滑坡应急监测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种滑坡应急监测系统，包括：多通道采集模块(1)、通讯模块(2)、电源调节模块(3)和外部供电模块(4)，外部供电模块(4)的电源输出端与电源调节模块(3)的电源输入端连接，电源调节模块(3)的第一电源输出端与多通道采集模块(1)的电源输入端连接，电源调节模块(3)的第二电源输出端与通讯模块(2)的电源输入端连接，多通道采集模块(1)的数据输出端与通讯模块(2)的数据输入端连接。本实用新型通过将多通道采集模块采集的数据以三种可选的方式上传，并且具有220V交流电和太阳能两种供电方式，实现了对地质条件和通讯条件较差的地质灾害多发地区的地质监测，结构紧凑且安装布设较容易，对电源和通讯设备的要求也较低，适用于突发地质灾害情况下的应急监测工作。
【专利说明】滑坡应急监测系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于嵌入式电子技术、网络通讯技术、计算机软件、传感检测、野外防护技术的滑坡应急监控综合体仪器。
【背景技术】
[0002]对于地质灾害高发地区，突发性地质灾害的监测工作是一个难点，目前常用的监测设备普遍存在专业类型的整体比较笨重、安装布设复杂、施工时间长、对电源和通讯系统要求高、远程传输数据技术手段单一等缺点，无法满足应急监测工作的需要。
【发明内容】
[0003]本发明为解决现有的地质灾害监测设备存在的整体比较笨重、安装布设复杂、施工时间长、对电源和通讯系统要求高以及远程传输数据技术手段单一的问题，进而提供了一种滑坡应急监测系统。
[0004]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0005]一种滑坡应急监测系统，包括:多通道采集模块、通讯模块、电源调节模块和外部供电模块，外部供电模块的电源输出端与电源调节模块的电源输入端连接，电源调节模块的第一电源输出端与多通道采集模块的电源输入端连接，电源调节模块的第二电源输出端与通讯模块的电源输入端连接，多通道采集模块的数据输出端与通讯模块的数据输入端连接。
[0006]本发明的有益效果是，通过将多通道采集模块采集的数据以三种可选的方式上传，并且具有220V交流电和太阳能两种供电方式，从而实现了对地质条件和通讯条件较差的地质灾害多发地区的地质监测，不仅结构简单而且安装布设较容易，短时间即可布设完成，对电源和通讯设备的要求也较低。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]图1为本发明提供的滑坡应急监测系统的结构示意图；
[0008]图2为本发明提供的多通道采集模块与通讯模块的连接结构示意图；
[0009]图3为本发明提供的CPU电源电路的结构示意图；
[0010]图4为本发明提供的AD电源电路的结构示意图；
[0011]图5为本发明提供的5伏传感器电源的结构示意图；
[0012]图6为本发明提供的12伏传感器电源的结构示意图；
[0013]图7为本发明提供的交直流电源切换电路的结构示意图；
[0014]图8为本发明提供的太阳能充电电路的结构示意图；
[0015]图9为本发明提供的锂电池充放电电路的结构示意图；
[0016]图10为本发明提供的防水保护箱的整体布局示意图；
[0017]图11为本发明提供的传感器组件与防水保护箱的布设示意图；[0018]图12为本发明提供的滑坡应急监测系统的使用状态示意图。
【具体实施方式】
[0019]为了能够更清晰地阐明本发明的特点和工作基本原理，以下结合附图及实施例，对本发明进行说明。
[0020]本【具体实施方式】提供了一种滑坡应急监测系统，如图1所示，包括:多通道采集模块1、通讯模块2、电源调节模块3和外部供电模块4，外部供电模块4的电源输出端与电源调节模块3的电源输入端连接，电源调节模块3的第一电源输出端与多通道采集模块I的电源输入端连接，电源调节模块3的第二电源输出端与通讯模块2的电源输入端连接，多通道采集模块I的数据输出端与通讯模块2的数据输入端连接。
[0021]具体的，多通道采集模块I包括:处理器11、电压信号传感器12和485模块13，电压信号传感器12的传感数据输出端与处理器11的传感数据输入端连接，485模块13的485格式数据输出端与处理器11的485格式数据输入端连接。其中，处理器11可采用PIC24F32K芯片，电压信号传感器12可采用ADS1256芯片。多通道采集模块I与通讯模块2的连接关系如图2所示，PIC24F32K为仪器的核心处理器，属于超低功耗16位单片机；ADS1256是24位Λ - Σ ADC,采集7路输出O?5伏电压信号的传感器；485模块通过PIC24的串口 2连接，用于接收输出数据格式为485标准的智能传感器；通讯模块2包括了支持中国移动与联通GPRS网络数据格式的MC52i芯片，支持中国电信CDMA网络数据格式的MC8332芯片和支持北斗短报文的北斗终端，这三种模块通过RS232线缆与PIC24的串口I按照复用方式连接，供电统一为12伏电压，电流不小于3安，通过3个继电器与系统电源连接；考虑到野外供电问题，为了尽量降低功耗，仪器通常处于低频工作模式，在这种模式下整机电流低于I毫安，在设定的时间到后切换到正常工作频率，采集存储数据后向后台的监控软件发送数据，考虑到野外环境下无线通讯的不确定性，通讯系统同时连接了三种设备，首先打开继电器给MC52i供电，如果接收命令或发送数据成功，随后进入低频模式，等待下一次切换，如果没有成功，则关闭MC52i，打开MC8332，如果接收命令或发送数据成功，随后进入低频模式，等待下一次切换，如果没有成功，则关闭MC8332，打开北斗终端，发送短报文数据后进入低频模式，等待下一次切换。
[0022]电源调节模块3采用分区供电以降低系统功耗，多通道采集模块I和通讯模块2在工作时被供给电源，在其它时间彻底切断电源以最大限度的降低功耗，整个系统受程序控制，分为CPU电源、AD电源、5伏传感器电源、12伏传感器电源。
[0023]图3所示的是CPU电源电路，PIC24F32K是3.3伏供电，12伏的输入电压必须进行DC降压处理。DC降压是比较损耗功率的，相当于把部分电能转化为热能，因此选用了一个自身功耗非常低的DC模块LTC3631，LTC3631的静态电流是12微安，在3.3伏电压下最大输出电流可以达到100晕安。
[0024]图4所示的是AD电源电路，LP3878是一款低压差线性稳压器(LDO)，最大可以输出800毫安的电流，输出噪声的典型值是18微伏，适用于做为高精度AD转换器的基准电源，8脚是使能端，连接PIC24的1脚，采集数据时在PIC24的控制下使能为AD供电，完成后关断停止供电。
[0025]图5所示的是5伏传感器电源电路，LM2596S是一款降压开关稳压器，最大输出3安电流，可以为一些功耗较大的5伏传感器供电，5脚是开关，受到PIC24的1脚控制，在通常情况下关断，工作时打开，以便最大限度的降低功耗。
[0026]图6所示的是12伏传感器电源电路，G6E-134P是一款欧姆龙的继电器，最大支持3安电流，可以为一些功耗较大的12伏传感器供电，PIC24的1脚通过三极管控制继电器的通断，继电器工作电流为43毫安，不过考虑到一般情况下工作时间很短，所以对整体功耗的降低影响不大。
[0027]外部供电模块4由交直流切换、太阳能控制、锂电池组充放电三部分电路组成。由于北斗终端对电源系统要求较高，如果在监测现场有220伏电源供应，可以优先利用，如果220伏电力中断，外部供电模块会自动转为太阳能给蓄电池充电同时给仪器设备供电。如图7所示，当220伏变压器输出高电平控制信号PNP三极管断开，PMOS管G端和S端电压相等，PMOS管断开，系统由220伏变压器输出的电压给蓄电池充电；当220伏电源中断，PNP三极管控制端接地导通，PMOS管G端与S端存在12伏压差，PMOS管导通，太阳能板通过太阳能控制器给蓄电池充电。
[0028]太阳能控制器负责收集太阳能板光能转化的电能，调节输出电压。考虑到太阳能控制器实际应用过程中可能出现短路和反接情况，所以太阳能控制器具备短路和电源反接保护功能。如图8所示，太阳能保护电路采用的是控制地来实现的，PWR_SUN、GND_SUN分别为太阳能板正负极，正负极正常接入电路，Q5打开，Q2、Q3导通，GND_SUN和GND_BAT接通，电路正常工作；当正负极接反后Q4导通导致Q2断开，太阳能地与电池地断开而无法形成放电回路，从而达到电路保护的目的。20瓦太阳能板直接输出电压为17伏左右，而电池充电需要12伏基础电压，因而需要调节太阳能电压到12伏。CPU输出PWM信号控制Q8进而控制PMOS Ql通断，经过电感LI和电容C2整流滤波后，输出直流12伏。
[0029]锂电池组充放电控制主要调节太阳能控制器输出的电能电压电流，以满足电锂电池充电过程分为四个阶段:涓流充电、横流充电、恒压充电和终止充电，如图9所示。电池充放电管理芯片通过控制4个PMOS管，保护电池组不会过充或过放，同时控制充放电曲线，保证锂电池组充电4个过程。电池组串联充电过程中一节电池已经充满，原则上不能够再进行充电，否则这节已经充满的电池会出现过充现象而损坏，但这时串联在一起的其余电池还没有充满电，所以电池组因为避免单节过充而无法达到最大储能的目的，大大降低了电池组使用效率。为了解决这个问题，设计中增加了电池充电平衡电路，适当释放已经充满电电池的少部分电量，使得串联在一起的其他电池仍然能够继续充电，延续到电池组中每节电池都达到充满电的时候充电控制器才终止充电。电池组动态平衡电路主要由CPU控制完成，CPU采集每节电池电压，在S8254充电保护后，CPU判断是哪一节电池达到了饱和充电电压，如果其余电池还没有充满，CPU控制Q33?Q36相应的PMOS管导通通过释放已经充满电的电池部分电量，S8254便可恢复对电池组充电，直到所有电池都达到充电饱和电压。
[0030]进一步地，本【具体实施方式】提供的滑坡应急监测系统还可以包括防水保护箱，用于将多通道采集模块1、通讯模块2、电源调节模块3和外部供电模块4集成并进行防水保护，防水保护箱平时以手提箱方式把除传感器外仪器其它部分集成在一起。如图10所示，在现场应用时，太阳能板单板重量为2.4公斤，使用时要保持防水保护箱的中心平稳，所以三块太阳能板中两块采用左右布局方式，保证上面的第一块太阳板打开后，箱体不至于翻倒。第一块太阳能板打开后结构上保证其与地面成45度角，另外两块太阳能板平行于第一块太阳板。防水保护箱需要考虑中间设备电源和控制器部分密封防水，太阳能板收起后依然保证密封防水性能，并在强光下不变形。前后箱体和太阳能框架选用氧化铝，材料轻便、有一定的结构刚性、耐酸碱腐蚀、抗氧化性能好；隔板选用ABS，材料轻便、易于加工、耐酸碱腐蚀、绝缘。箱体合页、箱体与太阳能板合页选用SUS304，便于前后箱体开合、不需要承受很大的结构重量、防腐蚀、承重能力好、合页开合力度可调节、占用空间小；缓冲垫选用PE，耐酸碱腐蚀、具有很好的弹性及耐磨性、材料轻便。
[0031]进一步地，本【具体实施方式】提供的滑坡应急监测系统还可以包括传感器组件，所述传感器组件的数据输出端与多通道采集模块I的数据输入端连接，所述传感器组件包括拉绳式位移传感器21、激光测距传感器22、磁致伸缩传感器23和雨量传感器24。其中，拉绳式位移传感器21，用于监测动态范围在I米以内，精度I毫米的常规裂缝；激光测距传感器22，用于监测动态范围在40厘米-100米以内，精度2毫米的大跨度裂缝；磁致伸缩传感器23，用于监测动态范围在1.5米以内，精度0.1毫米的裂缝；雨量传感器24，用于降雨量的监测，分辨率0.2毫米。与轻便支架配合以便于在野外监测现场快速安装，如图11所示。支架高2米，最高处安装有避雷针25，以防雷电危害；北斗天线26是全向天线，但是在南侧不能有明显的遮挡物，负责影响卫星通讯，所以把它架在1.9米处的支臂；雨量传感器24采用了光电式，相较于翻斗式雨量计体积大为缩小，同样安装于1.9米处的支臂上以免受遮挡；激光测距传感器22安装于1.7米处的支臂上，可以上下调整角度以利于监测点的布设，通过测量激光回波时间获得位移变化数据；拉绳式位移传感器21通过固定器安置在
0.3米处，拉绳向下通过保护管横跨待监测裂缝两端，通过内部滑动变阻器的线性变化获得位移变化数据；磁致伸缩传感器23不通过支架安装，它的一端固定于滑坡裂缝后缘，磁环固定于裂缝前缘，通过磁环在金属棒的移动距离获得位移变化数据；采集传输主机27通过线缆与传感器和北斗天线连接，距离可以调整，以方便安置在合适的位置；所以现场设备都具有可折叠和组合功能，以方便开速展开、布设和回收。
[0032]本【具体实施方式】提供的滑坡应急监测系统的工作原理是:突发性滑坡灾害发生后，应急监测人员携带滑坡应急监控综合体进入现场，快速安装设备后撤离，利用220伏民用电或者太阳能和电池组成的电源系统给仪器设备、传感器和通讯设备供电，通过GPRS或北斗短报文，确保把采集的数据实时远程传输到监控中心，以供领导、专家据此作出决策，图12为应急监测人员使用设备的示例关系。
[0033]采用本【具体实施方式】提供的技术方案具有以下的技术效果:
[0034]1、仪器与外部机箱一体化设计:仪器无需增加保护设备直接在野外工作，整体机构紧凑，可以由最少2人在野外环境下携带与布设。
[0035]2、仪器工作可靠:仪器的电子元件按照车用级标准选择，电路板遵循电磁兼容原则下设计，可以保证系统正常工作和工作的可靠性。
[0036]3、供电多样化:可以同时采用民用220V和太阳能二种方式供电。
[0037]4、多模式通讯:可以并行采用GPRS、CDMA、北斗短报文三种通讯模式，以确保在任何条件下都可以实时传输监测数据。
[0038]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，这些【具体实施方式】都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种滑坡应急监测系统，其特征在于，包括:多通道采集模块(I)、通讯模块(2)、电源调节模块(3)和外部供电模块(4)，外部供电模块(4)的电源输出端与电源调节模块(3)的电源输入端连接，电源调节模块(3)的第一电源输出端与多通道采集模块(I)的电源输入端连接，电源调节模块(3)的第二电源输出端与通讯模块(2)的电源输入端连接，多通道采集模块(I)的数据输出端与通讯模块(2)的数据输入端连接。
2.根据权利要求1所述的滑坡应急监测系统，其特征在于，所述系统还包括:防水保护箱，用于将多通道采集模块(I)、通讯模块(2)、电源调节模块(3)和外部供电模块(4)集成并进行防水保护。
3.根据权利要求1所述的滑坡应急监测系统，其特征在于，所述系统还包括:传感器组件，所述传感器组件的数据输出端与多通道采集模块(I)的数据输入端连接，所述传感器组件包括拉绳式位移传感器、激光测距传感器、磁致伸缩传感器和雨量传感器。
4.根据权利要求1所述的滑坡应急监测系统，其特征在于，多通道采集模块(I)包括:处理器(11)、电压信号传感器(12)和485模块(13),电压信号传感器(12)的传感数据输出端与处理器(11)的传感数据输入端连接，485模块(13)的485格式数据输出端与处理器(11)的485格式数据输入端连接。
5.根据权利要求1所述的滑坡应急监测系统，其特征在于，通讯模块(2)包括:用于支持GPRS网络数据的MC52i芯片、用于支持CDMA网络数据的MC8332芯片和用于支持北斗短报文的北斗终端。
【文档编号】G01D21/02GK203824589SQ201420246291
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月13日 优先权日:2014年5月13日
【发明者】殷跃平, 陈红旗, 曹修定, 吴悦, 杨凯, 董翰川, 潘书华 申请人:中国地质调查局水文地质环境地质调查中心