一种基于UWB的位移监测系统
技术领域
本实用新型属于形变监测技术领域，尤其是一种基于UWB的位移监测系统。
背景技术
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。
发明内容
本实用新型的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于UWB的位移监测系统。
本实用新型采用的技术方案如下：
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。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
本实用新型实现了基于UWB的位移监测，由于本实用新型采用了UWB技术，相比采用GNSS的技术，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。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本实用新型实施例1的基于UWB的位移监测系统的原理图。
图2为本实用新型实施例1的基站和监测点的结构示意图。
图3为本实用新型实施例1的中控站的结构示意图。
图4为本实用新型实施例1的基于UWB的位移监测系统的工作原理流程框图。
图5为本实用新型实施例1的基于UWB的位移监测系统的另一工作原理流程框图。
图6为本实用新型实施例2的基站和监测点的结构示意图。
图7为本实用新型实施例2的中控站的结构示意图。
图8为本实用新型实施例3的中控站的结构示意图。
图9为本实用新型实施例4的中控站的结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
以下结合实施例对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
如图1所示本实施例提供的一种基于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(CS)、多个基站(BS)和多个监测点(MS)；所述基站和监测点统称为设备，每个设备具有唯一的ID号(例如按1,2,…,N为每个设备编号)；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。
如图2所示，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。所述第一UWB天线、第一UWB 芯片和第一MCU用于实现每个设备收发UWB信号。
如图3所示，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。所述第二UWB天线、第二UWB芯片和第二MCU用于实现所述中控站收发UWB信号。
其中，所述中控站和每个所述设备还包括可选装的定位模块，所述定位模块与MCU连接，用于监测中控站或设备的定位信息。也就是说，所有设备中，可以每个设备均带有定位模块，可以每个设备均不带有定位模块，也可以部分设备带有定位模块。
如图4所示，利用所述基于UWB的位移监测系统进行位移监测的工作原理如下：
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；
具体地，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(基站和监测点)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(即接收到的搜寻UWB信号其中的ID 号与自身的ID号一致)，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(一般取3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。也就是说，经过步骤1生成的状态表，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，并且，将该状态表通过网络发送至服务端，由服务端实现远程监视系统状态。
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；
具体地，步骤2的过程为：
(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。
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；
本实施例中，所述位移监测工作表的每一行表示进行测距的一对基站和监测点，如表1所示。
表1，位移监测工作表：
从表中可以看出，一个基站可以对应多个监测点，一个监测点也可以对应多个基站。需要说明的是，基站ID和监测点ID在同一行中不能相同，即不能自己测量自己。
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；
由于UWB信号的受干扰性，在中控站广播UWB测量配置信号时，对应的设备可能无法收到UWB测量配置信号，导致不能进入工作模式。由此，本实施例设定一个重发机制来保证通信的稳定，具体地，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(一般取3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。
通过步骤401-405可以得到的测距数据即是位移监测工作表中，每一对在线设备的测距数据。
具体的，每一对基站和监测点进行测距的过程包括如下步骤：
步骤411，监测点广播第一UWB测量信号给基站，并记录第一UWB测量信号发送时间为Ta；
步骤412，基站接收到第一UWB测量信号并等待Da时间后，广播第二UWB 测量信号给监测点，并记录第二UWB测量信号发送时间为Tb；
步骤413，监测点接收到第二UWB测量信号后记录此刻的时间Tc，并在等待Db时间后，广播第三UWB测量信号给基站；
步骤414，基站接收到第三UWB测量信号后记录此刻的时间Td；
步骤415，计算基站和监测点之间的距离为：
其中，DBS-MS为基站和监测点之间的距离，C为光速，计算得到的基站和监测点之间的距离即为该对基站和监测点的测距数据。
或者，每一对基站和监测点进行测距的过程包括如下步骤：
步骤411，监测点广播第一UWB测量信号给基站，并记录第一UWB测量信号发送时间为Ta；
步骤412，基站接收到第一UWB测量信号并等待Da时间后，广播第二UWB 测量信号给监测点，并记录第二UWB测量信号发送时间为Tb；
步骤413，监测点接收到第二UWB测量信号后记录此刻的时间Tc，并在等待Db时间后，广播第三UWB测量信号给基站；
步骤414，基站接收到第三UWB测量信号后记录此刻的时间Td；
步骤415，计算基站和监测点之间的距离为：
其中，DBS-MS为基站和监测点之间的距离，C为光速；
步骤416，重复执行n次步骤411-415的过程，得到n个基站和监测点之间的距离，并将n个基站和监测点之间的距离的平均值作为该对基站和监测点的测距数据：
其中，
又或者，每一对基站和监测点进行测距的过程包括如下步骤：
步骤411，监测点广播第一UWB测量信号给基站，并记录第一UWB测量信号发送时间为Ta；
步骤412，基站接收到第一UWB测量信号并等待Da时间后，广播第二UWB 测量信号给监测点，并记录第二UWB测量信号发送时间为Tb；
步骤413，监测点接收到第二UWB测量信号后记录此刻的时间Tc，并在等待Db时间后，广播第三UWB测量信号给基站；
步骤414，基站接收到第三UWB测量信号后记录此刻的时间Td；
步骤415，计算基站和监测点之间的距离为：
其中，DBS-MS为基站和监测点之间的距离，C为光速；
步骤416，重复执行n次步骤411-415：其中，取m次得到的m个基站和监测点之间的距离并从小到大排序，取其中的中位值(即排序后的第
其中，abs表示绝对值运算，
进一步地，步骤4中，服务端可以随时更改位移监测工作表，更改后的位移监测工作表发送至中控站；所述中控站在接收到新的位移监测工作表后，会先完成现有的位移监测工作表，然后再按照新的位移监测工作表进行工作。
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。
具体地，服务端收到位移监测工作表中每一对在线设备的测距数据后，将测距数据存入数据库，并同时将测距数据送入卡尔曼滤波器；由卡尔曼滤波器根据基站的定位信息和测量数据，解算出监测点的三维坐标；所述监测点的三维坐标，以及中控站和各设备的定位信息也存储在数据库中；其中，服务端可以通过中控站和各设备的定位信息快速知晓其位置，便于维护和监测设备安全。
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。也就是说，随着监测时间推移，测距数据和监测点的三维坐标会产生变化，由此生成的位移变化图可直观地观察到监测点的位移情况。
经过上述步骤1-6，利用本实施例的基于UWB的位移监测系统实现了基于 UWB的位移监测，由于本实用新型采用了UWB技术，相比采用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。
另外，如图5所示，本实施例的基于UWB的位移监测系统，还可以实现突发位移监测的功能；所述突发位移监测的过程包括如下步骤：
步骤701，服务端监测到某个监测点的位移超过设定的位移阈值或位移速度 (位移速度指前后两次测距数据除以两次测量时间差得到的结果)超过设定的位移速度阈值时，配置一个突发位移监测工作表(初始为空)并下发至中控站；
本实施例中，所述突发位移监测工作表如表2所示。
通过表2可知，所述突发位移监测工作表中包括已监测到位移或位移速度超过相应阈值的监测点，以及与这些监测点相关的测量组合(即与测距数据对应的基站)，还包括测量周期，该测量周期小于原始位移监测工作表中的测量周期。
步骤702，中控站收到该突发位移监测工作表后，按照如下公式计算出一个 i值：
其中，round表示四舍五入运算，X表示原始的位移监测工作表中的测量周期，Y表示突发位移监测工作表中的测量周期；
步骤703，中控站按照步骤4的方法循环工作i轮后，接着按照原始的位移监测工作表工作1次，之后再按照突发位移监测工作表循环工作i轮；如此往复，直到服务端下发一个空的突发位移监测工作表到中控站；则中控站回到原始的位移监测工作表的工作状态。通过此种方法可以实现对重要的监测点加强监测密度。
实施例2
由于中控站、基站和监测点常在野外，多处于无市电区域，本实施例中，如图6、7所示，所述第一供电单元和第二供电单元均包括太阳能板、电池和电量监测模块；其中，所述太阳能板和电池相连接，用于为中控站或设备供电；所述电量监测模块与中控站或设备的MCU连接，用于中控站或设备的监测电池电量信息。
基于上述设置，本实施例的基于UWB的位移监测系统，还可以实现节电工作的功能；所述节电工作的方法包括如下步骤：
步骤801，基站和监测点通过其电量监测模块监测电池电量信息，并将电池电量信息随测距数据一起通过UWB信号发送至中控站；
步骤802，中控站通过其电量监测模块监测电池电量信息，并将其电池电量信息，以及基站和监测点的电池电量信息通过网络发送至服务端；
其中，所述服务端在显示位移变化图的同时也显示电池电量信息；
步骤803，服务端实时接收中控站、基站和监测点的电池电量信息，并将电池电量信息与预设电量阈值比较：
当电池电量信息低于预设电量阈值时，服务端则降低位移监测工作表中相应的测量周期，使相应的中控站、基站或监测点处于节能工作模式，以保证设备在低于某电量状态下同样能工作；
当处于节能工作模式的中控站、基站或监测点的太阳能板将电池电量充回特定值，服务端自动将位移监测工作表中相应的测量周期调回至原始的测量周期，使位移监测系统按照正常情况工作。
通过设置上述节能工作功能，可以使得位移监测系统持续长久地工作而不会间断。
实施例3
如图8所示，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(如温度传感器、湿度传感器等)，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；所述服务端在显示位移变化图的同时也显示降雨信息以及其他环境信息。通过对监测点采集降雨信息以及其他环境信息，可以用于辅助用户判断位移变化，例如当用户发现某个时间段某个监测点的位移速度加快，同时观察其降雨信息和环境信息发现该时间段有明显的降雨，则用户可以判断需要对该监测点进行防水加固处理。
实施例4
如图9所示，在上述实施例的实际应用中，为了保障测距流程的连续性和稳定性，第二MCU可以采用两个相连接的MCU实现，其中一个MCU用于依次连接UWB芯片和UWB天线，以实现UWB信号的收发，另一个MCU用于连接电量监测模块、定位模块、网络通信模块、雨量监测模块和其他环境监测设备，以实现相应功能的控制和数据处理。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
