基于uwb的滑坡实时监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于UWB的滑坡实时监测系统，系统包括多个微基站和多个位置标签。位置标签由通信模块、RF天线、UWB脉冲发生器、UWB天线和电源模块构成；微基站由ARM处理器、温/湿度传感器、振动触发器、MEMS加速度计、通信模块、RF天线、UWB脉冲接收机、UWB天线、存储器、报警器和电源模块构成。微基站可以测量环境的温/湿度信息和地下瞬时振动；组合微基站和位置标签可以准确测量地表的位移量。地表位移能够对长期潜在的滑坡进行预测；环境温/湿度信息能够给出短期预警信息；地下瞬时振动异常信号能够给出实时预警信息。ARM处理器对这些信息进行综合分析，并通过报警器实现对滑坡的时间分级报警功能。
【专利说明】基于UWB的滑坡实时监测系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及地质灾害监测领域，尤其是一种滑坡实时监测系统。
【背景技术】
[0002] 滑坡是人类长期以来面临的最广泛、受害最重和时间最长的地质灾害之一。特别 是近几十年来，人类掠夺性地利用自然资源和开发环境，导致地质环境恶化，使得滑坡等地 质灾害更加频繁地发生，对人民的生命、财产安全造成了极大威害。据不完全统计，我国每 年发生滑坡、泥石流等各种地质灾害数万起，造成数十万人受灾。另一方面，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、塌陷等破坏性灾害，也严重影响着 这些基础设施的使用安全和使用寿命。
[0003] 滑坡灾害一般发生在地形起伏较大、断裂发育、岩石破碎和多暴雨的地方。由于滑 坡具有突发性强、不确定性大、受天气影响大、分布范围广等特点，使监测和预防工作存在 很大的困难，能够在灾害发生前做出预警的还不到十分之一。早在20世纪五六十年代，国 外就开展了边坡的监测技术研究。1956年前苏联学者叶米里扬诺娃编写了《滑坡观测技术 指南》一书，对滑坡位移观测的原理、方法和应用进行了系统总结。目前，对滑坡进行监测的 主要方法有：宏观异常观测法（如地表明显位移、地裂等）、物探法、位移测量法、水位异常 分析法、遥感航测法等。这些方法不仅需要利用大型、昂贵的仪器设备进行监测，还需要耗 费大量的人力、物力，很难推广到广大存在滑坡隐患的地区。
[0004] 随着GPS技术的发展，使得快速准确地测量地表位移成为可能，以此为基础的滑 坡监测方法受到了广泛关注。例如，1990年开始湖北省在位于长江三峡库区九弯溪断裂与 新滩岩崩区地段建立GPS滑坡监测网。在实际应用中，要利用地表位移实现滑坡监测和预 警，需要对地表位移的测量精度达到厘米级，并且进行长期实时监测。这些技术要求使得直 接采用GPS对滑坡进行组网监控面临费用高、功耗大、实施困难的问题，很难满足乡村、企 业和个人对小型化、低成本、操作简便的滑坡监测系统的应用需求。
[0005] 超宽带（UWB)技术的发展，为区域高精度位置测量提供了一个可以替代GPS的实 施方案。UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，具有功耗低、安全性高、 不易产生干扰的优点，可以非常方便地组成无线传感网络，进行位置测量和信息传输。
[0006] UWB系统可以给出相对位置信息，其定位精度可达厘米级，能够满足对滑坡监测的 需求，且与GPS相比更为便宜，便于形成小型化、低成本、操作简便的滑坡监测系统。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种能对滑坡等地质灾害进行实时监测和报警的系统。该 系统具有部署方便、成本低、可长期无人值守运行的特点，能够提供准确的滑坡实时监测和 报警功能，可以应用于中小规模的山体滑坡监测和报警。
[0008] 为实现上述发明目的，本发明是由多个微基站和位置标签组成的传感网络（如图 2所示）。位置标签包括：通信模块、RF天线、UWB脉冲发生器、UWB天线和电源模块（如图 4所示）。位置标签分布式部署于潜在的滑坡区域，接受指令发射UWB定位脉冲信号。微基 站包括：ARM处理器、温/湿度传感器、振动触发器、MEMS加速度计、通信模块、RF天线、UWB 脉冲接收机、UWB天线、存储器、报警器和电源模块（如图3所示）。微基站部署于地质结构 稳定的位置，接收位置标签发射的UWB定位脉冲信号，并解算位置标签的位移量。温/湿度 传感器负责采集环境温/湿度信息；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。微基站对采集到的数据进行综合分析，计算滑坡出现的概率， 通过报警器发出时间分级报警信号。
[0009] 本发明通过检测地表位移、环境温/湿度信息以及地下瞬时振动异常对滑坡进行 监测。地表位移反映了山体的变化状态，能够预测潜在的山体滑坡灾害；环境温/湿度信息 反映了经常出现滑坡的环境状态，能够给出短期预警信息；地下瞬时振动异常信号反映了 山体的瞬时运动状态，能够给出实时预警信息。
[0010] 本发明的有益效果是：
[0011] 1、部署方便：本发明采用无线传感网络方式部署，位置标签和微基站可根据需要 灵活部署在不同的位置；
[0012] 2、功耗低：本发明采用UWB技术进行位移检测，系统功耗低，可长期无人值守运 行；
[0013] 3、分级报警：本发明可以给出不同时间等级的滑坡报警信息，能够进行长期、短期 和实时滑坡报警。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1滑坡监测系统数据传输示意图
[0015] 图2滑坡监测系统部署示意图
[0016] 图3微基站组成结构框图 [0017] 图4位置标签组成结构框图
[0018] 图5UWB脉冲定位工作流程
【具体实施方式】
[0019] 如图2所示，本发明是由多个微基站和位置标签组成的传感网络。位置标签分布 式部署于潜在的滑坡区域，接受指令发射UWB定位脉冲信号。微基站部署在地质结构稳定 的位置，负责解算位置标签的位移量，监测环境温/湿度信息和地下瞬时振动，并发出分级 报警信号。位置标签与微基站之间通过无线传输方式传递数据和控制信息（如图1所示）。
[0020] 位置标签的组成结构框图如图4所示，包括：通信模块、RF天线、UWB脉冲发生器、 UWB天线和电源模块。通信模块负责通过RF天线接收微基站控制指令，并跟据控制指令控 制UWB脉冲发射机通过UWB天线发射UWB定位脉冲信号；电源模块为位置标签提供电源供 应。为降低位置标签的功耗，实现长期无人值守运行，位置标签采用睡眠/唤醒方式。定位 前，由微基站发送唤醒指令，通信模块接收到唤醒指令后，唤醒位置标签，并发送UWB定位 脉冲信号；完成定位后，位置标签进行睡眠状态。
[0021] 微基站的组成结构框图如图3所示，包括：ARM处理器、温/湿度传感器、振动触发 器、MEMS加速度计、通信模块、RF天线、UWB脉冲接收机、UWB天线、存储器、报警器和电源模 块。温/湿度传感器负责采集环境中的温/湿度信息，温/湿度信息与天气情况密切相关， 用于滑坡的短期预测。当滑坡发生时，地面产生的振动会触发振动触发器产生触发信号， 触发MEMS加速度计开始工作。MEMS加速度计负责采集地下振动信号，用于滑坡的实时预 警。ARM处理器负责协调系统各组件之间的工作，并对采集的数据进行处理，形成分级报警 信号。ARM处理器生成定位指令，并通过通信模块与位置标签完成握手通信，并唤醒UWB脉 冲接收机，开始通过UWB天线接收UWB定位脉冲信号；位置标签完成握手通信后，唤醒UWB 脉冲发射机，通过UWB天线发射UWB定位脉冲信号。UWB脉冲接收机接收到UWB定位脉冲信 号后，完成UWB定位脉冲到达时间测量，并把测量结果发送到ARM处理器，ARM处理器根据 UWB定位脉冲到达时间解算位置标签的位移量。ARM处理器接收到位置标签位移量、环境温 /湿度、瞬时振动信息后，对滑坡的发生概率进行解算，形成长期、短期和实时不同时间等级 的报警信号，并根据不同的报警信号等级，开启报警器进行报警。存储器负责存储网络结构 信息、外部环境信息和历史记录。电源模块为微基站提供电源供应。系统支持单基站模式 和多基站模式，多基站模式在工作时采用主-从方式。单基站模式只能记录位置标签相对 于基站的距离变化情况；多基站模式可以完成位置标签的定位功能，并可提供更高精度的 位移测量结果。
[0022] 本发明的UWB脉冲定位工作流程可描述如下（如图5所示）：
[0023] 第一步，主基站发送启动从基站信号。主基站通过通信模块向从基站发送启动信 号，从基站通过通信模块接收到主基站的启动信号，把从基站从睡眠中唤醒。
[0024] 第二步，从基站启动UWB脉冲接收机，开始接收UWB定位脉冲信号。
[0025] 第三步，从基站通过通信模块向主基站返回握手信号。
[0026] 第四步，主基站启动UWB脉冲接收机，开始接收UWB定位脉冲信号。
[0027] 第五步，主基站发送启动位置标签信号。主基站通过通信模块向位置标签发送启 动信号，位置标签通过通信模块接收到主基站的启动信号，把位置标签从睡眠中唤醒。
[0028] 第六步，位置标签通过通信模块向主基站返回握手信号。
[0029] 第七步，位置标签启动UWB脉冲发射机，发射UWB定位脉冲信号。
[0030] 第八步，主基站和从基站通过UWB天线和UWB脉冲接收机，接收UWB定位脉冲信 号。
[0031 ] 第九步,主基站和从基站解算UWB定位脉冲到达时间。
[0032] 第十步，从基站通过通信模块向主基站发送UWB脉冲到达时间。
[0033] 第十一步，王基站解算位直标签位移量。王基站根据从基站和王基站犾得的UWB 脉冲到达时间以及位置标签的历史记录解算位置标签的位移量。
[0034] 本发明可以监测地表位移、环境温/湿度信息以及地下振动信号，不仅可以用于 滑坡监测，还可应用于地面塌陷、泥石流、建筑物形变等灾害的监测与报警需求。
【权利要求】
1. 一种基于UWB的滑坡实时监测系统，其特征在于：系统包括多个微基站和多个位置 标签；位置标签分布式部署于潜在的滑坡区域，接受指令发射UWB定位脉冲信号；微基站部 署于地质结构稳定的位置，负责解算位置标签的位移、监测环境温/湿度信息和地下瞬时 振动，并发出时间分级滑坡报警信号；位置标签与微基站之间通过无线方式传递信息。
2. 如权利要求1所述的微基站，其特征在于：包括ARM处理器、温/湿度传感器、振动 触发器、MEMS加速度计、通信模块、RF天线、UWB脉冲接收机、UWB天线、存储器、报警器和电 源模块;MEMS加速度计负责采集地下振动信号，用于滑坡的实时预警；温/湿度传感器负责 采集环境中的温/湿度信息，用于滑坡的短期预测；所述微基站与权利要求1所述的位置标 签组合解算位置标签的位移量，用于滑坡的长期预警；ARM处理器用于微基站的组件控制 和滑坡报警信号生成。
3. 如权利要求1所述的位置标签，其特征在于：包括通信模块、RF天线、UWB脉冲发生 器、UWB天线和电源模块；所述的通信模块负责通过RF天线接收权利要求1所述的微基站 的控制指令，并跟据控制指令控制UWB脉冲发射机通过UWB天线发射UWB定位脉冲信号；电 源模块为位置标签提供电源供应；所述位置标签采用睡眠/唤醒工作方式以降低功耗。
4. 如权利要求1所述的微基站，其特征在于：多个微基站采用主-从工作模式；主基 站负责发布控制指令，解算权利要求3所述UWB定位脉冲信号到达时间，接收从基站发送的 UWB定位脉冲信号到达时间，并以此解算权利要求1所述的位置标签的位移量；从基站接收 主基站控制指令，解算UWB定位脉冲信号到达时间，并向主基站发送该时间信息。
【文档编号】G08B21/10GK104143252SQ201410322663
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月9日 优先权日:2014年7月9日
【发明者】许宁, 许东 申请人:无锡蓝赛科技有限公司