专利名称：一种滑坡监测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及滑坡监测技术领域，特别涉及一种低功耗的滑坡监测装置。
背景技术：
对滑坡的监测是一种常用的地质灾害监测手段。对滑坡的监测重点是滑坡本身的变形，其最大特点在于一是滑坡变形缓慢，有的几个小时、几天、甚至几个月才有变化；二是滑坡与降水有密切关系；三是一般没有市电接入；四是滑坡现场各采集节点之间，采集节点与基站之间有一定的距离，基站与监控主机距离遥远。目前的监测方法主要包括一、人工不定期监测，这种方法需要专业人员携带检测仪器到现场进行，工作效率低而且无法完成时间密集的采集，更难以察觉滑坡的微小相对变化和滑坡深部的土壤温度、土壤湿度变化。二、半自动监测，有线连接各监测点，采集的信息暂存于监测存储设备中，人工定期去监测现场读取滑坡信息。这种方法不能及时获取滑坡信息，且有线布线费时、费力、经济性差。三、美国Crossbow公司利用无线传感器网络组建的滑坡监测系统。滑坡现场的每个采集节点连接一个液位传感器和一个倾斜度传感器。采集节点内部由单独的微处理器和单独的驻留了 Zigbee协议的收发芯片组合而成。它的基站和一个网关无线连接，网关又和PC机相连，利用GPRS网络将滑坡信息传递至远端。该滑坡监测系统虽然利用了先进的无线传感器网络，但仅限于监测滑坡深部的液位和倾斜度，采集节点-基站-网关-GPRS也可以简化，最大的问题是价格昂贵，难以大量使用，不便于推广。
实用新型内容本实用新型公开了一种滑坡监测装置，该装置可实现无人值守、远距离监测滑坡变化，并由于其低功耗而能保持长效性，由于其低价位而利于大量使用。为了达到上述效果，本实用新型采用如下技术方案一种滑坡监测装置，该装置由数个采集节点、基站、监控主机和PC机组成；采集节点由位移传感器、土壤温度、土壤湿度传感器、倾斜度传感器，信号调理电路、ZICM2410芯片，电源变换电路、电池组成，传感器、信号调理电路、ZICM2410芯片依次连接，电池经电源变换电路分别为以上各电路供电；位移传感器将位移量转换为电压信号；土壤温度为热敏电阻型传感器、土壤湿度为湿敏电阻型传感器，它们埋在滑坡内， 以观测降雨期间土壤温度、土壤湿度，它们分别将土壤温度、土壤湿度转换为与之相应的电压信号；倾斜度为微电子机械型传感器，它埋于滑坡内，以监测滑坡变形，它将倾斜度转换为串行数字量；[0013] 基站由Z工(；M24lo芯片、(；SM模块和电源电路组成。电源电路由锂离子电池组、DC—DC变换器组成，Z工(；M24lo芯片、正；SM模块依次连接，锂离子电池组经DC—DC变换器提供Z工(；M24lo芯片、(]-SM模块的供电，基站负责接收各采集节点的信息并经(]-SM网络以短信的方式发送至监控主机。[0014] 由Z工(]M24lo芯片，定时接通三种传感器及相应信号调理电路的电源，并对三种传感器信号进行模数转换，再将滑坡信息发送至基站；在非采集时段Z工(；M24lo芯片处于微功耗状态，以节能和延长电池使用时间；[0015] 采集节点间、采集节点与基站间自动组成遵守Zi扣ee协议的无线传感器网络；基站与监控主机通过(；SM网络通信；土壤温度、土壤湿度传感器为ESllol型；倾斜度传感器为SCAlooT。[0016] 本实用新型的有益效果是[0017] 一、本实用新型构建了以Z工(]M24lo芯片为核心的无线传感器网络，并应用到滑坡监测上，采集节点间以及采集节点与基站间无需布线；[0018] 二、微电子机械系统传感器的出现，使得可以监测倾斜度的微小变化，本监测装置使用了这种传感器，使得倾斜度的测量精度达o．1’ ；[0019] 三、本实用新型可深入滑坡深部测量土壤温度、土壤湿度；[0020] 四、本实用新型中的基站和远程监测主机经(；SM网通信，省略了网关；[0021] 五、本实用新型中的各采集节点和基站均使用了高集成度、低功耗、低价位的Z工(；M24lo芯片，提高了设备的可靠性，使采集节点的成本仅为进口采集节点的十分之一左右[0022] 六、本实用新型中的采集节点采用了低功耗的Z工仁]M24lo芯片，定时接通传感器与信号调理电路，定时发送信息。上述过程仅耗时1秒，而采集的间隔为l小时，因此使节点耗电仅为mw级，功耗大为降低。
[0023] 图l为本实用新型系统结构框图；[0024] 图2为采集节点结构框图；[0025] 图3为采集节点工作模式示意图；[0026] 图4为倾斜度传感器测量角度的示意图；[0027] 图5为位移传感器及信号调理电路原理图；[0028] 图6为土壤温度传感器及信号调理电路原理图；[0029] 图7为土壤湿度传感器及信号调理电路原理图；[0030] 图8为倾斜度传感器电路原理图；[0031] 图9为采集节点主电路原理图；[0032] 图lo为采集节点电源电路原理图；[0033] 图11为基站结构框图；[0034] 图12为基站正；SM模块电路原理图；[0035] 图13为基站串口电平转换电路原理图；[0036] 图14为监控主机结构框图；[0037]图15为采集节点程序流程图；具体实施方式
为了使本实用新型更容易被理解，
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型做进一步说明。参阅图1，一种滑坡监测装置，该装置由多个采集节点、一个基站、一个监控主机和一台PC机组成。多个采集节点组成无线传感器网络，简称WSN，以传递采集的滑坡位移、土壤温度、土壤湿度、倾斜度信息。基站利用GSM网络以短信的方式将信息传输至监控主机。 监控主机通过RS-232将滑坡信息传输到PC机。参阅图2，采集节点由传感器、信号调理电路、集成了单片机和远程数据收发电路的ZICMM10芯片及电源模块组成。倾斜度传感器将采集到信息以数字信号的方式串行送入ZICMM10芯片，其余三种传感器分别与信号调理电路、ZICMM10芯片依次连接。电源模块分别为四种传感器、信号调理电路、ZICMM10芯片供电。参阅图3，为了降低采集节点的平均工作电流，延长工作时间，采集节点采用了间歇式工作方式，即在需要某模块工作时才开启电源为其供电，否则关闭电源，以节省电能， 即实行工作至停机循环控制。tl时间段为采集节点工作时段，t2为休眠时段，tl与t2之和记为一个工作周期T。采集节点在人工开机后，开始执行工作时段程序，在tl内完成滑坡信号的数据采集与发送，随后进入休眠时段。而现代电子技术完全可以保证tl较小，一般在1秒钟以内；而根据滑坡变形的特点，t2取值为1小时，显然有tl << t2，而采集节点在休眠时段的工作电流在μ A级，这样就使采集节点具有极低的平均电流，延长了采集节点的工作时间。参阅图4，片状的倾斜度传感器SCA100T水平放置，当滑坡变形时，其内部的电子机械系统可将图中所示X、Y两个轴向的角度转换为与角度对应的串行数字量输出， SCA100T的测量范围是0 90°，测量精度0.1°。参阅图5，电阻型拉杆式位移传感器量程0 700mm，满量程等效电阻10kQ，线性度士0. 05%。位移传感器将位移变化转换为电阻值变化。在采集期间+5VS电源又将电阻值转换为电压信号。此位移信号经连接器JlO送到信号调理运算放大器LM358的输入端，LM358输出的信号由R19衰减、C31滤波后(ACHO)，送至ZICMM10芯片内的ADC，进行模数转换；参阅图6，温度传感器内部为一热敏电阻，其测量范围-40 +70°C，精度 士0.2%。温度传感器的电阻经Jll连接器，到信号调理运放的输入端。运放输出的信号由 R21衰减、C33滤波后(ACH2)，送ZICMM10芯片内的ADC，进行模数转换；参阅图7，土壤湿度传感器内部为一湿敏电阻，其测量范围0 100%，精度 士2%。土壤湿度传感器的电阻经J12连接器，到信号调理运放的输入端。运放输出的信号由R20衰减、C32滤波后(ACHl)，送ZICMM10芯片内的ADC，进行模数转换；参阅图8，倾斜度传感器CSA100T将串行数字量，由J9连接器经电缆输送至 ZICM2410 芯片；参阅图9，位移传感器的输出ACHO连至ZICMM10芯片ADC的输入端ACH0。湿度传感器的输出ACHl连至ZICMM10芯片ADC的输入端ACHl。温度传感器的输出ACH2连至ZICM2410芯片ADC的输入端ACH2。倾斜度传感器的片选端CS连至ZICMM10的P13端，串行时钟端SCK连至ZICMM10 芯片的P14端，串行数据输入端DIN连至ZICMM10芯片的P17端，串行数据输出端DOUT连至ZICM2410芯片的P16端。采集节点的核心芯片是ZICMM10芯片，它遵从Zigbee规范和IEEE802. 15. 4标准。由一个含有基带modem的射频收发器、硬连线的MAC和内嵌8051内核组成。其高集成度和低功耗特性很适合本实用新型使用。参阅图10，采集节点中的SWl为电源开关，电池为3. 6V锂离子聚合物电池。VIN 经TPS61222升压DC-DC模块升高至+5V。VIN又经TPS63031降压DC-DC模块降低至VDD =3. 3V，为ZICMM10芯片供电。LEDl为电源接通的LED指示灯。Ql为IRFZ44N型N沟道 VM0S,ZICM2410芯片的引脚P3_4 (P34_PWR)控制它仅在需要采集、发送滑坡信息时，接通各传感器和调理电路，以节约功耗。参阅图11，基站由ZICMM10芯片，GSM模块，SIM卡，GSM调试接口以及电源电路组成。ZICMM10芯片、GSM模块、GSM调试接口依次连接。SIM卡和GSM模块相连。电源电路分别为ZICMM10芯片、GSM模块、GSM调试接口供电。基站的ZICMM10芯片除了三个ADC 输入不连接外，其余的接法与采集节点中的ZICMM10芯片相同。参阅图12，基站中 ZICM2410 芯片的串口引脚P3_l (P31_TXD0)、P3_0 (P30_RXD0)与 GSM 模块 GC864 的串口相连，CONTROL 控制 GC864 的通断。GC864 的引脚 SIMVCC(SIM_VCC)、 SIMRST (SIM_RST)、SIMCLK (SIM_CLK)、SIMRIO (SIM_DATA)、SIMIN (GND)与手机卡 SIM-UIM 芯片相应引脚相连。K2为GC864的复位开关。Q3、LED3构成电源指示电路，Q2、LED2为GC864 工作状态指示电路，GC864工作时LED2闪烁。参阅图13，MAX3232为TTL/RS-232电平转换器，通过它使ZICMM10芯片经J2与 PC机通信，以便对ZICMM10芯片编程、调试和固化。参阅图14，监控主机由GSM模块、电平转换电路、串口、监控主机电源电路组成。 GSM模块、电平转换电路、串口依次连接，监控主机电源电路分别为GSM模块、电平转换电路供电。电平转换电路将基站传送来的滑坡信息经串口、RS-232电缆送往PC机。PC机软件系统包括实时显示界面与后台管理数据库两部分，实时显示界面查看当前时刻的滑坡信息，也可以通过后台管理数据库查看历史滑坡信息。参阅图15，采集节点上电，ZICM2410芯片中的单片机初始化，初始化包括设置单片机工作时钟，配置各IO 口，配置定时器，设置ADC工作模式，设置串口，设置为32768Hz时钟频率下的低功耗模式并接着启动定时器。判断是否到1小时。若未到1小时，则等待；如已到1小时，则接通各传感器及调理电路的电源，ZICMM10芯片内单片机的ADC分别对位移传感器、温度传感器、土壤湿度传感器的模拟输入电压进行模数转换。通过P16读入倾斜度值。上述四个数字量经过标度变换产生相应的位移值、温度值、土壤湿度值和倾斜度值。 紧接着将上述四个值以数据包的形式由ZICMM10芯片内的无线收发模块发往基站。发送结束，命令模块重新进入低功耗模式。此后又回到1小时时间到否的循环点。
权利要求1.一种滑坡监测装置，其特征在于该装置由数个采集节点、基站、监控主机和PC机组成；采集节点由传感器、信号调理电路、ZICM2410芯片，电源变换电路、电池组成，传感器、 信号调理电路、ZICMM10芯片依次连接，电池经电源变换电路分别为以上各电路供电，传感器为位移传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、倾斜度传感器； 其中，位移传感器将位移量转换为电压信号；土壤温度为热敏电阻型传感器、土壤湿度为湿敏电阻型传感器，埋在滑坡内，以观测降雨期间土壤温度、土壤湿度，并分别将土壤温度、土壤湿度转换为与之相应的电压信号； 倾斜度为微电子机械型传感器，埋于滑坡内，以监测滑坡变形，并将倾斜度转换为串行数字量；基站包括ZICMM10芯片、GSM模块和电源电路，电源电路由锂离子电池组、DC-DC变换器组成，ZICMM10芯片、GSM模块依次连接，锂离子电池组经DC-DC变换器提供ZICMM10芯片、GSM模块的供电，基站负责接收各采集节点的信息并经GSM网络以短信的方式发送至监控主机。
2.根据权利要求1所述一种滑坡监测装置，其特征在于由ZICMM10芯片定时接通三种传感器及相应信号调理电路的电源，并对三种传感器信号进行模数转换，再将信息发送至基站；在非采集时段ZICMM10芯片处于微功耗状态。
3.根据权利要求1所述一种滑坡监测装置，其特征在于所述基站与监控主机通过GSM 网络通信。
4.根据权利要求1所述一种滑坡监测装置，其特征在于土壤温度、土壤湿度传感器为 ESllOl型；倾斜度传感器为SCA100T。
专利摘要本实用新型公开了一种滑坡监测装置，该装置由数个采集节点、基站、监控主机和PC机组成；采集节点由传感器、信号调理电路、ZICM2410芯片，电源变换电路、电池组成，传感器、信号调理电路、ZICM2410芯片依次连接，电池经电源变换电路分别为以上各电路供电，传感器为位移传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、倾斜度传感器；基站包括ZICM2410芯片、GSM模块和电源电路组成，电源电路由锂离子电池组、DC-DC变换器组成，ZICM2410芯片、GSM模块依次连接，锂离子电池组经DC-DC变换器提供ZICM2410芯片、GSM模块的供电，基站负责接收各采集节点的信息并经GSM网络以短信的方式发送至监控主机。本实用新型高集成度使采集节点和基站体积小、功耗低、可靠性高而成本又较低。
文档编号G01V1/00GK201936016SQ20102065555
公开日2011年8月17日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者奚大顺, 庹先国, 张兆义, 张贵宇, 王洪辉, 范磊磊, 许强 申请人:成都理工大学