ID号与自身的ID号进行对比，若对比结果相符合，则回复接收确认UWB信号，并在接收确认UWB信号中加入自己的ID号；
步骤105，判断中控站在超时时间T1内是否接收到接收确认UWB信号：
(1)中控站若在超时时间T1内接收到接收确认UWB信号，则检查其中的ID号，并记录该ID号对应的设备为在线设备；
(2)中控站若在超时时间T1内未接收到接收确认UWB信号，则返回步骤102广播包含该ID号的搜寻UWB信号后再执行步骤103-105，当重复执行若干次后中控站仍未收到接收确认UWB信号，则判断该ID号对应的设备为异常设备；
步骤106，中控站经过步骤102-105搜寻完所有设备后生成状态表并发送至服务端。


10.根据权利要求8所述的基于UWB的位移监测方法，其特征在于，步骤2的方法为：
(1)若中控站和设备上装有定位模块，则中控站向设备发送定位获取命令UWB信号；设备接收到该定位获取命令UWB信号后，通过其定位模块获取定位信息，然后通过广播定位信息UWB信号给中控站；中控站将收到的定位信息以及由其定位模块获取的定位信息发送至给服务端；
(2)若中控站和设备上没有装定位模块，则通过全站仪或外置定位设备确定该中控站和设备的定位信息，然后将定位信息人工输入服务端。


11.根据权利要求8所述的基于UWB的位移监测方法，其特征在于，步骤4包括如下子步骤：
步骤401，中控站向位移监测工作表中的一对基站和监测点广播测量配置UWB信号；
步骤402，中控站在广播完后进入接收状态，并给定一个等待时间T2；
步骤403，所述基站和监测点接收到测量配置UWB信号后进入工作模式，同时广播测量UWB信号；
步骤404，判断中控站在等待时间T2内是否收到当前这一对基站和监测点广播的测量UWB信号：
(1)中控站若在等待时间T2内收到当前这一对基站和监测点广播的测量UWB信号，则立即进入接收测距数据状态；当前这一对基站和监测点在工作模式下完成测距，并通过UWB信号将其测距数据传输给中控站；
(2)中控站若在等待时间T2内未收到当前这一对基站和监测点广播的测量UWB信号，则重新向这一对基站和监测点广播测量配置UWB信号，然后执行步骤402-404；当重复执行若干次后中控站仍未收到当前这一对基站和监测点广播的测量UWB信号，则跳过当前这一对基站和监测点向下一对基站和监测点广播测量配置UWB信号，然后执行步骤402-404；
步骤405，完成测距的一对基站和监测点将从位移监测工作表中移除，而跳过的一对基站和监测点保留在位移监测工作表，然后重复执行步骤401-404，直到位移监测工作表为空时即遍历完位移监测工作表，使位移监测工作表中的每一对基站和监测点完成测距，并得到测距数据。


12.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓军，张伟，廖涛，周诗超，陈振振，郭成林，
申请(专利权)人：中电科蓉威电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51