滑坡應急監測系統的製作方法

2023-08-13 02:42:41

滑坡應急監測系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種滑坡應急監測系統，包括：多通道採集模塊(1)、通訊模塊(2)、電源調節模塊(3)和外部供電模塊(4)，外部供電模塊(4)的電源輸出端與電源調節模塊(3)的電源輸入端連接，電源調節模塊(3)的第一電源輸出端與多通道採集模塊(1)的電源輸入端連接，電源調節模塊(3)的第二電源輸出端與通訊模塊(2)的電源輸入端連接，多通道採集模塊(1)的數據輸出端與通訊模塊(2)的數據輸入端連接。本實用新型通過將多通道採集模塊採集的數據以三種可選的方式上傳，並且具有220V交流電和太陽能兩種供電方式，實現了對地質條件和通訊條件較差的地質災害多發地區的地質監測，結構緊湊且安裝布設較容易，對電源和通訊設備的要求也較低，適用於突發地質災害情況下的應急監測工作。
【專利說明】滑坡應急監測系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基於嵌入式電子技術、網絡通訊技術、計算機軟體、傳感檢測、野外防護技術的滑坡應急監控綜合體儀器。
【背景技術】
[0002]對於地質災害高發地區，突發性地質災害的監測工作是一個難點，目前常用的監測設備普遍存在專業類型的整體比較笨重、安裝布設複雜、施工時間長、對電源和通訊系統要求高、遠程傳輸數據技術手段單一等缺點，無法滿足應急監測工作的需要。

【發明內容】

[0003]本發明為解決現有的地質災害監測設備存在的整體比較笨重、安裝布設複雜、施工時間長、對電源和通訊系統要求高以及遠程傳輸數據技術手段單一的問題，進而提供了一種滑坡應急監測系統。
[0004]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0005]一種滑坡應急監測系統，包括:多通道採集模塊、通訊模塊、電源調節模塊和外部供電模塊，外部供電模塊的電源輸出端與電源調節模塊的電源輸入端連接，電源調節模塊的第一電源輸出端與多通道採集模塊的電源輸入端連接，電源調節模塊的第二電源輸出端與通訊模塊的電源輸入端連接，多通道採集模塊的數據輸出端與通訊模塊的數據輸入端連接。
[0006]本發明的有益效果是，通過將多通道採集模塊採集的數據以三種可選的方式上傳，並且具有220V交流電和太陽能兩種供電方式，從而實現了對地質條件和通訊條件較差的地質災害多發地區的地質監測，不僅結構簡單而且安裝布設較容易，短時間即可布設完成，對電源和通訊設備的要求也較低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1為本發明提供的滑坡應急監測系統的結構示意圖；
[0008]圖2為本發明提供的多通道採集模塊與通訊模塊的連接結構示意圖；
[0009]圖3為本發明提供的CPU電源電路的結構示意圖；
[0010]圖4為本發明提供的AD電源電路的結構示意圖；
[0011]圖5為本發明提供的5伏傳感器電源的結構示意圖；
[0012]圖6為本發明提供的12伏傳感器電源的結構示意圖；
[0013]圖7為本發明提供的交直流電源切換電路的結構示意圖；
[0014]圖8為本發明提供的太陽能充電電路的結構示意圖；
[0015]圖9為本發明提供的鋰電池充放電電路的結構示意圖；
[0016]圖10為本發明提供的防水保護箱的整體布局示意圖；
[0017]圖11為本發明提供的傳感器組件與防水保護箱的布設示意圖；[0018]圖12為本發明提供的滑坡應急監測系統的使用狀態示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為了能夠更清晰地闡明本發明的特點和工作基本原理，以下結合附圖及實施例，對本發明進行說明。
[0020]本【具體實施方式】提供了一種滑坡應急監測系統，如圖1所示，包括:多通道採集模塊1、通訊模塊2、電源調節模塊3和外部供電模塊4，外部供電模塊4的電源輸出端與電源調節模塊3的電源輸入端連接，電源調節模塊3的第一電源輸出端與多通道採集模塊I的電源輸入端連接，電源調節模塊3的第二電源輸出端與通訊模塊2的電源輸入端連接，多通道採集模塊I的數據輸出端與通訊模塊2的數據輸入端連接。
[0021]具體的，多通道採集模塊I包括:處理器11、電壓信號傳感器12和485模塊13，電壓信號傳感器12的傳感數據輸出端與處理器11的傳感數據輸入端連接，485模塊13的485格式數據輸出端與處理器11的485格式數據輸入端連接。其中，處理器11可採用PIC24F32K晶片，電壓信號傳感器12可採用ADS1256晶片。多通道採集模塊I與通訊模塊2的連接關係如圖2所示，PIC24F32K為儀器的核心處理器，屬於超低功耗16位單片機；ADS1256是24位Λ - Σ ADC,採集7路輸出O?5伏電壓信號的傳感器；485模塊通過PIC24的串口 2連接，用於接收輸出數據格式為485標準的智能傳感器；通訊模塊2包括了支持中國移動與聯通GPRS網絡數據格式的MC52i晶片，支持中國電信CDMA網絡數據格式的MC8332晶片和支持北鬥短報文的北鬥終端，這三種模塊通過RS232線纜與PIC24的串口I按照復用方式連接，供電統一為12伏電壓，電流不小於3安，通過3個繼電器與系統電源連接；考慮到野外供電問題，為了儘量降低功耗，儀器通常處於低頻工作模式，在這種模式下整機電流低於I毫安，在設定的時間到後切換到正常工作頻率，採集存儲數據後向後臺的監控軟體發送數據，考慮到野外環境下無線通訊的不確定性，通訊系統同時連接了三種設備，首先打開繼電器給MC52i供電，如果接收命令或發送數據成功，隨後進入低頻模式，等待下一次切換，如果沒有成功，則關閉MC52i，打開MC8332，如果接收命令或發送數據成功，隨後進入低頻模式，等待下一次切換，如果沒有成功，則關閉MC8332，打開北鬥終端，發送短報文數據後進入低頻模式，等待下一次切換。
[0022]電源調節模塊3採用分區供電以降低系統功耗，多通道採集模塊I和通訊模塊2在工作時被供給電源，在其它時間徹底切斷電源以最大限度的降低功耗，整個系統受程序控制，分為CPU電源、AD電源、5伏傳感器電源、12伏傳感器電源。
[0023]圖3所示的是CPU電源電路，PIC24F32K是3.3伏供電，12伏的輸入電壓必須進行DC降壓處理。DC降壓是比較損耗功率的，相當於把部分電能轉化為熱能，因此選用了一個自身功耗非常低的DC模塊LTC3631，LTC3631的靜態電流是12微安，在3.3伏電壓下最大輸出電流可以達到100暈安。
[0024]圖4所示的是AD電源電路，LP3878是一款低壓差線性穩壓器(LDO)，最大可以輸出800毫安的電流，輸出噪聲的典型值是18微伏，適用於做為高精度AD轉換器的基準電源，8腳是使能端，連接PIC24的1腳，採集數據時在PIC24的控制下使能為AD供電，完成後關斷停止供電。
[0025]圖5所示的是5伏傳感器電源電路，LM2596S是一款降壓開關穩壓器，最大輸出3安電流，可以為一些功耗較大的5伏傳感器供電，5腳是開關，受到PIC24的1腳控制，在通常情況下關斷，工作時打開，以便最大限度的降低功耗。
[0026]圖6所示的是12伏傳感器電源電路，G6E-134P是一款歐姆龍的繼電器，最大支持3安電流，可以為一些功耗較大的12伏傳感器供電，PIC24的1腳通過三極體控制繼電器的通斷，繼電器工作電流為43毫安，不過考慮到一般情況下工作時間很短，所以對整體功耗的降低影響不大。
[0027]外部供電模塊4由交直流切換、太陽能控制、鋰電池組充放電三部分電路組成。由於北鬥終端對電源系統要求較高，如果在監測現場有220伏電源供應，可以優先利用，如果220伏電力中斷，外部供電模塊會自動轉為太陽能給蓄電池充電同時給儀器設備供電。如圖7所示，當220伏變壓器輸出高電平控制信號PNP三極體斷開，PMOS管G端和S端電壓相等，PMOS管斷開，系統由220伏變壓器輸出的電壓給蓄電池充電；當220伏電源中斷，PNP三極體控制端接地導通，PMOS管G端與S端存在12伏壓差，PMOS管導通，太陽能板通過太陽能控制器給蓄電池充電。
[0028]太陽能控制器負責收集太陽能板光能轉化的電能，調節輸出電壓。考慮到太陽能控制器實際應用過程中可能出現短路和反接情況，所以太陽能控制器具備短路和電源反接保護功能。如圖8所示，太陽能保護電路採用的是控制地來實現的，PWR_SUN、GND_SUN分別為太陽能板正負極，正負極正常接入電路，Q5打開，Q2、Q3導通，GND_SUN和GND_BAT接通，電路正常工作；當正負極接反後Q4導通導致Q2斷開，太陽能地與電池地斷開而無法形成放電迴路，從而達到電路保護的目的。20瓦太陽能板直接輸出電壓為17伏左右，而電池充電需要12伏基礎電壓，因而需要調節太陽能電壓到12伏。CPU輸出PWM信號控制Q8進而控制PMOS Ql通斷，經過電感LI和電容C2整流濾波後，輸出直流12伏。
[0029]鋰電池組充放電控制主要調節太陽能控制器輸出的電能電壓電流，以滿足電鋰電池充電過程分為四個階段:涓流充電、橫流充電、恆壓充電和終止充電，如圖9所示。電池充放電管理晶片通過控制4個PMOS管，保護電池組不會過充或過放，同時控制充放電曲線，保證鋰電池組充電4個過程。電池組串聯充電過程中一節電池已經充滿，原則上不能夠再進行充電，否則這節已經充滿的電池會出現過充現象而損壞，但這時串聯在一起的其餘電池還沒有充滿電，所以電池組因為避免單節過充而無法達到最大儲能的目的，大大降低了電池組使用效率。為了解決這個問題，設計中增加了電池充電平衡電路，適當釋放已經充滿電電池的少部分電量，使得串聯在一起的其他電池仍然能夠繼續充電，延續到電池組中每節電池都達到充滿電的時候充電控制器才終止充電。電池組動態平衡電路主要由CPU控制完成，CPU採集每節電池電壓，在S8254充電保護後，CPU判斷是哪一節電池達到了飽和充電電壓，如果其餘電池還沒有充滿，CPU控制Q33?Q36相應的PMOS管導通通過釋放已經充滿電的電池部分電量，S8254便可恢復對電池組充電，直到所有電池都達到充電飽和電壓。
[0030]進一步地，本【具體實施方式】提供的滑坡應急監測系統還可以包括防水保護箱，用於將多通道採集模塊1、通訊模塊2、電源調節模塊3和外部供電模塊4集成並進行防水保護，防水保護箱平時以手提箱方式把除傳感器外儀器其它部分集成在一起。如圖10所示，在現場應用時，太陽能板單板重量為2.4公斤，使用時要保持防水保護箱的中心平穩，所以三塊太陽能板中兩塊採用左右布局方式，保證上面的第一塊太陽板打開後，箱體不至於翻倒。第一塊太陽能板打開後結構上保證其與地面成45度角，另外兩塊太陽能板平行於第一塊太陽板。防水保護箱需要考慮中間設備電源和控制器部分密封防水，太陽能板收起後依然保證密封防水性能，並在強光下不變形。前後箱體和太陽能框架選用氧化鋁，材料輕便、有一定的結構剛性、耐酸鹼腐蝕、抗氧化性能好；隔板選用ABS，材料輕便、易於加工、耐酸鹼腐蝕、絕緣。箱體合頁、箱體與太陽能板合頁選用SUS304，便於前後箱體開合、不需要承受很大的結構重量、防腐蝕、承重能力好、合頁開合力度可調節、佔用空間小；緩衝墊選用PE，耐酸鹼腐蝕、具有很好的彈性及耐磨性、材料輕便。
[0031]進一步地，本【具體實施方式】提供的滑坡應急監測系統還可以包括傳感器組件，所述傳感器組件的數據輸出端與多通道採集模塊I的數據輸入端連接，所述傳感器組件包括拉繩式位移傳感器21、雷射測距傳感器22、磁致伸縮傳感器23和雨量傳感器24。其中，拉繩式位移傳感器21，用於監測動態範圍在I米以內，精度I毫米的常規裂縫；雷射測距傳感器22，用於監測動態範圍在40釐米-100米以內，精度2毫米的大跨度裂縫；磁致伸縮傳感器23，用於監測動態範圍在1.5米以內，精度0.1毫米的裂縫；雨量傳感器24，用於降雨量的監測，解析度0.2毫米。與輕便支架配合以便於在野外監測現場快速安裝，如圖11所示。支架高2米，最高處安裝有避雷針25，以防雷電危害；北鬥天線26是全向天線，但是在南側不能有明顯的遮擋物，負責影響衛星通訊，所以把它架在1.9米處的支臂；雨量傳感器24採用了光電式，相較於翻鬥式雨量計體積大為縮小，同樣安裝於1.9米處的支臂上以免受遮擋；雷射測距傳感器22安裝於1.7米處的支臂上，可以上下調整角度以利於監測點的布設，通過測量雷射回波時間獲得位移變化數據；拉繩式位移傳感器21通過固定器安置在
0.3米處，拉繩向下通過保護管橫跨待監測裂縫兩端，通過內部滑動變阻器的線性變化獲得位移變化數據；磁致伸縮傳感器23不通過支架安裝，它的一端固定於滑坡裂縫後緣，磁環固定於裂縫前緣，通過磁環在金屬棒的移動距離獲得位移變化數據；採集傳輸主機27通過線纜與傳感器和北鬥天線連接，距離可以調整，以方便安置在合適的位置；所以現場設備都具有可摺疊和組合功能，以方便開速展開、布設和回收。
[0032]本【具體實施方式】提供的滑坡應急監測系統的工作原理是:突發性滑坡災害發生後，應急監測人員攜帶滑坡應急監控綜合體進入現場，快速安裝設備後撤離，利用220伏民用電或者太陽能和電池組成的電源系統給儀器設備、傳感器和通訊設備供電，通過GPRS或北鬥短報文，確保把採集的數據實時遠程傳輸到監控中心，以供領導、專家據此作出決策，圖12為應急監測人員使用設備的示例關係。
[0033]採用本【具體實施方式】提供的技術方案具有以下的技術效果:
[0034]1、儀器與外部機箱一體化設計:儀器無需增加保護設備直接在野外工作，整體機構緊湊，可以由最少2人在野外環境下攜帶與布設。
[0035]2、儀器工作可靠:儀器的電子元件按照車用級標準選擇，電路板遵循電磁兼容原則下設計，可以保證系統正常工作和工作的可靠性。
[0036]3、供電多樣化:可以同時採用民用220V和太陽能二種方式供電。
[0037]4、多模式通訊:可以並行採用GPRS、CDMA、北鬥短報文三種通訊模式，以確保在任何條件下都可以實時傳輸監測數據。
[0038]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，這些【具體實施方式】都是基於本發明整體構思下的不同實現方式，而且本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求書的保護範圍為準。
【權利要求】
1.一種滑坡應急監測系統，其特徵在於，包括:多通道採集模塊(I)、通訊模塊(2)、電源調節模塊(3)和外部供電模塊(4)，外部供電模塊(4)的電源輸出端與電源調節模塊(3)的電源輸入端連接，電源調節模塊(3)的第一電源輸出端與多通道採集模塊(I)的電源輸入端連接，電源調節模塊(3)的第二電源輸出端與通訊模塊(2)的電源輸入端連接，多通道採集模塊(I)的數據輸出端與通訊模塊(2)的數據輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的滑坡應急監測系統，其特徵在於，所述系統還包括:防水保護箱，用於將多通道採集模塊(I)、通訊模塊(2)、電源調節模塊(3)和外部供電模塊(4)集成並進行防水保護。
3.根據權利要求1所述的滑坡應急監測系統，其特徵在於，所述系統還包括:傳感器組件，所述傳感器組件的數據輸出端與多通道採集模塊(I)的數據輸入端連接，所述傳感器組件包括拉繩式位移傳感器、雷射測距傳感器、磁致伸縮傳感器和雨量傳感器。
4.根據權利要求1所述的滑坡應急監測系統，其特徵在於，多通道採集模塊(I)包括:處理器(11)、電壓信號傳感器(12)和485模塊(13),電壓信號傳感器(12)的傳感數據輸出端與處理器(11)的傳感數據輸入端連接，485模塊(13)的485格式數據輸出端與處理器(11)的485格式數據輸入端連接。
5.根據權利要求1所述的滑坡應急監測系統，其特徵在於，通訊模塊(2)包括:用於支持GPRS網絡數據的MC52i晶片、用於支持CDMA網絡數據的MC8332晶片和用於支持北鬥短報文的北鬥終端。
【文檔編號】G01D21/02GK203824589SQ201420246291
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月13日 優先權日:2014年5月13日
【發明者】殷躍平, 陳紅旗, 曹修定, 吳悅, 楊凱, 董翰川, 潘書華 申請人:中國地質調查局水文地質環境地質調查中心