一种地质灾害监测设备及其供电方法与流程

1.本发明涉及电气设备技术领域，具体涉及一种地质灾害监测设备及其供电方法。


背景技术：

2.普适型地质灾害监测设备主要是用于威胁人数10人以下或威胁资产100万以内的灾害险情监测，具有功能适用、低成本、低功耗、安装便捷及云端协同管理等特点。
3.现有技术中，普适型地质灾害监测设备多为一体化设备，将传感器、数据采集、数据传输以及供电等集成，以便于野外实施安装。由于野外环境和设备本身诸多限制，采用的太阳能和电池组合供电单元一般电能较小，尤其是提供瞬时大功率供电的能力较差。然而在实际应用中，由于通信环境以及测量方法等原因，普适型地质灾害监测设备需要包含如北斗通信、雷达收发、gnss等多种大功率模块，仅使用太阳能和电池组合供电常常无法满足供电要求。
4.因此，如何提出一种地质灾害监测设备，能够保障对大功率模块的供电需要，以提高设备的可靠性成为本领域需要解决的重要课题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的问题，本发明实施例提供一种地质灾害监测设备及其供电方法，能够至少部分地解决现有技术中存在的问题。
6.一方面，本发明提出一种地质灾害监测设备，包括太阳能板、第一充电控制器、蓄电池、第一功率模块、第二充电控制器、至少两个储能单元和第二功率模块，其中：
7.所述太阳能板与所述第一充电控制器相连，所述第一充电控制器分别与所述蓄电池、所述第二充电控制器和所述第一功率模块相连，所述蓄电池分别与所述第一功率模块和所述第二充电控制器相连，所述第二充电控制器通过第一开关单元与每个储能单元相连，每个储能单元通过第二开关单元与所述第二功率模块相连；其中，所述第一功率模块包括处理器，所述处理器分别与所述第一开关单元和所述第二开关单元相连。
8.其中，所述第一功率模块还包括温度传感器和存储器，所述处理器分别与所述温度传感器和所述存储器相连。
9.其中，所述第二功率模块包括通信单元、雷达、图像采集器和红外线传感器中的至少一个。
10.其中，所述通信单元为北斗通信单元。
11.其中，所述地质灾害监测设备包括两个储能单元。
12.其中，所述储能单元采用超级电容。
13.其中，所述蓄电池采用锂电池。
14.其中，所述处理器采用微控制单元。
15.另一方面，本发明提供一种供电方法，应用于上述任一实施例所述的地质灾害监测设备，包括：
16.处理器若获知周期任务启动，则通过第一充电控制器触发蓄电池对第一功率模块进行供电使所述第一功率模块进行第一周期子任务；
17.所述处理器检测各个储能单元的电量状况，控制电量最充足的一个储能单元对第二功率模块进行供电使所述第二功率模块进行第二周期子任务。
18.其中，本发明实施例提供的供电方法还包括：
19.所述处理器若判断获知对所述第二功率模块供电的储能单元电量不足，则切换对所述第二功率模块供电的存储单元并对电量不足的储能单元进行充电。
20.本发明实施例提供的地质灾害监测设备及其供电方法，包括太阳能板、第一充电控制器、蓄电池、第一功率模块、第二充电控制器、至少两个储能单元和第二功率模块，太阳能板与第一充电控制器相连，第一充电控制器分别与蓄电池、第二充电控制器和第一功率模块相连，蓄电池分别与第一功率模块和第二充电控制器相连，第二充电控制器通过第一开关单元与每个储能单元相连，每个储能单元通过第二开关单元与第二功率模块相连，第一功率模块包括处理器，处理器分别与第一开关单元和第二开关单元相连，通过多个储能单元交替对第二功率模块供电，能够满足大功率电子器件的供电需求，提高了地质灾害监测设备的可靠性。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。在附图中：
22.图1是本发明一实施例提供的地质灾害监测设备的结构示意图。
23.图2是本发明另一实施例提供的地质灾害监测设备的结构示意图。
24.图3是本发明一实施例提供的供电方法的流程示意图。
25.图4是本发明另一实施例提供的供电方法的流程示意图。
26.附图标记说明：
27.1-太阳能板；2-第一充电控制器；3-蓄电池；4-第一功率模块；
28.5-第二充电控制器；6-储能单元；7-第二功率模块；41-处理器；
29.42-温度传感器；43-存储器。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
31.图1是本发明一实施例提供的地质灾害监测设备的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的地质灾害监测设备，包括太阳能板1、第一充电控制器2、蓄电池3、第一功率模块4、第二充电控制器5、至少两个储能单元6和第二功率模块7，其中：
32.太阳能板1与第一充电控制器2相连，第一充电控制器2分别与蓄电池3、第二充电
控制器5和第一功率模块4相连，蓄电池3分别与第一功率模块4和第二充电控制器5相连，第二充电控制器5通过第一开关单元8与每个储能单元6相连，每个储能单元通过第二开关单元9与第二功率模块7相连；其中，第一功率模块4包括处理器41，处理器41分别与第一开关单元8和第二开关单元9相连。处理器41通过控制第一开关单元8和第二开关单元9，使每个储能单元6接入充电线路或者供电线路，当储能单元6接入充电线路时，可以通过太阳能板1或者蓄电池3对储能单元6进行充电，当储能单元6接入供电线路时，储能单元6可以对第二功率模块7进行供电。
33.具体地，太阳能板1用于为蓄电池3和各个储能单元6充电，蓄电池3用于为第一功率模块4供电和给各个储能单元6充电。第一充电控制器2用于控制蓄电池3充电，在蓄电池3的充电过程中对蓄电池3的充电状态进行监测，还可以对蓄电池3起到充电保护的作用。第一功率模块4可以包括处理器、温度传感器、加速度传感器和存储器等小功率电子器件，根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。第一功率模块4包括的电子器件不存在瞬间消耗电流较大的电路。储能单元6用于对第二功率模块7进行供电，处理器41通过控制第一开关单元8和第二开关单元9实现多个储能单元6轮流为第二功率模块7供电。第二充电控制器5用于控制每个储能单元6充电，在每个储能单元6的充电过程中对每个储能单元6的充电状态进行监测，还可以对每个储能单元6起到充电保护的作用。第二功率模块7可以包括通信单元、雷达、图像采集器和红外线传感器等大功率电子器件，根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。第二功率模块7包括的电子器件存在瞬间消耗电流较大的电路。
34.所述地质灾害监测设备在实际工作中，可以存在三种供电状态：空闲状态、第一供电状态和第二供电状态。在空闲状态下，所述地质灾害监测设备处于休眠模式，各个电子器件进入低功耗或者断电状态，处理器41会进入休眠状态，此时太阳能板1可以为蓄电池3和各个储能单元6进行充电，以充满蓄电池3和各个储能单元6的电能，使蓄电池3和各个储能单元6处于满电状态。在第一供电状态下，蓄电池3为第一功率模块4供电，此时各个储能单元6可以不工作，处于满电状态。在第二供电状态下，蓄电池3为第一功率模块4供电，同时处理器41通过控制第一开关单元8和第二开关单元9实现各个储能单元6交替为第二功率模块7供电。其中，在各个储能单元6交替为第二功率模块7供电过程中，某个储能单元6的电量不足，处理器41可以控制蓄电池3为电量不足的储能单元6进行充电。处理器41通过控制第一开关单元8和第二开关单元9实现一个储能单元6为第二功率模块7供电，其余储能单元6处于充电态或者空闲态。由于所述地质灾害监测设备在实际工作中，处于休眠模式的时间较长，在周期任务的期间有足够的时间将蓄电池3和各个储能单元6充满电。
35.本发明实施例提供的地质灾害监测设备，包括太阳能板、第一充电控制器、蓄电池、第一功率模块、第二充电控制器、至少两个储能单元和第二功率模块，太阳能板与第一充电控制器相连，第一充电控制器分别与蓄电池、第二充电控制器和第一功率模块相连，蓄电池分别与第一功率模块和第二充电控制器相连，第二充电控制器通过第一开关单元与每个储能单元相连，每个储能单元通过第二开关单元与第二功率模块相连，第一功率模块包括处理器，处理器分别与第一开关单元和第二开关单元相连，通过多个储能单元交替对第二功率模块供电，能够满足大功率电子器件的供电需求，提高了地质灾害监测设备的可靠性。此外，通过蓄电池对第一功率模块进行供电，并且通过储能单元对第二功率模块供电，避免大功率电子器件瞬时大电流对小功率电子器件的影响，提高了地质灾害监测设备的供
电稳定性。
36.图2是本发明另一实施例提供的地质灾害监测设备的结构示意图，如图2所示，在上述各实施例的基础上，进一步地，第一功率模块4还包括温度传感器42和存储器43，处理器41分别与温度传感器42和存储器43相连。温度传感器42用于采集温度数据，处理器41可以将采集到的温度数据存储到存储器43。
37.在上述各实施例的基础上，进一步地，第二功率模块7包括通信单元、雷达、图像采集器和红外线传感器中的至少一个。所述通信单元可以采用移动通信单元或者卫星通信单元。图像采集器可以采用摄像头。
38.在上述各实施例的基础上，进一步地，所述通信单元为北斗通信单元，可以将采集到的数据上传。
39.在上述各实施例的基础上，进一步地，所述地质灾害监测设备包括两个储能单元6，两个储能单元6可以实现对第二功率模块7的交替供电，一个储能单元6在对第二功率模块7进行供电时，另一个储能单元6可以进行充电，从而可以实现持续为第二功率模块7供电。
40.在上述各实施例的基础上，进一步地，储能单元6采用超级电容。
41.在上述各实施例的基础上，进一步地，蓄电池3采用锂电池。
42.在上述各实施例的基础上，进一步地，处理器41采用微控制单元(microcontroller unit，简称mcu)，mcu又称为单片机。
43.图3是本发明一实施例提供的供电方法的流程示意图，如图3所示，本发明实施例提供的供电方法，应用于上述任一项实施例所述的地质灾害监测设备，包括：
44.s301、处理器若获知周期任务启动，则通过第一充电控制器触发蓄电池对第一功率模块进行供电使所述第一功率模块进行第一周期子任务；
45.具体地，所述地质灾害监测设备会设置定期启动的周期任务，处理器如果获知周期任务启动，那么会通过第一充电控制器触发蓄电池对第一功率模块进行供电，所述第一功率模块在获得供电之后，所述地质灾害监测设备处于第一供电状态，所述第一功率模块会进行第一周期子任务。其中，所述第一周期子任务根据实际需要进行设置，例如进行数据采集，本发明实施例不做限定。可理解的是，所述地质灾害监测设备在不执行所述周期任务的期间，可以处于休眠模式，所述地质灾害监测设备的供电状态为空闲状态。
46.s302、所述处理器检测各个储能单元的电量状况，控制电量最充足的一个储能单元对第二功率模块进行供电使所述第二功率模块进行第二周期子任务。
47.具体地，在所述第一功率模块完成第一周期子任务之后，所述处理器会检测各个储能单元的电量状况，通过所述第一开关单元和第二开关单元控制电量最充足的一个储能单元为第二功率模块进行供电，所述第二功率模块在获得供电之后，所述地质灾害监测设备处于第二供电状态，所述第二功率模块会进行第二周期子任务。其中，所述第二周期子任务根据实际需要进行设置，例如进行数据发送，本发明实施例不做限定。可理解的是，如果各个储能单元中有至少两个储能单元的电量状况都相同，例如都是100％，那么可以随机选择一个储能单元为所述第二功率模块供电。
48.本发明实施例提供的供电方法，处理器在获知周期任务启动之后，通过第一充电控制器触发蓄电池对第一功率模块进行供电使第一功率模块进行第一周期子任务，处理器
检测各个储能单元的电量状况，控制电量最充足的一个储能单元对第二功率模块进行供电使第二功率模块进行第二周期子任务，通过蓄电池对第一功率模块，并且通过储能单元对第二功率模块供电，避免大功率电子器件瞬时大电流对小功率电子器件的影响，提高了地质灾害监测设备的供电稳定性。
49.图4是本发明另一实施例提供的供电方法的流程示意图，如图4所示，在上述各实施例的基础上，进一步地，本发明实施例提供的供电方法还包括：
50.s303、所述处理器若判断获知对所述第二功率模块供电的储能单元电量不足，则切换对所述第二功率模块供电的存储单元并对电量不足的储能单元进行充电。
51.具体地，所述储能单元在对所述第二功率模块供电的过程中，第二充电控制器会将供电的储能单元的剩余电量上报给所述处理器，所述处理器会将供电的储能单元的剩余电量与供电电量阈值进行比较，如果剩余电量小于所述供电电量阈值，表明供电的储能单元的电量不足，所述处理器会从其余的储能单元中选择一个电量充足的储能单元，然后控制所述第一开关单元和所述第二开关单元，将对所述第二功率模块供电的存储单元由电量不足的储能单元切换为电量充足的储能单元，并对电量不足的储能单元进行充电。其中，所述供电电量阈值根据实际经验进行设置，例如设置为10％，本发明实施例不做限定。
52.本发明实施例提供的供电方法，通过多个储能单元交替对第二功率模块供电，能够满足大功率电子器件的供电需求，提高了地质灾害监测设备的可靠性。
53.下面以一个具体的实施例来说明本发明实施例提供的地质灾害监测设备的结构组成。太阳能板1采用5.5v和3w规格的太阳能板。第一充电控制器2使用cn3082芯片。蓄电池3采用3.7v和20ah的锂电池，锂电池的工作电压为2.5～4.2v。第一功率模块4包括mcu、温度传感器和存储器。第二充电控制器5采用cn3125芯片。采用两个储能单元6，储能单元6采用超级电容。第一开关单元8和第二开关单元9分别采用两个单刀双掷(spdt)开关，每个储能单元6的输入端接一个spdt开关，每个储能单元6的输出端接一个spdt开关。第二功率模块7包括北斗通信单元。
54.cn3125芯片限制两个超级电容的充电电流最大为1a，超级电容充电与放电效率为90％。所述北斗通信单元工作时存在两种供电状态，分别是电流3a持续10s的供电状态和电流600ma持续30s的供电状态。所述北斗通信单元在一次工作过程中，最多有3个工作周期，每个工作周期间隔为1分钟。
55.所述北斗通信单元，在工作中首先发送数据，此时为电流3a持续10s的供电状态，由超级电容供电。数据发射完成后转为数据接收状态，此时为电流600ma持续30s的供电状态，依然由超级电容供电。如果在数据接收状态没有接收到回复信息，表明数据发送失败。所述北斗通信单元将数据发送失败的信息反馈给所述mcu，所述mcu在一分钟之后会指示所述北斗通信单元重新发送数据，直到所述北斗通信单元接收到反馈信息或者所述北斗通信单元已经发送过三次数据。
56.所述北斗通信单元单个工作周期的耗电量为3a
×
10s 0.6a
×
30s＝0.013ah，当一个超级电容为所述北斗通信单元供电时，另一个超级电容进行充电，在所述北斗通信单元的单个工作周期，超级电容补充电量为1a
×
60s
×
90％＝0.015ah，也就是说超级电容补充的电量能够满足所述北斗通信单元的单个工作周期的消耗，在两个超级电容交替供电的情况下，能够保证所述北斗通信单元多个工作周期的耗电需求。
57.下面一个具体的实施例来说明上述实施例提供的地质灾害监测设备的供电过程。
58.第一步、所述地质灾害监测设备上电进行初始化，在初始化完成后，由于没有到达周期任务的启动时间。所述地质灾害监测设备的供电状态为空闲状态，所述地质灾害监测设备处于休眠模式，所述地质灾害监测设备的mcu、温度传感器和存储器进入低功耗状态，太阳能板对蓄电池和两个超级电容进行充电。其中，在没有进行周期任务的时候，所述地质灾害监测设备的供电状态为空闲状态。当蓄电池的电量低于10％时，所述地质灾害监测设备的供电状态也会变为空闲状态。
59.第二步：mcu检测是否到达周期任务启动时间，如果到达周期任务启动时间，所述地质灾害监测设备的供电状态为第一供电状态，mcu会通过第一充电控制器触发蓄电池对mcu、温度传感器和存储器进行供电，使mcu、温度传感器和存储器正常工作。
60.第三步、所述温度传感器会采集温度数据，并将温度数据传输给mcu，mcu会将采集到的温度数据存储到所述存储器中。mcu会判断所述温度数据是否需要通过北斗通信单元进行发送，如果需要，那么进入第四步；如果此次不发送，那么进入第八步。
61.第四步、mcu检测两个超级电容的电量状况，然后选择一个电量充足的超级电容，通过控制电量充足的超级电容的输入端spdt开关和输出端spdt开关，断开电量充足的超级电容的充电线路并打开电量充足的超级电容的供电线路，使电量充足的超级电容对北斗通信单元进行供电，所述地质灾害监测设备处于第二供电状态。而对另一个超级电容，通过控制另一个超级电容的输入端spdt开关和输出端spdt开关，断开另一个超级电容的供电线路并打开另一个超级电容的充电回路，对另一个超级电容进行充电。cn3125芯片会检测另一个超级电容的充电状态，当另一个超级电容充满电时，cn3125芯片会使充电线路断开，使得另一个超级电容停止充电。
62.第五步、所述北斗通信单元接收mcu传输的温度数据，并发送所述温度数据，此时超级电容为所述北斗通信单元提供3a电流并持续10s。所述北斗通信单元在数据发射完成后转为数据接收状态，此时超级电容为所述北斗通信单元提供600ma电流并最长持续30s。如果所述北斗通信单元没有收到回复信息，表明温度数据发送失败，会进入到第六步。如果所述北斗通信单元接收到回复信息，表明温度数据发送成功，会进入到第七步。
63.第六步、所述北斗通信单元将发送失败信息传输给mcu，mcu接收到发送失败信息后，会判断这是第几次发送失败，如果发送失败次数不等于3，那么确定要重新发送数据，会在1分钟后，重复第四步。如果发送失败次数等于3，说明目前通信条件不是很好，会等下次周期任务启动之后再发送温度数据，进入到步骤八。
64.步骤七：所述北斗通信单元将发送成功信息传输给mcu，mcu会控制当前给所述北斗通信单元供电的超级电容的供电线路断开并且打开充电线路，所述北斗通信单元处于断电状态。
65.步骤八：此次周期任务结束，mcu会通过第一充电控制器触发蓄电池对mcu、温度传感器和存储器减少供电，使mcu、温度传感器和存储器进入低功耗状态。所述地质灾害监测设备进入到休眠模式，供电状态为空闲状态。
66.本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机
可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
67.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
68.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
69.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
70.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
71.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。