滑坡監測系統的製作方法
2023-05-24 14:12:46 2
滑坡監測系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種滑坡監測系統，屬於地質災害監測領域。該系統包括：滑坡側節點、監控室側協調器節點和伺服器；滑坡側節點包括：路由傳感器節點，設置於滑坡的表面以採集滑坡信息；滑坡側協調器節點，設置於滑坡的表面，與路由傳感器節點通過短距離無線通信連接，以接收路由傳感器節點發送的滑坡信息；監控室側協調器節點，設置於監控室側，通過中繼器與滑坡側協調器節點短距離無線通信連接；伺服器，設置於監控室內，伺服器的輸入端與監控室側協調器節點通過有線通信連接，伺服器的第一輸出端與顯示器的輸入端連接。本實用新型通過上述技術方案使得滑坡監測系統具有小型、快速、低功耗、低成本的特點。
【專利說明】滑坡監測系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於地質災害監測領域，具體涉及一種滑坡監測統。
【背景技術】
[0002]滑坡是一類重要的地質災害，具有發生區域廣泛和頻繁發生的特點，所引起的直接經濟損失和間接經濟損失都相當巨大。隨著人類活動，尤其是人類工程活動範圍和規模的不斷擴大，滑坡發生的次數和可能性有增加的趨勢，給社會帶來的危害性也逐漸增大。關於滑坡預測預報的研究一直是國內外工程地質和巖石力學等各個學科領域的專家和學者十分關注的一個理論和技術難題。如何對滑坡進行預測預報是以避免由於滑坡發生而引起的各種損失作為這些研究工作的出發點。然而，只有以足夠的精度對滑坡進行監測，及時、準確獲取滑坡的特徵信息，成功地預測預報出滑坡的發生時間、規模和發展趨勢等，才能真正達到防災減災的目的，這就決定了第一步的基礎數據採集與監測是後續工作得以展開的根本保障及奠基性作用。
[0003]按監測對象的不同，滑坡監測可分為四大類:即位移監測(地面絕對/相對/深部位移監測)、物理場監測(應力/應變/聲發射監測)、地下水監測(地下水位、孔隙水壓力、土體含水量監測)和外部誘發因素監測(地震、降雨量、凍融監測)。監測方式經歷了由最初的人工測量到簡易儀器監測，再發展到專業的有線線纜監測，以及目前主流的無線監測方式的過程。其中，關於連接方式，主要採用線纜或者無線GPRS/GSM通信的方式匯集到中心計算機上——採用線纜的方式有明顯的弊端，除了在危險地帶不易布線，施工接續困難外，還易被人為破壞，容易受到自然災害的破壞性影響；採用GPRS/GSM通信的方式也有其技術上的局限性，如數據的遠程傳輸如果採用GSM簡訊方式，造成數據傳輸的延遲大、費用高、實時性差，不滿足成本低、高實時性的要求，嚴重影響了系統的整體性能；此外，在一些偏遠地區和山區，信號較弱，甚至搜索不到GPRS/GSM信號，因而無法建立有效的GPRS自動監測網絡，從而導致這樣的監測方式不可避免的存在不足之處。在實際監測過程中，傳統傳感器表露出來的體積偏大且檢測時間長也成為其自身推廣應用與發展的瓶頸。
【發明內容】
[0004]為了解決上述問題，本實用新型提供了一種滑坡監測系統，其包括:滑坡側節點、監控室側協調器節點和伺服器；所述滑坡側節點包括:路由傳感器節點，設置於滑坡的表面以採集滑坡信息；滑坡側協調器節點，設置於所述滑坡的表面，與所述路由傳感器節點通過短距離無線通信連接，以接收所述路由傳感器節點發送的所述滑坡信息；所述監控室側協調器節點，設置於監控室側，通過中繼器與所述滑坡側協調器節點短距離無線通信連接；所述伺服器，設置於所述監控室內，所述伺服器的輸入端與所述監控室側協調器節點通過有線通信連接，所述伺服器的第一輸出端與顯示器的輸入端連接。
[0005]在如上所述的滑坡監測系統中，優選地，所述短距離無線通信為基於IEEE802.15.4的無線通信。
[0006]在如上所述的滑坡監測系統中，優選地，所述路由傳感器節點與所述滑坡側協調器節點，以及所述滑坡側協調器節點與所述監控室側協調器節點均通過Zigbee無線通信連接。
[0007]在如上所述的滑坡監測系統中，優選地，所述路由傳感器節點包括:MEMS三軸加速度傳感器；控制器，所述控制器的SPI接口與所述MEMS三軸加速度傳感器的輸出端連接；短距離無線通訊模塊，所述短距離無線通訊模塊的輸入端和第一輸出端分別與所述控制器的輸出端和第一輸入端連接，所述短距離無線通訊模塊的第二輸出端與天線連接；以及電源，所述電源的輸出端與所述MEMS三軸加速度傳感器的輸入端和所述控制器的第二輸入端連接。
[0008]在如上所述的滑坡監測系統中，優選地，所述MEMS三軸加速度傳感器的晶片為LIS3LV02DL，所述短距離無線通訊模塊的晶片為CC2591，所述控制器包括晶片為MSP430F133的中央處理器和晶片為AT4OTB321的快閃記憶體。
[0009]在如上所述的滑坡監測系統中，優選地，所述滑坡測節點的數量為多組，任一組中的所述路由傳感器節點的數量為多個，所述滑坡側協調器節點的數量為一個，多個所述路由傳感器節點中的任一個與所述滑坡側協調器節點通過所述短距離無線通信連接。
[0010]在如上所述的滑坡監測系統中，優選地，所述伺服器的第二輸出端與網際網路連接。
[0011]在如上所述的滑坡監測系統中，優選地，所述伺服器的輸入端與所述監控室側協調器節點通過USB接口有線通信連接。
[0012]在如上所述的滑坡監測系統中，優選地，所述滑坡監測系統還包括指紋機；所述指紋機設置於所述監控室側，所述指紋機的輸出端與所述顯示器的啟動端連接。
[0013]在如上所述的滑坡監測系統中，優選地，所述滑坡監測系統還包括:聲音播放器或簡訊發送器；所述聲音播放器或簡訊發送器的啟動端與所述伺服器的第三輸出端連接。
[0014]本實用新型實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:
[0015]從數據傳輸結構上講，該滑坡監測系統將MEMS三軸加速度傳感器採集到的信號送至滑坡側協調器節點時，採用的是ZigBee技術的網絡拓撲結構，建立了多組由一個協調器節點，多個路由節點構成的無線網絡，從而避免了實時性差以及偏遠山區信號弱的問題。
[0016]與當前該領域監測技術相比，具有成本低(成本低於傳統無線傳感器網絡的10% )，節點體積小(更方便深度位移監測點布置)，覆蓋面積廣且易於密集布置監測點(節點空間間隔0.5-lm)、檢測快速(具備高精度的實時採樣能力，對動態測量至少100HZ以上)的測量3維土體變形量，及2維加速度(2個橫向加速度)的滑坡無線監測系統。即本實用新型提供的滑坡監測系統為基於MEMS及Zigbee無線網絡技術的小型、快速、低功耗、低成本的滑坡無線監測系統。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型實施例提供的一種滑坡監測系統的結構示意圖；
[0018]圖2為本實用新型實施例提供的一種路由傳感器節點的結構框圖；
[0019]圖3為本實用新型實施例提供的一種路由傳感器節點的電路示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型做進一步詳細說明。
[0021]參見圖1，本實用新型實施例提供了一種滑坡監測系統，其包括:滑坡側節點、監控室側協調器節點3和伺服器4，其中，滑坡側節點包括:設置於滑坡表面的路由傳感器節點I和滑坡側協調器節點2，路由傳感器節點I和滑坡側協調器節點2之間，以及滑坡側協調器節點2和監控室側協調器節點3之間均通過相同技術標準的短距離無線通信連接，該短距離無線通信優選為基於IEEE802.15.4的無線通信，更進一步優選地為Zigbee (低速短距離傳輸的無線網絡協定)無線通信。
[0022]具體而言，路由傳感器節點I用於測量滑坡信息，並將滑坡信息通過短距離無線通信發送至滑坡側協調器節點2，協調器節點2包括:MEMS(Micro Electro MechanicalSystem，微電子機械系統)三軸加速度傳感器、控制器(微處理器)和短距離無線通訊模塊(無線收發模塊)。MEMS三軸加速度傳感器用於採集監控區域內的滑坡數據(滑坡信息)，其體積小，利於深度位移監測點布置，且易於密集布置監測點，還具有功耗低的特點，設置有MEMS三軸加速度傳感器的地方形成一監測點，優選地，各監測點(即各MEMS三軸加速度傳感器)之間的空間間隔為0.5-lm ;同時由於MEMS三軸加速度傳感器還具備高精度的實時採樣能力:對動態測量至少10Hz以上，所以其還具有監測快速的特點。該監控區域由路由傳感器節點覆蓋的區域形成，滑坡數據包括三維土體變形量及二維加速度(2個橫向加速度)；控制器通過SPI接口 (Serial Peripheral Interface，串行外設接口)與MEMS三軸加速度傳感器的輸出端連接，以存儲和處理來自於MEMS三軸加速度傳感器採集的數據；短距離無線通訊模塊用於與滑坡側協調器節點2進行短距離無線通信以實現交換控制信息和收發採集數據，並將數據通過天線發送至滑坡側協調器節點。整個路由傳感器節點由電源供電，在其整個生存周期裡面幾乎沒有能源補給。
[0023]實際中，參見圖2和圖3(圖3中出現的數字符號為管腳標號，例如I標示管腳1，2標示管腳2等等)，形成路由傳感器節點的電路中的元器件具有:MEMS三軸加速度晶片LIS3LV02DL、MCU (Micro Control Unit，微控制單元)晶片 MSP430F133 和 FLASH 存儲器晶片AT45DB321、短距離無線通訊模塊晶片CC2591以及電池組。LIS3LV02DL是三軸低壓帶數字接口的加速度計，無須外部A/D測量或頻率測量，簡化了與外部的接口，減低系統應用成本。控制器包括MCU和FLASH存儲器，MCU通過SPI接口定時讀取LIS3LV02DL的三個軸(x軸、Y軸和z軸)的加速度值，並存儲到FLASH存儲器中。FLASH存儲器使用Atmel公司的帶SPI接口，4MB的AT45DB321晶片。該路由傳感器節點的電路主要測量滑坡變形位移量及加速度值，因此在應用時需設定LIS3LV02DL的採樣率為160Hz，+/_2g量程、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路。無線射頻晶片CC2591加強了天線功率，理論通訊距離可達到1000m，具有較高通訊效率，該晶片優選通過ZigBee區域網路(此時可以稱為ZigBee無線通訊模塊)將控制器輸出的來自於MEMS三維加速度傳感器的滑坡數據(各節點當前位移量(通過三軸加速度值實現對空間位移的確定)及2維橫向加速度值)以被動查詢或每隔一定的時間輪流上傳的形式通過ZigBee發送到滑坡側協調器節點，在其他的實施例中，還可以將來自於監控室側協調器節點的查詢命令與自動斷電命令下載到MCU中。在其他的實施例中，MEMS三軸加速度晶片、MCU晶片、FLASH存儲器晶片、短距離無線通信模塊晶片均可以分別是其他類型，本實施例不對此進行限定。
[0024]為了成功地預測預報出滑坡的發生時間、規模和發展趨勢等，優選，滑坡側節點的數量為多組，任一組中的路由傳感器節點的數量為多個，任一組中的滑坡側協調器節點的數量為一個，多個路由傳感器節點中的任一個與滑坡側協調器節點優選通過ZigBee短距離無線通信連接。
[0025]由於短距離無線通信傳輸距離有限，且實際中監控室與山體距離較遠，因此在山體側設置有中繼器，在監控室側設置有中繼器21，通過中繼器21，在位於監控室側的監控室側協調器節點3和滑坡側協調器節點2之間建立了短距離無線通信連接，優選為ZigBee短距離無線通信連接。滑坡側協調器節點2和監控室側協調器節點3完成路由傳感器節點採集數據的無線收發任務，滑坡側協調器節點和監控室側協調器節點的電路可以與路由傳感器節點的電路相同，為了增加各協調器節點的數據存儲和處理功能，在與路由傳感器節點相同電路結構的基礎上增設了 8KB的可重複擦寫EEPROM存儲器，並為監控室側協調器接電腦配置微型USB接口與伺服器通過USB通信。
[0026]伺服器4的輸入端與監控室側協調器節點3通過有線通信連接，伺服器4的第一輸出端與顯示器7的輸入端連接。為了實現禁止非法用戶通過顯示器查看伺服器輸出的數據，顯示器7的啟動端與指紋機8的輸出端連接。為了實現用戶不在監控室，在其他地方也能查看伺服器輸出的數據，伺服器的第二輸出端與網際網路6連接，從而實現其他終端，例如PC機61、手機或掌上電腦通過Internet遠程訪問該滑坡監測系統。為了實現當監測到的滑坡數據超過報警值時，能及時通知給監控滑坡的監護人員，該滑坡監測系統還包括:聲音播放器或簡訊發送器；聲音播放器或簡訊發送器的啟動端與伺服器的第三輸出端連接。
[0027]需要說明的是:滑坡是山體10受河流衝刷、地下水活動、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下發生的地質災害。
[0028]綜上所述，本實用新型實施例的有益效果如下:
[0029]從數據傳輸結構上講，該滑坡監測系統將MEMS三軸加速度傳感器採集到的信號送至滑坡側協調器節點時，採用的是ZigBee技術的網絡拓撲結構，建立了多組由一個協調器節點，多個路由節點構成的無線網絡，從而避免了實時性差以及偏遠山區信號弱的問題。
[0030]與當前該領域監測技術相比，具有成本低(成本低於傳統無線傳感器網絡的10% )，節點體積小(更方便深度位移監測點布置)，覆蓋面積廣且易於密集布置監測點(節點空間間隔0.5-lm)、檢測快速(具備高精度的實時採樣能力，對動態測量至少100HZ以上)的測量3維土體變形量，及2維加速度(2個橫向加速度)的滑坡無線監測系統。即本實用新型提供的滑坡監測系統為基於MEMS及Zigbee無線網絡技術的小型、快速、低功耗、低成本的滑坡無線監測系統。
[0031]由技術常識可知，本實用新型可以通過其它的不脫離其精神實質或必要特徵的實施方案來實現。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，並不是僅有的。所有在本實用新型範圍內或在等同於本實用新型的範圍內的改變均被本實用新型包含。
【權利要求】
1.一種滑坡監測系統，其特徵在於，所述滑坡監測系統包括:滑坡側節點、監控室側協調器節點和伺服器； 所述滑坡側節點包括:路由傳感器節點，設置於滑坡的表面以採集滑坡信息；滑坡側協調器節點，設置於所述滑坡的表面，與所述路由傳感器節點通過短距離無線通信連接，以接收所述路由傳感器節點發送的所述滑坡信息； 所述監控室側協調器節點，設置於監控室側，通過中繼器與所述滑坡側協調器節點短距離無線通信連接； 所述伺服器，設置於所述監控室內，所述伺服器的輸入端與所述監控室側協調器節點通過有線通信連接，所述伺服器的第一輸出端與顯示器的輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的滑坡監測系統，其特徵在於，所述短距離無線通信為基於IEEE802.15.4的無線通信。
3.根據權利要求2所述的滑坡監測系統，其特徵在於，所述路由傳感器節點與所述滑坡側協調器節點，以及所述滑坡側協調器節點與所述監控室側協調器節點均通過Zigbee無線通信連接。
4.根據權利要求1所述的滑坡監測系統，其特徵在於，所述路由傳感器節點包括: MEMS三軸加速度傳感器； 控制器，所述控制器的SPI接口與所述MEMS三軸加速度傳感器的輸出端連接； 短距離無線通訊模塊，所述短距離無線通訊模塊的輸入端和第一輸出端分別與所述控制器的輸出端和第一輸入端連接，所述短距離無線通訊模塊的第二輸出端與天線連接；以及 電源，所述電源的輸出端與所述MEMS三軸加速度傳感器的輸入端和所述控制器的第二輸入端連接。
5.根據權利要求4所述的滑坡監測系統，其特徵在於，所述MEMS三軸加速度傳感器的晶片為LIS3LV02DL，所述短距離無線通訊模塊的晶片為CC2591，所述控制器包括晶片為MSP430F133的中央處理器和晶片為AT4OTB321的快閃記憶體。
6.根據權利要求1所述的滑坡監測系統，其特徵在於，所述滑坡測節點的數量為多組，任一組中的所述路由傳感器節點的數量為多個，所述滑坡側協調器節點的數量為一個，多個所述路由傳感器節點中的任一個與所述滑坡側協調器節點通過所述短距離無線通信連接。
7.根據權利要求1所述的滑坡監測系統，其特徵在於，所述伺服器的第二輸出端與網際網路連接。
8.根據權利要求1所述的滑坡監測系統，其特徵在於，所述伺服器的輸入端與所述監控室側協調器節點通過USB接口有線通信連接。
9.根據權利要求1所述的滑坡監測系統，其特徵在於，所述滑坡監測系統還包括指紋機； 所述指紋機設置於所述監控室側，所述指紋機的輸出端與所述顯示器的啟動端連接。
10.根據權利要求1所述的滑坡監測系統，其特徵在於，所述滑坡監測系統還包括:聲音播放器或簡訊發送器； 所述聲音播放器或簡訊發送器的啟動端與所述伺服器的第三輸出端連接。
【文檔編號】G08B21/10GK204256900SQ201420603471
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年10月17日 優先權日:2014年10月17日
【發明者】姜金俊 申請人:北京航天益森風洞工程技術有限公司