一种智能拉索集中器

技术领域

本发明涉及拉索监测领域，尤其涉及一种智能拉索集中器。

背景技术

目前桥梁拉索的监测包括对索力、温湿度、积水、外部结构等信息的监测，大多采用智能索实现对拉索进行监测，智能索是将监测上述信息的传感器集成在拉索内部或固定拉索上，例如加速度传感器、温湿度传感器、积水传感器、图像传感器等进行拉索的上述信息监测，多种类的传感器在数据采集、数据传输、数据通信的过程中，由于不同的厂家设计生产、不同种类数据信息的监测，其采集数据的类型、通信协议和控制协议也不相同，例如RS485通信协议、RS232通信协议、USB通信协议、TCP/IP通信协议、PCI总线、ISA总线等，同时各采集仪所约定的控制协议各不相同，对获取的数据的定义也各不相同，数据采集系统通过传感器约定的通信协议和控制协议，获取相应的数据，最终分别传输至服务器终端，进行状态评估及分析；现有技术中，上述多种类的传感器均为单独的系统，即在多信息监测的系统中，需要多个采集终端、网络终端等设备来对应多种类传感器的数据类型及通信协议；同时在拉索监测结构方面，多种传感器均内置于整体缆索的封闭空间中，多种采集、网络终端安置于拉索上或安装在拉索内部，将存在布线难和影响拉索密封性能的问题。

目前，中国专利CN104199410A公开了一种桥梁结构健康监测通用性采集控制系统，包括采集设备、数据采集模块、数据处理模块、数据评估模块、数据显示模块和数据存储与控制模块；该发明的有益效果有：数据采集通用性结构、差异通信协议抽象统一接口、传感系统采集策略、资源分配策略、基于传感对象并结合传感系统故障的可靠控制策略、多参数多等级突发事件捕获策略、基于关系数据库的数据存储与管理策略、远程系统控制与更新等；该系统中的数据采集模块包括INV3060同步信号采集仪、FBG-2000光纤光栅解调仪、Nprot-5680串口服务器、LTM-8662温度采集模块和ADAM-4060模拟量采集模块，该现有技术中虽然实现了兼容多协议的接口，但该技术方案是在服务终端侧对采集器/传感器进行兼容，这样的兼容性设计使得监控系统冗余程度较大，并且总线上除了各种采集器之外，还需要另外的各种网关等协议转换器，从而导致网络结构复杂、服务端架构复杂、可靠性降低、路由维护复杂、较难实现即插即用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种智能拉索集中器，旨在解决现有桥梁监测系统在服务终端侧对采集器/传感器进行兼容，使监控系统冗余程度较大，并且总线上还需要另外的各种网关等协议转换器，从而导致网络结构复杂、服务端架构复杂、可靠性降低、路由维护复杂、无法实现即插即用等问题。

本发明采取以下技术方案实现上述目的：

一种智能拉索集中器，包括壳体、安装至壳体的接口组件及安装至壳体内部的控制器组件；所述接口组件用于连接温湿度传感器、积水传感器、图像传感器、加速度传感器中的两种以上；所述控制器组件包括中央处理器、即插即用组件、数据通信组件、数据存储组件，所述中央处理器用于识别连接至接口组件的传感器通信协议；所述中央处理器还分别与接口组件、即插即用组件、数据通信组件、数据存储组件电信号连接；所述即插即用组件预设有通用协议转换模块，所述通用协议转换模块用于将连接至接口组件的传感器协议转换成数据通信组件和数据存储组件能够识别的类型；所述数据通信组件用于采集数据和传输数据，所述数据存储组件用于存储数据。

本技术方案中，接口组件连接的各类传感器均为常规传感器，其中，温湿度传感器用于检测拉索保护罩内的温度及湿度，积水传感器用于检测拉索保护罩内是否存在积水，图像传感器用于拍摄拉索保护罩内的图像，加速度传感器用于检测拉索的索力；温湿度传感器、积水传感器和图像传感器均设置于拉索根部的保护罩内，而加速度传感器设置于拉索索体的中部；

本技术方案的工作原理为：将上述常用的传感器通信协议转换成通用协议的程序预先写入通用协议转换模块，中央处理器通过微程序控制着接口组件、即插即用组件、数据通信组件及数据存储组件，当接口组件接入传感器(两种以上)时，中央处理器自动识别传感器信息(包括当前接入的配置接口信息、传感器接口的地址信息)，并调用通用协议转换模块，中央处理器发送数据采集指令至数据通信组件，数据通信组件采集到的传感器检测数据即为转换后的数据类型(即通用的类型)，同时能够将统一类型的数据传输到本地终端或通过网络传输到服务器终端(本地终端为在拉索现场直接与集中器通过通信线路连接的终端，服务器终端为通过网络传输的后台终端)，数据存储组件则根据用户预先的自定义决定是否保存数据通信组件采集的数据；基于上述集中器的监测系统服务端能够在PC机或工控机上运行，可将数据存储组件存储的数据上传到物联网平台，再将物联网平台上的数据传至用户作最终的数据存储，或直接将数据通信传输至用户自定义服务端；本技术方案在数据采集端就完成通信协议的转换，数据采集后采用统一的通信协议，网络架构简单、可靠性高，能够实现传感器的即插即用，使拉索监测系统的服务端架构简单，通信协议轻量化；此外，本技术方案的集中器能够安装至缆索外部，将多种传感器的数据线接入集中器的接口组件，相对现有技术中每个传感器对应一个采集、传输、通信终端的方案，容易布线、更安全可靠。

进一步的技术方案为，所述接口组件还包括电源接口。本技术方案的电源接口用于为集中器的用电部件进行供电。

进一步的技术方案为，还包括太阳能板和电源模块，所述太阳能板用于为电源模块充电；所述电源模块用于为集中器供电。本技术方案中，除了采用市电对集中器进行供电外，还能够通过太阳能供电，满足偏远地区供电困难，其中电源模块可安装在壳体的内部，也可安装在壳体的外部。

进一步的技术方案为，所述接口组件的类型为RS485接口、AD接口、USB接口中的一种以上。

进一步的技术方案为，接口组件的接口数量为1个。本技术方案中采用485总线，可以一个接口同时连接两个以上传感器，具体可根据引脚的数量决定连接传感器的数量，所连接的传感器共用电源引脚，再分别连接信号输入和信号输出引脚。

进一步的技术方案为，所述接口组件位于壳体的一侧，所述壳体上设置向外延伸的防水挡盖。

进一步的技术方案为，电源模块包括锂电池、及MPPT充电控制器，所述MPPT充电控制器用于将光伏太阳能板转换的电量补充至锂电池。

进一步的技术方案为，还包括无线信号传输模块，所述无线信号传输模块用于将数据通信组件采集的数据发送至服务终端。

本发明的有益效果是：

本发明提供一种智能拉索集中器，在数据采集端就完成通信协议的转换，数据采集后采用统一的通信协议，网络架构简单、可靠性高，能够实现传感器的即插即用，使拉索监测系统的服务端架构简单，通信协议轻量化；并且能够安装至缆索外部，将多种传感器的数据线接入集中器的接口组件，相对现有技术中每个传感器对应一个采集、传输、通信等终端的方案，结构简单、容易布线、更安全可靠。

附图说明

图1为：本发明所述智能拉索集中器的架构图。

图2为：本发明所述智能拉索集中器电源模块的架构图。

图3为：本发明所述智能拉索集中器的结构示意图。

图中：

1、壳体；10、安装孔；11、防水挡盖；2、控制器组件；21、中央处理器；22、即插即用组件；23、数据通信组件；24、数据存储组件；3、接口组件；31、温湿度传感器；32、积水传感器；33、加速度传感器；34、图像传感器；4、太阳能板；5、电源模块；51、锂电池；52、MTTP充电控制器。

具体实施方式

下面结合附图1至图3对本发明进行详细说明，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施方式提供一种智能拉索集中器，用于连接及管理智能拉索中的温湿度传感器31、积水传感器32、加速度传感器33及图像传感器34，其中，温湿度传感器31用于检测拉索保护罩内的温度及湿度，积水传感器32用于检测保护罩内是否存在积水，图像传感器34用于拍摄拉索保护罩内的图像，加速度传感器33用于检测拉索的索力；温湿度传感器31、积水传感器32和图像传感器34均设置于拉索根部的保护罩内，而加速度传感器33设置于拉索索体的中部；

该集中器包括壳体1、安装至壳体1的接口组件3及安装至壳体1内部的控制器组件2；所述接口组件3包括两个RS485接口、两个USB接口等四个接口，分别连接上述智能拉索的温湿度传感器31、积水传感器32、图像传感器34、加速度传感器33；温湿度传感器31和积水传感器32采用Modbus通信协议，图像传感器34采用Cameralink通信协议，加速度传感器33采用IIC通信协议，上述通信协议中均详细的描述了输入和输出命令、信息和数据，能够为第三方使用和二次开发；

所述控制器组件2包括中央处理器21、即插即用组件22、数据通信组件23、数据存储组件24，所述中央处理器21用于识别连接至接口组件3的传感器通信协议；所述中央处理器21具体采用STM32系列单片机的中央处理器，分别与接口组件2、即插即用组件22、数据通信组件23、数据存储组件24电信号连接；所述即插即用组件22预设有通用协议转换模块，所述通用协议转换模块用于将连接至接口组件3的传感器协议转换成数据通信组件23和数据存储组件24能够识别的类型；所述数据通信组件23用于采集数据和传输数据，所述数据存储组件24用于存储数据。

具体的，通用协议转换模块中预设的通信协议转换程序可以采用现有技术中的树莓派模块将图像传感器的Cameralink通信协议转换成Modbus通信协议，由树莓派Zero模组提供UVC接口(本实施方式中树莓派中运行着Linux系统，其自带UVC接口驱动程序)，而中央处理器21通过UART接口从树莓派Zero模组中读取图像数据并上传，具体为，当接口组件3连接图像传感器34时，中央处理器21通过树莓派模块控制图像传感器34进行拍照(或者设置成定时拍照)，树莓派模块通过Modbus协议，分多帧获取图片数据(每帧512-1024字节，每个图片大约250-500帧)；获取帧的同时，上传每一帧至服务器终端；服务器终端收到图片的所有帧(其通过帧ID进行完整性校验)之后，重组为一幅图片，并保存；

协议中请求帧的格式为：

响应帧格式为：

示例

1、请求拍一幅图片，并返回图片的尺寸、帧数等信息

请求

响应

2、请求一个具体的图片数据片段

请求

响应

采用USB接口的加速度传感器33同理可以采用上述树莓派模块进行协议的转换；其数据采用16进制方式进行发送，格式如下：

每个数据分低字节和高字节依次传送，二者组合成一个有符号的short类型数据，例如，X轴加速度数据Ax，其中AxL为低字节，AxH为高字节，转换方法如下：Data为实际数据，DataH为其高字节部分，DataL为其低字节部分，那么Data＝(short)(DataH<<8|DataL)；以接收到的数据55 51 78 FD 4E 03 85 F8 FC 0E F3为例，55 51为固定格式，78FD就是Ax的数据，4E 03就是Ay的数据，85F8就是Az的数据，FC 0E是温度的数据，F3是校验和，以Ax的数据为例，AxL是78，AxH是FD，那么完整的16进制数据是FD78，转换后为-648，通过Ax＝((DataH<<8)|DataL)/32768*16g，g为重力加速度，可以得到Ax＝-0.316g，同理可以得出Ay和Az；

而温湿度传感器31与积水传感器32均采用Modbus通信协议，无需转换，以温湿度传感器31的通信过程为例，中央处理器21发送读取数据指令，命令格式如下：

配置：01+0x03+0x0+0x0+0x0+0x3+0x5+0xcb

发送的数据：01030000000305cb，其中01表示地址位，03表示命令符(读取数据)，0000为固定格式，0003表示读取数据长度，05cb为CRC校验位；

通讯数据为十六进制，接收到的数据为0103061E5F75367391AB5B，其中第一位(01)：表示地址位；第二位～第三位(0306)表示命令符(固定数值)；第四位～第五位(1E5F)表示湿度数据，转换为十进制为7775，则湿度为77.75；第六位～第七位(7536)表示温度数据，转换为十进制为2691，则温度为26.91℃；第八位～第九位(7391)表示露点数据；第十位～第十一位(A858)CRC校验位；

此外，上述树莓派模块可以替换成能够实现了上述协议的模组或设备(例如小型的工控电脑，或者实现了UVC协议的嵌入式板卡)，或通用协议转换模块中预设的通信协议转换程序可以但不限于采用类似于中国专利CN104199410A中的接口定义程序；该集中器采用市电进行供电，其工作原理为：将上述常用的传感器通信协议转换成通用协议的转换程序预先写入通用协议转换模块，当接口组件2接入上述传感器时，中央处理器21自动识别传感器信息(包括当前接入的配置接口信息、传感器接口的地址信息)，并调用通用协议转换模块，将上述通信协议统一转换成的Modbus通信协议，即把不是Modbus协议的转换成Modbus协议，其主要原因在于：Modbus协议是主流的嵌入式数据传输协议，技术成熟、可靠，而且有着丰富的第三方测试工具支持，可以提高开发效率，Modbus协议支持一个总线接入多个同类传感器，有利于兼容多个传感器接入的接口设计；中央处理器21发送数据采集指令至数据通信组件23，数据通信组件23采集到的传感器检测数据即为转换后的数据类型(即通用的类型)，同时能够将统一类型的数据传输到本地终端或通过网络传输到服务器终端，本地终端为在拉索现场直接与集中器通过通信线路连接的终端，服务器终端为通过网络传输的后台终端，网络传输可采用有线或无线的形式进行，当采用无线形式传输时，集中器中则设有无线信号传输模块，该无线信号传输模块也与中央处理器21电信号连接，具体的外壳1侧壁开了一个孔，用于放置防水天线转接头，该转接头外接防水天线，内接4G通信模块；数据存储组件24则根据用户预先的自定义决定是否保存数据通信组件23采集的数据；基于上述集中器的监测系统服务端能够在PC机或工控机上运行，可将数据存储组件24存储的数据上传到物联网平台，再将物联网平台上的数据传至用户自定义服务端作最终的数据存储，或直接将数据通信传输至用户自定义服务端；本实施方式在数据采集端就完成通信协议的转换，数据采集后采用统一的通信协议，网络架构简单、可靠性高，能够实现传感器的即插即用，使拉索监测系统的服务端架构简单，通信协议轻量化；此外，本技术方案的集中器能够安装至拉索外部，例如通过壳体1下方两侧的安装孔10配合卡箍，将集中器固定在拉索的外环，将多种传感器的数据线接入集中器的接口组件，相对现有技术中每个传感器对应一个采集、传输、通信终端的方案，容易布线、更安全可靠。

上述实施方式示例性的示出了包括四种传感器及四个接口的具体工况，在其他实施方式或实际应用中，还可以应用在两种、三种或四种以上的传感器工况，则根据传感器的数量设置对应的接口。

另一实施方式，在上述实施方式基础上，所述接口组件3的接口数量为1个，采用485总线，可以一个接口同时连接两个以上传感器，本实施方式以8个引脚的接口同时连接1个温湿度传感器和2个积水传感器为例进行说明，每个引脚的定义如下：

此外，还可以通过8个引脚的接口同时连接两个以上相同的传感器，例如同时连接两个温湿度传感器，每个引脚的定义如下：

再通过每个引脚对应的传感器，来存储或传输采集的数据。上述实施方式仅列举个别示例，每个引脚对应的传感器类型在此不做限定。

另一实施方式，为了满足偏远地区等供电困难的智能拉索使用本发明的集中器，集中器还包括太阳能板4和设置与壳体1内部的电源模块5，其中太阳能板4用于为电源模块5充电，电源模块5用于为集中器的零部件供电。

优选的一种实施方式，在上述实施方式的基础上，电源模块5包括锂电池51、及MPPT充电控制器52，所述MPPT充电控制器52用于将太阳能板4转换的电量补充至锂电池51。考虑到设备工作场景情况，采用锂电池51与光伏取电相结合的方式设计供电系统进行供电，通过电源模块5可为集中器提供统一的电压输入；

具体的，电源模块5以锂电池51作为主要储能及供电部件，锂电池51通过与其固定连接的散热板与壳体1内部固定连接，具体可采用螺栓、卡扣、胶粘、磁吸等方式，通过12V聚合物锂电池51为设备供电，同时不间断地利用太阳能板4，通过MPPT充电控制器52为锂电池51进行补能，通过MPPT充电控制器52实现将太阳能板4转换的电量补充至12V锂电池51，从而保障集中器长时间稳定运行；MPPT充电控制器52自带电池输出欠压保护(欠压状态确定条件为输出电压小于或等于9V，并且延时10秒)、电池端短路保护、负载短路保护、温度保护、防倒流保护及IP67级的防水保护；MPPT充电控制器52采用MPPT(Maximum power pointtracking)技术跟踪算法，该算法效率高达99％，相比普通PWM算法，效率提高了15％～20％，对能源的利用程度高，实现绿色能源的充分利用；

电源模块5还包括MP1584EN DC-DC电源管理芯片，将锂电池输出的12V直流电通进行整流，并提供给集中器中的用电部件，MP1584EN DC-DC电源管理芯片最大输出电流为3A，转换效率达96％；锂电池引出两组线，一组接负载(即集中器的用电部件)，另一组贯穿壳体1引至外接太阳能板4，用以获取能量以补充锂电池51；

优选的一种实施方式，在上述实施方式的基础上，针对锂电池51存储的电量有限、部分工况不易更换等问题，在电源模块5中设计了低电量保护机制，从而实现当电量低于下限值时，对进入低电量保护模式，低电量保护模式即为断开电池与负载端连接的导电回路；即当电池电量低于某一低阈值时，集中器仅有为锂电池充电的工作，直至通过太阳能板4为电池提供足够的能源(等待电池电量充至某一高阈值)，然后集中器才会进入到正常工作模式，其中低阈值和高阈值可以由用户配置，并且可选开启或者关闭该功能；此设计确保了即使突发情况，设备也能在长期保活，增加了监控系统的可靠性，减少了需要对设备电池进行更换的可能。

优选的一种实施方式，为了提高集中器的防水性能，在上述实施方式的基础上，集中器的壳体1设置有向外延伸的防水盖11，接口组件3安置于壳体1的同一侧，并位于防水盖11的下方。

本发明提供一种智能拉索集中器，在数据采集端就完成通信协议的转换，数据采集后采用统一的通信协议，网络架构简单、可靠性高，能够实现传感器的即插即用，使拉索监测系统的服务端架构简单，通信协议轻量化；并且能够安装至拉索外部，将多种传感器的数据线接入集中器的接口组件3，相对现有技术中每个传感器对应一个采集、传输、通信等终端的方案，结构简单、容易布线、更安全可靠。