专利名称：山体滑坡实时监测与预警系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及地质灾害监测领域，尤其是一种山体滑坡实时监测与预警系统。
背景技术：
近年来国内外地震、山体滑坡、泥石流等地质灾害频发，尤其是在我国，由于对资源的过度开发，自然环境严重恶化，各种地质灾害对人民的生命、财产安全造成了极大威害。另外，随着大型水电站、水库、公路、铁路工程等基础设施的不断建设，滑坡、决提、塌陷等破破坏性灾害，也严重影响着这些基础设施的使用安全和寿命。据不完全统计，我国每年发生滑坡、泥石流、塌陷等各种地质灾害数万起，能够在灾害发生前做出预警的还不到十分之一，如何对这些地质灾害进行监测和预警，切实保护人民的生命和财产安全，是我国当前面临的一个重要课题。目前对滑坡、塌陷等地质灾害的监测和预警通常都是政府行为，需要动员大量的人力、物力，利用大型、昂贵的仪器设备进行监测。主要的监测方法有宏观异常观测法(如动物异常、地表特明显位移、地陷、地裂、隆起等)、物探法、位移测量法、水位异常分析法、遥感航测法等。但这些方法存在监测设备体积大、需要专业人员操作等问题，只能对少数的重要区域进行监测，无法推广到广大存在安全隐患的地区，难以满足乡村、企业和个人对地质灾害监测和预警的需求。现有的山体滑坡监测与预警方法和装置都需要通过观察或探测地质结构的变化来预测地质灾害的发生，但是，由于滑坡、塌陷等地质灾害的发生存在很大的偶然性，这些方法和装置只能给出发生滑坡、塌陷等地质灾害的可能性，无法准确预报灾害发生的时间。 因此，亟需一种小型化、低成本、操作简便的滑坡等地质灾害实时监测与预警系统，以解决乡村、企业和个人对滑坡、塌陷等地质灾害监测和预警的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能对山体滑坡等地质灾害进行实时监测和预警的系统。该系统部署和使用方便、监测和预警准确性高，可以为乡村、企业和人体用户提供可靠的滑坡前兆预警。为实现上述发明目的，本发明是由一个主控节点和多个传感器节点组成的传感器网络。传感器节点分布式部署于山体的不同位置(如图2所示)，负责采集不同观测点的山体地表形变和振动信号，并通过无线传输方式发送给主控节点；主控节点接收传感器节点的位置信息和地下瞬时振动信号，并对数据进行综合分析，将滑坡预警信息发送给报警器， 发出分级报警信号。主控节点可以部署在地质结构稳定的位置(如图2所示)，主控节点的GPS模块通过接收GPS卫星信号，对自身位置进行解算，并向传感器节点发送差分信号。传感器节点分布式部署于存在潜在滑坡可能的位置(如图2所示)，传感器节点的GPS模块根据GPS卫星信号和主控节点发送的差分信号，解算自身的位置，并传送给主控节点。主控节点通过无线
3方式接收不同传感器节点的位置信息，计算出不同传感器节点与主控节点的相对位置，可以得到山体的地表形变参数，为山体滑坡提供中长期监测与预警信息。传感器节点的振动触发器检测到异常的地下振动时，触发MEMS加速度计采集地下瞬时振动信号，并将振动信号传递到主控节点。主控节点根据GPS模块提供的山体地表形变参数和MEMS加速度计提供的地下瞬时振动信息，计算山体滑坡发生的概率，并启动报警器发出不同等级的报警信号。本发明通过检测山体地表形变和地下瞬时振动异常对山体滑坡进行监测和预警。 地表形变能反映出山体的变化状态，预测潜在的山体滑坡灾害；地下瞬时振动异常信号反应了山体的瞬时变动，能准确地检测滑坡前兆，给出实时预警信息。与基于地表位移、地下结构和山体倾斜度变化的滑坡检测装置相比，本发明不仅可以提供中长期预警，还可以提供准确的滑坡前兆预警，克服了现有方法和装置预警周期长、时间预测不准确的缺点。
图1主控节点和传感器节点间的数据传递图2山体滑坡实时监测和预警系统网络结构与部署示意3传感器节点电路框4传感器节点物理结构示意5主控节点电路框6主控节点物理结构示意图
具体实施例方式如图2所示，系统由一个主控节点和多个传感器节点组成。主控节点部署在结构稳定的区域，提供观测基点，并作为数据处理中心。传感器节点部署于潜在的滑坡区域，用于监测山体地表的形变和地下的振动异常信号。传感器节点与主控节点之间通过无线传输方式传递数据和控制信息(如图1所示)。传感器节点的电路框图如图3所示，包括GPS模块、振动触发器、MEMS加速度计、存储器、ARM处理器、无线传输模块、电源模块、GPS卫星天线和无线收发天线。其物理结构如图4所示，由金属探针1、基座2、MEMS加速度计3、振动触发器4、传感器板5、处理器板6、无线通信板7、电源管理板8、充电电池9、太阳能电池10、GPS卫星天线11、无线收发天线12 和封装外壳13组成。金属探针1与基座2固联在一起，安装在传感器节点的底部；MEMS加速度计3和振动触发器4固定在基座2上方；传感器节点通过金属探针1埋植在地表岩石或坚实土层中。由于金属探针1、基座2、振动触发器4和MEMS加速度计3固联在一起，中间没有减振环节，具有很大的振动信号传递带宽，因此地下的振动信号通过探针1和基座 2，可以被振动触发器4和MEMS传感器3有效接收。传感器板5包括GPS模块、振动触发和检测模块，GPS模块通过GPS卫星天线11接收GPS卫星的导航信号，并结合由主控节点发送的GPS差分信号，进行位置解算，获得传感器节点的高精度位置信息；振动触发和检测模块接收由振动触发器4和MEMS传感器3传来的地下振动信号。传感器板5将高精度位置信息和振动信号通过接口电路传递到处理器板6进行处理。处理器板6将处理后的信号通过无线通信板7由无线收发天线12发送到主控节点。电源管理板8负责充电电池9和太阳能电池10的充放电管理，并为传感器板5、处理器板6和无线通信板7供电。太阳能电池10负责把太阳能转换成电能，为充电电池9和其它电路板供电。封装外壳13为传感器提供封装保护。主控节点的电路框图如图5所示，包括GPS模块、存储器、ARM处理器、无线传输模块、电源模块、GPS卫星天线、无线收发天线和报警器。其物理结构如图6所示，由金属探针 1、基座2、传感器板3、处理器板4、无线通信板5、电源管理板6、充电电池7、太阳能电池8、 GPS卫星天线9、无线收发天线10、报警灯11、蜂鸣器12和封装外壳13组成。金属探针1 与基座2固联在一起，安装在传感器节点的底部，传感器节点通过金属探针1埋植在地表岩石或坚实土层中。传感器板3包括GPS模块，GPS模块通过GPS卫星天线9接收GPS卫星的导航信号，进行位置解算，获得传感器节点的高精度位置信息，并解算差分信号。传感器板 3将高精度位置信息和差分信号通过接口电路传递到处理器板4进行处理。处理器板4将处理后的差分信号通过无线通信板5由无线收发天线10发送到传感器节点。无线收发天线10接收由每个传感器节点发送的高精度位置信息和地下振动信号，经无线通信板5送到处理器板4进行综合处理，获得山体滑坡的发生概率和时间预测，传递到报警灯11和蜂鸣器12进行分级报警。电源管理板6负责充电电池7和太阳能电池8的充放电管理，并为传感器板3、处理器板4、无线通信板5、报警灯11和蜂鸣器12供电。太阳能电池8负责把太阳能转换成电能，为充电电池7和其它电路板供电。封装外壳13为传感器提供封装保护。本发明利用分布式传感器节点的GPS接收模块采用差分定位方法获得传感器节点和主控节点的高精密位置信息，从而得到山体地表的形变参数；利用MEMS加速度传感器结合振动触发器获得地下的瞬时振动异常信号，可以提供地下地质活动的实时监测数据。 通过对这两类信号的融合处理，不仅可以获得山体滑坡预警信息，还可以获得高精度的滑坡预兆时间预测。本发明通过监测地表形变参数和地下振动信号，还可应用于地表塌陷、泥石流等地质灾害的监测与预警。
权利要求
1.一种山体滑坡实时监测与预警系统，其特征在于系统包括一个主控节点和多个传感器节点；传感器节点分布式部署，可监测不同位置的山体形变和地下振动信息；主控节点接收每个传感器节点采集和传送的不同位置的山体形变和地下振动信息，并进行融合处理，得到山体状态和滑坡预警信息。
2.如权利要求1所述的山体滑坡实时监测与预警系统，其特征在于装有无线传输模块，可把传感器节点采集的山体表面形变参数和地下瞬时振动信号通过无线方式传送到主控节点，并把主控节点的GPS差分数据传送到传感器节点。
3.如权利要求1所述的山体滑坡实时监测与预警系统，其特征在于采用太阳能电池和充电电池供电，可以全天时、长期无人值守工作。
4.如权利要求1所述的传感器节点，其特征在于装有GPS模块，可以采集山体表面形变参数。
5.如权利要求1所述的传感器节点，其特征在于装有振动触发器，当振动触发器检测到异常的地下振动时，触发MEMS加速度计采集地下振动信号。
6.如权利要求1所述的传感器节点，其特征在于装有MEMS加速度计，可实时采集地下振动信号。
7.如权利要求1所述的传感器节点，其特征在于底部装有探针和基座，MEMS加速度计和振动触发器安置在基座上。
8.如权利要求1所述的主控节点，其特征在于装有ARM处理器，负责对不同传感器节点采集和传送的信号进行融合处理。
9.如权利要求1所述的主控节点，其特征在于装有GPS模块，可确定主控节点位置， 并向传感器节点发送差分信号。
10.如权利要求1所述的主控节点，其特征在于装有报警器，可根据山体状态和滑坡预警信息发出不同级别的报警信号。
全文摘要
本发明公开了一种山体滑坡实时监测与预警系统，系统包括一个主控节点和多个传感器节点。传感器节点由GPS模块、振动触发模块、MEMS加速度计、存储器、ARM处理器、无线传输模块和电源模块构成。主控节点由GPS模块、无线传输模块、存储器、ARM处理器和报警器组成。传感器节点通过GPS模块采集山体形变参数，通过MEMS加速度计采集瞬时地下振动异常信号，并将这些数据通过无线传输模块发送给主控节点。主控节点通过无线传输模块接收传感器节点的山体形变参数和地下瞬时振动异常数据，并对其进行综合分析，将滑坡预警信息发送给报警器。本发明可用于山体状态的实时监测，并及时检测山体滑坡的发生前兆，系统部署灵活、使用方便。
文档编号G01V1/00GK102163363SQ20111008645
公开日2011年8月24日 申请日期2011年4月7日 优先权日2011年4月7日
发明者吴祖亮, 孙茜, 许东 申请人:北京航空航天大学