一種山體裂縫遠程監測裝置的製作方法
2023-05-28 10:38:51
專利名稱：一種山體裂縫遠程監測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及山體裂縫監測技術領域，特別涉及一種高精度、遠程、節能的山體裂縫
監測裝置。
背景技術：
對山體裂縫監測是一種常用的地質災害監測手段。對於山體裂縫的監測重點是裂 縫本身的張合情況，也即裂縫的變形，其最大特點在於一是裂縫變形緩慢，有的幾個小時 甚至幾天才有變化；二是監測條件差，一般沒有市電接入；三是現場監測比較危險；四是監 控中心與災害現場相距甚遠，有線監測受限。 目前的監測方法主要包括一、人工現場定期測量，即在被監測裂縫的兩側(與裂 縫開裂方向垂直)安裝兩個定位樁，在定位樁上各固定一個監測杆(一般用細鐵釘)，定期 用皮尺直接測量此監測杆之間的絕對位移值。根據監測現場的雨季分布、地質條件、人力物 力等綜合考慮，一般測量間隔為1 5天不等。二、 GPS監測技術，即通過在被監測點上安 裝GPS設備，通過獲取位置坐標來反映裂縫變化情況，此法一般只用於大範圍定點測量，且 成本高，受監測點周圍覆蓋物影響較大。此外，對一個被監測山體的裂縫監測，往往選取幾 個關鍵監測點，要求測量的位移信息儘可能準確，而採用一般的簡易測量方法如紅外測量 法等無法滿足實際監測的精度要求。 目前針對山體裂縫監測的幾個不足之處主要集中在一、自動化程度不高，人工現 場監測不僅危險，而且費時費力。二、測量精度不夠高，不能滿足分析決策需求。三、數據採 集節點耗能較高，一般需要配備大容量蓄電池或採用價格較高的太陽能供電方案。因此，一 種高精度、低功耗、無人值守的自動監測裝置急需研製出來。
發明內容
本發明公開了一種山體裂縫遠程監測裝置，該裝置可實現遠距離監控山體裂縫， 並由於其低功耗而能保持長效性。 為了達到上述效果，本發明採用如下技術方案一種山體裂縫遠程監測裝置，該裝 置由傳感器節點和監控主機組成； 傳感器節點由傳感器、信號調理電路、單片機控制電路、遠程數據收發電路一、電 源模塊、啟動定時器組成，傳感器、信號調理電路、單片機控制電路、遠程數據收發電路一依 次連接，電源模塊分別與傳感器、信號調理電路、單片機控制電路、遠程數據收發電路一連 接，啟動定時器與單片機控制電路連接； 傳感器為電阻型拉杆式位移傳感器，一端固定一端可拉動伸縮，分別固定在被監
測的山體裂縫的兩側，實現山體裂縫信號非電量到電量的轉換； 信號調理電路將傳感器輸出的電信號進行濾波、幅度衰減、阻抗變換； 單片機控制電路用於實現山體裂縫信號的獲取、發送指令控制遠程數據收發電路
一的啟動和關閉、發送指令使傳感器節點進入停機時段、發送指令給電源模塊，並對信號調理電路的輸出信號進行模數轉換； 監控主機由遠程數據收發電路二、電平轉換電路、PC串口、監控主機電源系統組
成，並由PC上位機軟體系統進行控制，遠程數據收發電路二、電平轉換電路、PC串口依次連
接，監控主機電源系統分別與遠程數據收發電路二、電平轉換電路、PC串口連接； 電平轉換電路通過晶片SP3238將遠程數據收發電路二輸出的CM0S電平信號轉換
成PC串口所需的RS232電平信號，此信號通過PC串口輸入到PC上位機軟體系統； 監控主機與傳感器節點通過遠程數據收發電路二實現信息傳輸，接收來自傳感器
節點的信息，實現對山體裂縫的監測。 其中，所述傳感器節點為工作至停機的循環工作模式；單片機控制電路採用高速 SOC單片機C8051F350 ;啟動定時器用於控制傳感器節點進入工作時段；遠程數據收發電路 一和遠程數據收發電路二的GSM晶片均採用GC864-DUAL。 另夕卜，電源模塊由電池、電池電壓檢測電路、開關控制電路以及DC-DC電路組成， 該開關控制電路由第一電晶體8550、第二電晶體8050與P溝道VMOS管IRLML6302組成，並 由單片機的輸出口產生的高低電平控制。 本發明的有益效果是硬體上採用了信號調理電路對傳感器輸出信號進行預處 理，軟體上採用了數字濾波和曲線擬合算法，提高了數據採集的精度；通過GSM網絡進行信 息傳輸，可以遠距離監測；採用工作至停機的循環工作機制大大減少了能耗，保持了其長效 性。
圖1為本發明系統結構框圖；圖2為傳感器節點結構框圖；圖3為傳感器節點工作模式示意圖；圖4為監控主機結構框圖；圖5為信號調理電路電路原理圖；圖6為啟動定時器電路原理圖；圖7為遠程數據收發電路一電路原理圖；圖8為電池電壓檢測電路電路原理圖；圖9為開關控制電路電路原理圖；圖10為DC-DC電路電路原理圖；圖11為遠程數據收發電路二電路原理圖;圖12為監控主機電源系統電路原理圖；圖13為電平轉換電路電路原理圖；圖14為本發明中傳感器節點軟體流程圖。
具體實施例方式
為了使本發明更容易被理解，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說 明。 參閱圖l，一種山體裂縫遠程監測裝置，該裝置由傳感器節點和監控主機兩部分組成，並通過GSM網絡進行遠程數據傳輸，從而實現遠距離監測。 參閱圖2，傳感器節點由傳感器3、信號調理電路4、單片機控制電路1、遠程數據收 發電路一 6、電源模塊2、啟動定時器5組成，傳感器3、信號調理電路4、單片機控制電路1、 遠程數據收發電路一 6依次連接，電源模塊2分別與傳感器3、信號調理電路4、單片機控制 電路1、遠程數據收發電路一 6連接，啟動定時器5與單片機控制電路1連接。
參閱圖3，為了降低傳感器節點的平均工作電流，延長工作時間，傳感器節點採用 了間歇式工作方式，即在需要某模塊工作時才開啟電源為其供電，否則關閉電源，以節省電 能，即實行工作至停機循環控制。tl時間段為採集節點工作時段，t2為停機時段，tl與t2 之和記為一個工作周期T。傳感器節點在人工開機後，開始執行工作時段程序，在tl內完 成山體裂縫信號的數據採集與發送，隨後立即進入停機時段。而現代電子技術完全可以保 證tl較小， 一般在1分鐘以內；而根據裂縫變形的特點，t2取值在幾個小時左右，顯然有tl << t2，而傳感器節點在停機時段的工作電流在PA級，這樣就使傳感器節點具有極低的 平均電流，延長了傳感器節點的工作時間。 另外，傳感器節點中的傳感器3是電阻型拉杆式位移傳感器，其一端固定，另一端 可拉動伸縮，量程為0 700mm，滿量程等效電阻為10kQ ，線性度為±0. 05%，由電源模塊 2供電並固定於被監測的山體裂縫兩側，當山體裂縫變形時，傳感器3輸出與伸縮距離成正 比的直流電壓信號，從而實現山體裂縫信號從非電量到電量的轉換。 參閱圖5，信號調理電路4用於將傳感器3輸出的直流電壓信號進行適當的濾波、 幅度控制以及阻抗變換，以提高數據採集精度。按全量程計算，傳感器3輸出電壓範圍為 0 3. 3V。首先，採用LM358組成電壓跟隨器對傳感器3輸出信號進行緩衝，並用R12、R13 組成的電阻網絡對輸出信號的幅度進行1/2衰減，然後再用LM358組成同相電路進行信號 跟隨，與後端ADC輸入端進行阻抗匹配變換；採用R19、 C19組成的RC低通濾波器進行高頻 噪聲抑制；ADC採用了單端輸入方式，信號正端接單片機C8051F350的AINO. 0，負端接模擬 地AGND。 單片機控制電路1作為傳感器節點的核心，實現山體裂縫信號的獲取、發送指令 控制遠程數據收發電路一 6的啟動和關閉、發送指令使傳感器節點進入停機時段、發送指 令給電源模塊2的開關控制電路，以管理各模塊電源的啟動和關閉。單片機控制電路1選 用的是高速SOC單片機C8051F350，內部自帶24位ADC，對山體裂縫信號進行模數轉換，優 點是大大節省印製電路板的面積，使傳感器節點小型化。在單片機程序設計上，數據採集部 分採用了多次測量取平均值的方式對ADC輸出的數位訊號進行平滑濾波，並且針對不同規 格的傳感器3，採用了二次曲線擬合算法對傳感器3的線性度進行了優化，以提高裂縫數據 的採集精度。 另外C8051F350提供了低功耗電源管理機制，其在停機時段的工作電流小於 0. lyA，從而降低了傳感器節點的功耗，延長工作時間。 參閱圖3、圖6，啟動定時器5用於控制傳感器節點進入工作時段，當工作周期T時 間段到來時，產生一個復位信號使單片機控制電路1復位，進入工作時段。由於C8051F350 採用低電平復位，低電平持續時間要求至少15y s，因此由CD4060構成的分頻電路，對外 部石英晶體振蕩器Yl產生的頻率為32768Hz的方波信號進行分頻，分頻輸出的信號經過 R24、 C26組成的RC積分電路後以負向尖峰脈衝信號輸出，此尖峰脈衝信號經過CD4001組成的整形電路後以標準低電平脈衝信號MCU-RESET輸出，MCU-RESET連接到C8051F350的 復位引腳上。MCU-RESET信號的脈衝寬度由R24、 C26決定，具體關係式為脈衝寬度大約為 0. 7承R2扭C26(採用國際標準單位)；為了降低傳感器節點的功耗，選用了低功耗的CMOS芯 片CD4060、CD4001，採用5V供電時，單個晶片最大靜態電流分別為5 y A、0. 25 y A。另外，啟 動定時器5具有上電復位功能；工作周期T可以通過J2進行人工選擇，可選數值為2. 215 分鐘、4. 25分鐘、8. 5分鐘、34分鐘、68分鐘和136分鐘。 參閱圖7，遠程數據收發電路一6由GSM模塊、手機卡SM-UIM以及GSM啟動關閉控 制電路組成，為了減小體積，選用了目前市場上體積小、集成度高的GC864-DUAL模塊，選用 了中國移動通信集團公司推出的動感地帶手機卡。圖中數據接口 TXD、RXD為CM0S電平，直 接與單片機C8051F350的UART相連；由電晶體Q5、 Q6組成GC864-DUAL的啟動關閉控制電 路，當單片機C8051F350的輸出口 Pl. 4為低電平且持續時間在1 2秒之間時，GC864-DUAL 模塊將啟動，當Pl. 4為低電平且持續時間在2秒以上時GC864-DUAL模塊將關閉。
電源模塊2由電池、電池電壓檢測電路、開關控制電路以及DC-DC電路組成。其中， GC864-DUAL需要+3. 8V供電，傳感器3需要SV-3. 3V供電，C8051F350模擬電源需要AV-3. 3V 供電，C8051F350數字電源和啟動定時器需要DV-3. 3V供電。 其中，由4節鎳氫電池串聯連接成電池組供電，額定電壓為4. 8V，其中單節電池額 定電壓為1. 2V，容量為2400mAh。 參閱圖8至圖10，電池電壓檢測電路在每次工作時段開始時對電池電壓進行一次 數據採集，如果檢測值低於4. 6V則通過遠程數據收發電路一 6發送報警信息至監控主機， 提示監控室工作人員更換電池。圖8中電池電壓VBAT通過RP2、 R21組成的電阻網絡後幅 度衰減一半，並通過R50、 C30組成的RC低通濾波器濾除高頻噪聲，然後送入C8051F350的 ADC通道AINO. 2，進行模數轉換。 開關控制電路由電晶體Q3、Q4(型號為8550) 、Q2(型號為8050)與P溝道VMOS管 Ql(型號為IRLML6302)組成，由C8051F350的輸出口產生的高低電平控制，具體方式為在 工作時段開始時，單片機控制電路1通過軟體指令將C8051F350的輸出口 Pl. 1、 Pl. 2設置 為低電平，Pl. 3設置為高電平，打開AV-3. 3V、SV-3. 3V和+3. 8V電源，分別給C8051F350模 擬電源、傳感器3和GC864-DUAL供電，讓這三部分電路開始工作，共同完成山體裂縫的數據 採集與遠程發送；相反的，在停機時段開始時，分別用相反的電平信號關閉各模塊電源，以 節省電能。DC-DC電路中，採用LT1528CQ線性電壓轉換晶片產生GC864-DUAL所需的+3. 8V直 流電壓；採用低壓差穩壓晶片MAX1792產生單片機控制電路1所需的+3. 3V和DV_3. 3V直 流電壓，MAX1792的靜態損耗電流為80 ii A 250 ii A，極大的降低了傳感器節點的功耗。
參閱圖4、圖11至圖13，監控主機由遠程數據收發電路二11、電平轉換電路10、PC 串口 8、 PC上位機軟體系統7、監控主機電源系統9組成。 遠程數據收發電路二 11與遠程數據收發電路一 6的區別在於GSM模塊啟動關閉 電路由按鍵K1組成，由人工操作監控主機機箱前面板上的按鈕實現對GC864-DUAL的操作， 即按下Kl且持續時間在1 2秒之間時，GC864-DUAL模塊將啟動，當按下Kl且持續時間 在2秒以上時GC864-DUAL模塊將關閉；增加了工作狀態指示燈LED1、 LED2，當GC864-DUAL 註冊到網絡時，LED2常亮、LED1每3秒閃爍一次，而當GC864-DUAL關閉時，LED1、LED2均熄
6滅，這兩個指示燈均安裝在監控主機機箱前面板上。 監控主機電源系統9中，220V市電經過AC-DC模塊輸出5V直流電壓VI， VI經過 LT1528CQ後輸出+3. 8V直流電壓，作為遠程數據收發電路二 11的電源；+3. 8V直流電壓經 過XC6203線性穩壓器後輸出+3￥，作為電平轉換電路10的電源。 電平轉換電路10中，通過晶片SP3238將遠程數據收發電路二 11輸出的CMOS電 平信號轉換成PC串口所需的RS232電平信號，此信號通過PC串口輸入到PC上位機軟體系 統7。 PC上位機軟體系統7包括實時顯示界面與後臺管理資料庫兩部分，實時顯示界面 在Windows平臺下採用Visual C++工具開發，界面美觀，易於操作控制；資料庫採用SQL Anywhere 11工具開發。監控中心工作人員可以通過實時顯示界面查看當前時刻的山體裂 縫信息，也可以通過後臺管理資料庫查看歷史山體裂縫信息。 參閱圖14，監測裝置工作時，先人工合上傳感器節點的電源開關，傳感器節點上 電，單片機進行初始化。單片機的初始化包括單片機自身工作時鐘、輸出口方式、ADC工作 模式、串口的配置； 接著打開各模塊電源，執行電池電壓檢測程序，並根據電池電壓檢測程序的結果 判斷是否發送電池電壓報警簡訊，特別地將報警電壓設定為4. 6V，目的是為了保證在低電 壓報警至新電池更換期間還能夠進行完整的裂縫數據採集，當電池電壓低於4. 6V時，發送 報警簡訊； 採集裂縫數據，執行裂縫數據採集程序，採用10次重複測量然後取平均值的方式 進行數字濾波，並且每次測量結果均代入傳感器3的輸出二次曲線擬合公式中，從而提高 數據採集的精度； 啟動GSM模塊，發送裂縫數據信息；關閉GSM模塊，關閉各電源模塊供電，執行單片 機的休眠指令，從而降低傳感器節點的功耗。 當再次進入工作時段時，啟動定時器5輸出一個復位信號給單片機，從而再次開 始上述循環。
權利要求
一種山體裂縫遠程監測裝置，其特徵在於該裝置由傳感器節點和監控主機組成；傳感器節點由傳感器、信號調理電路、單片機控制電路、遠程數據收發電路一、電源模塊、啟動定時器組成，傳感器、信號調理電路、單片機控制電路、遠程數據收發電路一依次連接，電源模塊分別與傳感器、信號調理電路、單片機控制電路、遠程數據收發電路一連接，啟動定時器與單片機控制電路連接；傳感器為電阻型拉杆式位移傳感器，一端固定一端可拉動伸縮，分別固定在被監測的山體裂縫的兩側，實現山體裂縫信號非電量到電量的轉換；監控主機由遠程數據收發電路二、電平轉換電路、PC串口、監控主機電源系統組成，並由PC上位機軟體系統進行控制，遠程數據收發電路二、電平轉換電路、PC串口依次連接，監控主機電源系統分別與遠程數據收發電路二、電平轉換電路、PC串口連接。
2. 根據權利要求1所述一種山體裂縫遠程監測裝置，其特徵在於所述信號調理電路用於將傳感器輸出的電信號進行濾波、幅度衰減、阻抗變換。
3. 根據權利要求2所述一種山體裂縫遠程監測裝置，其特徵在於所述單片機控制電路用於實現山體裂縫信號的獲取、發送指令控制遠程數據收發電路一的啟動和關閉、發送指令使傳感器節點進入停機時段、發送指令給電源模塊，並對信號調理電路的輸出信號進行模數轉換。
4. 根據權利要求1所述一種山體裂縫遠程監測裝置，其特徵在於所述電平轉換電路通過晶片SP3238將遠程數據收發電路二輸出的CMOS電平信號轉換成PC串口所需的RS232電平信號，此信號通過PC串口輸入到PC上位機軟體系統。
5. 根據權利要求l所述一種山體裂縫遠程監感器節點通過GSM網絡通信。
6. 根據權利要求5所述一種山體裂縫遠程監工作至停機的循環工作模式。
7. 根據權利要求l所述一種山體裂縫遠程監路採用高速S0C單片機C8051F350。
8. 根據權利要求l所述一種山體裂縫遠程監於控制傳感器節點進入工作時段。
9. 根據權利要求l所述一種山體裂縫遠程監電路一和遠程數據收發電路二的GSM晶片均採用GC864-DUAL。
10. 根據權利要求l所述一種山體裂縫遠程監測裝置，其特徵在於所述電源模塊由電池、電池電壓檢測電路、開關控制電路以及DC-DC電路組成，開關控制電路則由第一電晶體8550、第二電晶體8050與P溝道VM0S管IRLML6302組成，由單片機的輸出口產生的高低電平控制。測裝置，其特徵在於所述監控主機與傳測裝置，其特徵在於所述傳感器節點為測裝置，其特徵在於所述單片機控制電測裝置，其特徵在於所述啟動定時器用測裝置，其特徵在於所述遠程數據收發
全文摘要
本發明公開了一種山體裂縫遠程監測裝置，該裝置由傳感器節點和監控主機組成，利用GSM網絡進行信息傳輸並採用工作至停機的循環工作模式進行山體裂縫監測，同時採用了數字濾波和曲線擬合算法，提高了數據採集的精度，從而使本發明能實現高精度、遠距離山體裂縫監測，並使工作時間大大延長。
文檔編號G01B7/16GK101706249SQ20091021654
公開日2010年5月12日 申請日期2009年12月4日 優先權日2009年12月4日
發明者餘小平, 庹先國, 李哲, 李懷良, 楊劍波, 王洪輝 申請人:成都理工大學