滑坡监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种滑坡监测系统，属于地质灾害监测领域。该系统包括：滑坡侧节点、监控室侧协调器节点和服务器；滑坡侧节点包括：路由传感器节点，设置于滑坡的表面以采集滑坡信息；滑坡侧协调器节点，设置于滑坡的表面，与路由传感器节点通过短距离无线通信连接，以接收路由传感器节点发送的滑坡信息；监控室侧协调器节点，设置于监控室侧，通过中继器与滑坡侧协调器节点短距离无线通信连接；服务器，设置于监控室内，服务器的输入端与监控室侧协调器节点通过有线通信连接，服务器的第一输出端与显示器的输入端连接。本发明通过上述技术方案使得滑坡监测系统具有小型、快速、低功耗、低成本的特点。
【专利说明】滑坡监测系统
【技术领域】
[0001]本发明属于地质灾害监测领域，具体涉及一种滑坡监测统。
【背景技术】
[0002]滑坡是一类重要的地质灾害，具有发生区域广泛和频繁发生的特点，所引起的直接经济损失和间接经济损失都相当巨大。随着人类活动，尤其是人类工程活动范围和规模的不断扩大，滑坡发生的次数和可能性有增加的趋势，给社会带来的危害性也逐渐增大。关于滑坡预测预报的研究一直是国内外工程地质和岩石力学等各个学科领域的专家和学者十分关注的一个理论和技术难题。如何对滑坡进行预测预报是以避免由于滑坡发生而引起的各种损失作为这些研究工作的出发点。然而，只有以足够的精度对滑坡进行监测，及时、准确获取滑坡的特征信息，成功地预测预报出滑坡的发生时间、规模和发展趋势等，才能真正达到防灾减灾的目的，这就决定了第一步的基础数据采集与监测是后续工作得以展开的根本保障及奠基性作用。
[0003]按监测对象的不同，滑坡监测可分为四大类:即位移监测(地面绝对/相对/深部位移监测)、物理场监测(应力/应变/声发射监测)、地下水监测(地下水位、孔隙水压力、土体含水量监测)和外部诱发因素监测(地震、降雨量、冻融监测)。监测方式经历了由最初的人工测量到简易仪器监测，再发展到专业的有线线缆监测，以及目前主流的无线监测方式的过程。其中，关于连接方式，主要采用线缆或者无线GPRS/GSM通信的方式汇集到中心计算机上——采用线缆的方式有明显的弊端，除了在危险地带不易布线，施工接续困难外，还易被人为破坏，容易受到自然灾害的破坏性影响；采用GPRS/GSM通信的方式也有其技术上的局限性，如数据的远程传输如果采用GSM短信方式，造成数据传输的延迟大、费用高、实时性差，不满足成本低、高实时性的要求，严重影响了系统的整体性能；此外，在一些偏远地区和山区，信号较弱，甚至搜索不到GPRS/GSM信号，因而无法建立有效的GPRS自动监测网络，从而导致这样的监测方式不可避免的存在不足之处。在实际监测过程中，传统传感器表露出来的体积偏大且检测时间长也成为其自身推广应用与发展的瓶颈。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明提供了一种滑坡监测系统，其包括:滑坡侧节点、监控室侧协调器节点和服务器；所述滑坡侧节点包括:路由传感器节点，设置于滑坡的表面以采集滑坡信息；滑坡侧协调器节点，设置于所述滑坡的表面，与所述路由传感器节点通过短距离无线通信连接，以接收所述路由传感器节点发送的所述滑坡信息；所述监控室侧协调器节点，设置于监控室侧，通过中继器与所述滑坡侧协调器节点短距离无线通信连接；所述服务器，设置于所述监控室内，所述服务器的输入端与所述监控室侧协调器节点通过有线通信连接，所述服务器的第一输出端与显示器的输入端连接。
[0005]在如上所述的滑坡监测系统中，优选地，所述短距离无线通信为基于IEEE802.15.4的无线通信。
[0006]在如上所述的滑坡监测系统中，优选地，所述路由传感器节点与所述滑坡侧协调器节点，以及所述滑坡侧协调器节点与所述监控室侧协调器节点均通过Zigbee无线通信连接。
[0007]在如上所述的滑坡监测系统中，优选地，所述路由传感器节点包括:MEMS三轴加速度传感器；控制器，所述控制器的SPI接口与所述MEMS三轴加速度传感器的输出端连接；短距离无线通讯模块，所述短距离无线通讯模块的输入端和第一输出端分别与所述控制器的输出端和第一输入端连接，所述短距离无线通讯模块的第二输出端与天线连接；以及电源，所述电源的输出端与所述MEMS三轴加速度传感器的输入端和所述控制器的第二输入端连接。
[0008]在如上所述的滑坡监测系统中，优选地，所述MEMS三轴加速度传感器的芯片为LIS3LV02DL，所述短距离无线通讯模块的芯片为CC2591，所述控制器包括芯片为MSP430F133的中央处理器和芯片为AT4OTB321的闪存。
[0009]在如上所述的滑坡监测系统中，优选地，所述滑坡测节点的数量为多组，任一组中的所述路由传感器节点的数量为多个，所述滑坡侧协调器节点的数量为一个，多个所述路由传感器节点中的任一个与所述滑坡侧协调器节点通过所述短距离无线通信连接。
[0010]在如上所述的滑坡监测系统中，优选地，所述服务器的第二输出端与互联网连接。
[0011]在如上所述的滑坡监测系统中，优选地，所述服务器的输入端与所述监控室侧协调器节点通过USB接口有线通信连接。
[0012]在如上所述的滑坡监测系统中，优选地，所述滑坡监测系统还包括指纹机；所述指纹机设置于所述监控室侧，所述指纹机的输出端与所述显示器的启动端连接。
[0013]在如上所述的滑坡监测系统中，优选地，所述滑坡监测系统还包括:声音播放器或短信发送器；所述声音播放器或短信发送器的启动端与所述服务器的第三输出端连接。
[0014]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0015]从数据传输结构上讲，该滑坡监测系统将MEMS三轴加速度传感器采集到的信号送至滑坡侧协调器节点时，采用的是ZigBee技术的网络拓扑结构，建立了多组由一个协调器节点，多个路由节点构成的无线网络，从而避免了实时性差以及偏远山区信号弱的问题。
[0016]与当前该领域监测技术相比，具有成本低(成本低于传统无线传感器网络的10% )，节点体积小(更方便深度位移监测点布置)，覆盖面积广且易于密集布置监测点(节点空间间隔0.5-lm)、检测快速(具备高精度的实时采样能力，对动态测量至少100HZ以上)的测量3维土体变形量，及2维加速度(2个横向加速度)的滑坡无线监测系统。即本发明提供的滑坡监测系统为基于MEMS及Zigbee无线网络技术的小型、快速、低功耗、低成本的滑坡无线监测系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明实施例提供的一种滑坡监测系统的结构示意图；
[0018]图2为本发明实施例提供的一种路由传感器节点的结构框图；
[0019]图3为本发明实施例提供的一种路由传感器节点的电路示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明。
[0021]参见图1，本发明实施例提供了一种滑坡监测系统，其包括:滑坡侧节点、监控室侧协调器节点3和服务器4，其中，滑坡侧节点包括:设置于滑坡表面的路由传感器节点1和滑坡侧协调器节点2，路由传感器节点1和滑坡侧协调器节点2之间，以及滑坡侧协调器节点2和监控室侧协调器节点3之间均通过相同技术标准的短距离无线通信连接，该短距离无线通信优选为基于IEEE802.15.4的无线通信，更进一步优选地为Zigbee (低速短距离传输的无线网络协定)无线通信。
[0022]具体而言，路由传感器节点1用于测量滑坡信息，并将滑坡信息通过短距离无线通信发送至滑坡侧协调器节点2，协调器节点2包括:MEMS(Micro Electro MechanicalSystem，微电子机械系统)三轴加速度传感器、控制器(微处理器)和短距离无线通讯模块(无线收发模块)。MEMS三轴加速度传感器用于采集监控区域内的滑坡数据(滑坡信息)，其体积小，利于深度位移监测点布置，且易于密集布置监测点，还具有功耗低的特点，设置有MEMS三轴加速度传感器的地方形成一监测点，优选地，各监测点(即各MEMS三轴加速度传感器)之间的空间间隔为0.5-lm ;同时由于MEMS三轴加速度传感器还具备高精度的实时采样能力:对动态测量至少100Hz以上，所以其还具有监测快速的特点。该监控区域由路由传感器节点覆盖的区域形成，滑坡数据包括三维土体变形量及二维加速度(2个横向加速度)；控制器通过SPI接口 (Serial Peripheral Interface，串行外设接口)与MEMS三轴加速度传感器的输出端连接，以存储和处理来自于MEMS三轴加速度传感器采集的数据；短距离无线通讯模块用于与滑坡侧协调器节点2进行短距离无线通信以实现交换控制信息和收发采集数据，并将数据通过天线发送至滑坡侧协调器节点。整个路由传感器节点由电源供电，在其整个生存周期里面几乎没有能源补给。
[0023]实际中，参见图2和图3(图3中出现的数字符号为管脚标号，例如1标示管脚1，2标示管脚2等等)，形成路由传感器节点的电路中的元器件具有:MEMS三轴加速度芯片LIS3LV02DL、MCU (Micro Control Unit，微控制单元)芯片 MSP430F133 和 FLASH 存储器芯片AT45DB321、短距离无线通讯模块芯片CC2591以及电池组。LIS3LV02DL是三轴低压带数字接口的加速度计，无须外部A/D测量或频率测量，简化了与外部的接口，减低系统应用成本。控制器包括MCU和FLASH存储器，MCU通过SPI接口定时读取LIS3LV02DL的三个轴(x轴、y轴和z轴)的加速度值，并存储到FLASH存储器中。FLASH存储器使用Atmel公司的带SPI接口，4MB的AT45DB321芯片。该路由传感器节点的电路主要测量滑坡变形位移量及加速度值，因此在应用时需设定LIS3LV02DL的采样率为160Hz，+/_2g量程、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路。无线射频芯片CC2591加强了天线功率，理论通讯距离可达到1000m，具有较高通讯效率，该芯片优选通过ZigBee局域网络(此时可以称为ZigBee无线通讯模块)将控制器输出的来自于MEMS三维加速度传感器的滑坡数据(各节点当前位移量(通过三轴加速度值实现对空间位移的确定)及2维横向加速度值)以被动查询或每隔一定的时间轮流上传的形式通过ZigBee发送到滑坡侧协调器节点，在其他的实施例中，还可以将来自于监控室侧协调器节点的查询命令与自动断电命令下载到MCU中。在其他的实施例中，MEMS三轴加速度芯片、MCU芯片、FLASH存储器芯片、短距离无线通信模块芯片均可以分别是其他类型，本实施例不对此进行限定。
[0024]为了成功地预测预报出滑坡的发生时间、规模和发展趋势等，优选，滑坡侧节点的数量为多组，任一组中的路由传感器节点的数量为多个，任一组中的滑坡侧协调器节点的数量为一个，多个路由传感器节点中的任一个与滑坡侧协调器节点优选通过ZigBee短距离无线通信连接。
[0025]由于短距离无线通信传输距离有限，且实际中监控室与山体距离较远，因此在山体侧设置有中继器，在监控室侧设置有中继器21，通过中继器21，在位于监控室侧的监控室侧协调器节点3和滑坡侧协调器节点2之间建立了短距离无线通信连接，优选为ZigBee短距离无线通信连接。滑坡侧协调器节点2和监控室侧协调器节点3完成路由传感器节点采集数据的无线收发任务，滑坡侧协调器节点和监控室侧协调器节点的电路可以与路由传感器节点的电路相同，为了增加各协调器节点的数据存储和处理功能，在与路由传感器节点相同电路结构的基础上增设了 8KB的可重复擦写EEPR0M存储器，并为监控室侧协调器接电脑配置微型USB接口与服务器通过USB通信。
[0026]服务器4的输入端与监控室侧协调器节点3通过有线通信连接，服务器4的第一输出端与显示器7的输入端连接。为了实现禁止非法用户通过显示器查看服务器输出的数据，显示器7的启动端与指纹机8的输出端连接。为了实现用户不在监控室，在其他地方也能查看服务器输出的数据，服务器的第二输出端与互联网6连接，从而实现其他终端，例如PC机61、手机或掌上电脑通过Internet远程访问该滑坡监测系统。为了实现当监测到的滑坡数据超过报警值时，能及时通知给监控滑坡的监护人员，该滑坡监测系统还包括:声音播放器或短信发送器；声音播放器或短信发送器的启动端与服务器的第三输出端连接。
[0027]需要说明的是:滑坡是山体10受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影响，在重力作用下发生的地质灾害。
[0028]综上所述，本发明实施例的有益效果如下:
[0029]从数据传输结构上讲，该滑坡监测系统将MEMS三轴加速度传感器采集到的信号送至滑坡侧协调器节点时，采用的是ZigBee技术的网络拓扑结构，建立了多组由一个协调器节点，多个路由节点构成的无线网络，从而避免了实时性差以及偏远山区信号弱的问题。
[0030]与当前该领域监测技术相比，具有成本低(成本低于传统无线传感器网络的10% )，节点体积小(更方便深度位移监测点布置)，覆盖面积广且易于密集布置监测点(节点空间间隔0.5-lm)、检测快速(具备高精度的实时采样能力，对动态测量至少100HZ以上)的测量3维土体变形量，及2维加速度(2个横向加速度)的滑坡无线监测系统。即本发明提供的滑坡监测系统为基于MEMS及Zigbee无线网络技术的小型、快速、低功耗、低成本的滑坡无线监测系统。
[0031]由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
【权利要求】
1.一种滑坡监测系统，其特征在于，所述滑坡监测系统包括:滑坡侧节点、监控室侧协调器节点和服务器； 所述滑坡侧节点包括:路由传感器节点，设置于滑坡的表面以采集滑坡信息；滑坡侧协调器节点，设置于所述滑坡的表面，与所述路由传感器节点通过短距离无线通信连接，以接收所述路由传感器节点发送的所述滑坡信息； 所述监控室侧协调器节点，设置于监控室侧，通过中继器与所述滑坡侧协调器节点短距离无线通信连接； 所述服务器，设置于所述监控室内，所述服务器的输入端与所述监控室侧协调器节点通过有线通信连接，所述服务器的第一输出端与显示器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的滑坡监测系统，其特征在于，所述短距离无线通信为基于IEEE802.15.4的无线通信。
3.根据权利要求2所述的滑坡监测系统，其特征在于，所述路由传感器节点与所述滑坡侧协调器节点，以及所述滑坡侧协调器节点与所述监控室侧协调器节点均通过Zigbee无线通信连接。
4.根据权利要求1所述的滑坡监测系统，其特征在于，所述路由传感器节点包括: MEMS三轴加速度传感器； 控制器，所述控制器的SPI接口与所述MEMS三轴加速度传感器的输出端连接； 短距离无线通讯模块，所述短距离无线通讯模块的输入端和第一输出端分别与所述控制器的输出端和第一输入端连接，所述短距离无线通讯模块的第二输出端与天线连接；以及 电源，所述电源的输出端与所述MEMS三轴加速度传感器的输入端和所述控制器的第二输入端连接。
5.根据权利要求4所述的滑坡监测系统，其特征在于，所述MEMS三轴加速度传感器的芯片为LIS3LV02DL，所述短距离无线通讯模块的芯片为CC2591，所述控制器包括芯片为MSP430F133的中央处理器和芯片为AT4OTB321的闪存。
6.根据权利要求1所述的滑坡监测系统，其特征在于，所述滑坡测节点的数量为多组，任一组中的所述路由传感器节点的数量为多个，所述滑坡侧协调器节点的数量为一个，多个所述路由传感器节点中的任一个与所述滑坡侧协调器节点通过所述短距离无线通信连接。
7.根据权利要求1所述的滑坡监测系统，其特征在于，所述服务器的第二输出端与互联网连接。
8.根据权利要求1所述的滑坡监测系统，其特征在于，所述服务器的输入端与所述监控室侧协调器节点通过USB接口有线通信连接。
9.根据权利要求1所述的滑坡监测系统，其特征在于，所述滑坡监测系统还包括指纹机； 所述指纹机设置于所述监控室侧，所述指纹机的输出端与所述显示器的启动端连接。
10.根据权利要求1所述的滑坡监测系统，其特征在于，所述滑坡监测系统还包括:声音播放器或短信发送器； 所述声音播放器或短信发送器的启动端与所述服务器的第三输出端连接。
【文档编号】G08B21/10GK104361718SQ201410555381
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年10月17日 优先权日:2014年10月17日
【发明者】姜金俊 申请人:北京航天益森风洞工程技术有限公司