本实用新型涉及地质灾害监测技术领域，尤其涉及一种地质灾害监测仪。
背景技术：
现有的地质灾害监测仪存在以下问题：在数据传输过程中的数据容易中断、电源电压不稳定，无法实现长时间的稳定的自动监测。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种地质灾害监测仪，可以实现地质灾害数据的实时监测和自动化传输，而且提供稳定的正负电源电压，为数据采集终端提供保证地质灾害监测仪可以长时间稳定的运行。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种地质灾害监测仪，包括数据采集终端、数据收发器、控制器、无线电路、SIM卡电路、时钟电路、电源、负压电路、滤波电路以及降压电路；
所述时钟电路与所述控制器电连接，所述数据采集终端通过所述数据收发器与所述控制器电连接，所述SIM卡电路通过所述无线电路与所述控制器电连接，所述无线电路与远程终端无线连接；
所述电源与所述负压电路电连接，所述电源以及负压电路均与所述滤波电路电连接，所述滤波电路与所述降压电路电连接，所述数据采集终端、数据收发器、控制器、无线电路、SIM卡电路以及时钟电路均与所述降压电路电连接。
本实用新型的有益效果是：通过数据收发器实现数据采集命令以及地质灾害数据的双向传输，实现数据采集以及数据反馈；通过SIM卡电路实现数据采集终端的身份识别；通过无线电路实现身份识别信息和相对应的监测信息的无线传输，实现监测结果的收集汇总，实现自动化监测；通过时钟电路把控数据采集时机和数据传输时机，实现数据采集和传输的准确控制；通过负压电路产生负电压，与电源提供的正电压配合为数据采集终端提供正负压；正负压经过滤波电路滤波，然后经过降压电路降压，为数据采集终端、数据收发器、控制器、无线电路、SIM卡电路以及时钟电路供电。
在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进：
进一步：所述负压电路包括电荷泵反转芯片U1、电容C1、电容C2、传输电容C3、电阻R1以及电阻R2；
所述电荷泵反转芯片U1的输入端与所述电源电连接，所述电荷泵反转芯片U1的输入端还通过所述电容C1接地，所述电荷泵反转芯片U1的输出端与所述滤波电路电连接，所述电荷泵反转芯片U1的输出端还通过所述电容C2接地，所述电荷泵反转芯片U1的传输电容正输入端通过所述传输电容C3与所述电荷泵反转芯片U1的传输电容负输入端电连接，所述电荷泵反转芯片U1的反馈端通过所述电阻R1与所述电荷泵反转芯片U1的输入端电连接，所述电荷泵反转芯片U1的反馈端还通过所述电阻R2与所述电荷泵反转芯片U1的输出端电连接。
上述进一步方案的有益效果是：通过电荷泵反转芯片产生负电压，与电源提供的正电压配合以便为数据采集终端供电。
进一步：所述滤波电路包括正压滤波电路和负压滤波电路；
所述电源通过所述正压滤波电路与所述降压电路电连接；所述负压电路通过所述负压滤波电路与所述降压电路电连接。
上述进一步方案的有益效果是：滤波电路分别对电源产生的正电压和负压电路产生的负电压进行滤波，然后通过降压电路进行降压，分别为数据采集终端、数据收发器、控制器、无线电路、SIM卡电路以及时钟电路提供合适的电压。
进一步：所述正压滤波电路包括电感L10、电容C10、电容C20、电容C30、电容C40、电容C50以及电容C60；
所述电源通过所述电感L10与所述降压电路电连接，所述电感L10与所述电源的公共端与地之间并联有所述电容C10以及电容C20，所述电感L10与所述降压电路的公共端与地之间并联有所述电容C30、电容C40、电容C50以及电容C60；
所述负压滤波电路包括电感L11、电容C11、电容C22、电容C33、电容C44、电容C55以及电容C66；
所述负压电路通过所述电感L11与所述降压电路电连接，所述电感L11与所述负压电路的公共端与地之间并联有所述电容C11以及电容C22，所述电感L11与所述降压电路的公共端与地之间并联有所述电容C33、电容C44、电容C55以及电容C66。
上述进一步方案的有益效果是：正负压产生以后，电压会产生波动而造成纹波干扰，对于小信号放大电路来说，纹波干扰会对电路产生很大的影响，所以需要进行纹波滤波。
进一步：所述数据采集终端包括振弦式传感器和激振拾振电路；
所述振弦式传感器通过所述激振拾振电路与所述数据收发器电连接，所述振弦式传感器以及激振拾振电路均与所述降压电路电连接。
上述进一步方案的有益效果是：与地质灾害监测相关的传感器包括振弦式传感器、电阻式传感器以及485信号式传感器三种，振弦信号需要经过激振拾振电路才能实现与数据收发器的通信。
进一步：所述激振拾振电路包括模拟开关、激振放大器、拾振放大器以及触发器；
所述激振放大器以及所述拾振放大器均与所述模拟开关电连接，所述模拟开关与所述控制器电连接；
所述振弦式传感器的输出端与所述拾振放大器的输入端电连接，所述拾振放大器的输出端通过所述触发器与所述数据收发器的输入端电连接；所述数据收发器的输出端与所述激振放大器的输入端电连接，所述激振放大器的输出端与所述振弦式传感器的输入端电连接。
上述进一步方案的有益效果是：数据收发器接收控制器发送的激振信号，并将激振信号发送至激振放大器，激振放大器对激振信号进行放大，放大后的激振信号作用于数据采集终端，数据采集终端即开始数据采集；采集完成后，拾振放大器接收数据采集结果并通过数据收发器发送至控制器。模拟开关实现激振放大器和拾振放大器的转换，控制器控制模拟开关的状态，从而控制是进行激振还是拾振。
进一步：所述数据采集终端包括电阻式传感器和分压电路；
所述电阻式传感器通过所述分压电路与所述数据收发器电连接。
上述进一步方案的有益效果是：与地质灾害监测相关的传感器包括振弦式传感器、电阻式传感器以及485信号式传感器三种，电阻式传感器输出电压信号，电压信号经过分压电路分压即可与数据收发器进行通信。
进一步：所述数据采集终端包括485信号式传感器，所述485信号式传感器与所述数据收发器直接电连接。
上述进一步方案的有益效果是：与地质灾害监测相关的传感器包括振弦式传感器、电阻式传感器以及485信号式传感器三种，485信号式传感器可以直接与数据收发器通信。
进一步：地质灾害监测仪还包括检测所述数据采集终端的数据采集状态的继电器电路，所述数据采集终端、数据收发器以及控制器均与所述继电器电路电连接。
上述进一步方案的有益效果是：增加继电器电路检测数据采集终端的采集状态并反馈给控制器，以便控制器更好的监控数据采集终端的工作状态。
进一步：所述继电器电路包括继电器和二极管，所述继电器的线圈的一端与所述数据采集终端电连接，所述线圈的另一端与所述二极管的阴极电连接，所述二极管的阳极接地，所述继电器的触点开关的动触点与所述数据采集终端电连接，所述触点开关的两个静触点分别与所述控制器以及数据收发器电连接。
上述进一步方案的有益效果是：当数据采集终端没有进行数据采集时，触点开关的动触点与控制器电连接，当数据采集终端进行数据采集时，线圈得电，触点开关转换状态，动触点与数据收发器电连接，实现数据采集结果的传输。
附图说明
图1为本实用新型提供的一种地质灾害监测仪的电路结构示意图；
图2为本实用新型提供的一种地质灾害监测仪的负压电路的电路图；
图3为本实用新型提供的一种地质灾害监测仪的滤波电路的电路图；
图4为本实用新型提供的一种地质灾害监测仪的振弦式传感器的电路结构示意图；
图5为本实用新型提供的一种地质灾害监测仪的激振拾振电路的电路结构示意图；
图6为本实用新型提供的一种地质灾害监测仪的电阻式传感器的电路结构示意图；
图7为本实用新型提供的一种地质灾害监测仪的485信号式传感器的电路结构示意图；
图8为本实用新型提供的一种地质灾害监测仪的继电器电路的电路图；
图9为本实用新型提供的一种地质灾害监测仪的串行转并行电路的电路结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、数据采集终端，11、振弦式传感器，111、传感器，12、电阻式传感器，121、分压电路，13、485信号式传感器，2、数据收发器，3、控制器，4、无线电路，5、SIM卡电路，6、时钟电路，71、电源，72、负压电路，73、滤波电路，74、降压电路，8、激振拾振电路，81、模拟开关，82、激振放大器，83、拾振放大器，84、触发器，91、继电器电路，92、串行转并行电路。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
下面结合附图，对本实用新型进行说明。
如图1所示，本实用新型实施例提供一种地质灾害监测仪，以下简称监测仪，包括数据采集终端1、数据收发器2、控制器3、无线电路4、SIM卡电路5、时钟电路6、电源71、负压电路72、滤波电路73以及降压电路74；
所述时钟电路6与所述控制器3电连接，所述数据采集终端1通过所述数据收发器2与所述控制器3电连接，所述SIM卡电路5通过所述无线电路4与所述控制器3电连接，所述无线电路4与远程终端(图中未示出)无线连接；
所述电源71与所述负压电路72电连接，所述电源71以及负压电路72均与所述滤波电路73电连接，所述滤波电路73与所述降压电路74电连接，所述数据采集终端1、数据收发器2、控制器3、无线电路4、SIM卡电路5以及时钟电路6均与所述降压电路74电连接。
本实用新型实施例提供的地质灾害监测仪，其工作过程如下：时钟电路6判断数据采集时机，当数据采集时机到达时，控制器3通过数据收发器2发送数据采集命令至数据采集终端1，数据采集终端1进行数据采集，采集完成后，数据采集终端1通过数据收发器2将地质灾害数据传输至控制器3，控制器3接收地质灾害数据并进行计算得到监测信息，SIM卡电路5提供数据采集终端1的身份识别信息，用于区分不同的监测仪，控制器3将监测信息以及身份识别信息通过无线电路4传输至远程终端。控制器3判断无线传输过程是否成功。如果无线传输成功则结束本次监测过程，等待下一次数据采集时机的到来。如果无线传输失败，控制器3控制无线电路4重复进行无线传输并对重复次数进行计数，当重复次数未达到设定的最大次数且无线传输成功时结束重复过程，等待下一次数据采集时机的到来。当重复次数达到设定的最大次数且无线传输仍然失败时结束重复过程，等待下一次数据采集时机的到来。
本实用新型实施例提供的地质灾害监测仪，其供电过程如下：电源71产生正电压，负压电路72将电源71的电压进行反转产生负电压，滤波电路73对正负电压进行滤波，去除纹波干扰，降压电路74对经过滤波后的正负电压进行降压，调节正负电压的幅值以便对不同的部分进行供电。除数据采集终端1外，其他部分均只需要用到正压部分，数据采集终端1包括多个不同的传感器，需要正负电压进行激振拾振，因此需要用到正负电压。
具体地，数据采集终端1包括土压力计、岩石应力计、裂缝计、钢筋应力计，485式倾斜仪、水平尺以及拉绳传感器中的一种或多种。
具体地，本实施例选用SP3485芯片作为数据收发器2，控制器3通过串口向SP3485芯片发送/接收数据。SP3485芯片的工作电压为3.3V。
具体地，本实施例选用STM32F103RB芯片作为控制器3，STM32F103RB芯片是基于Corte-M3内核的微控制器，工作频率为72MHz，内置高速存储器，包括128K字节的闪存和20K字节的SRAM。STM32F103RB芯片有丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。STM32F103RB芯片还包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含多个标准的通信接口：2个I2C接口、2个SPI接口、3个USART接口、1个USB接口以及1个CAN接口。
具体地，本实施例选用华为的SIM800C芯片作为无线电路4，控制器3与SIM800C芯片通过串口进行通信，控制器3通过AT指令操纵SIM800C芯片来完成无线传输过程。
具体地，SIM卡电路5使用现有技术中的SIM卡电路即可。
具体的，本实施例选用DS3231作为时钟电路6，DS3231芯片是低成本、高精度的I2C时钟电路，具有温度补偿的集成晶体振荡器。DS3231芯片包括电池输入端，可通过电池供电，因此断开主电源时仍可保持精确的计时。集成晶体振荡器提高了DS3231芯片的长期精确度，并减少了时钟电路6的元件数量。
具体地，本实施例的电源7为锂电池。优选的，可以使用太阳能锂电池以节省电能，实现太阳能供电。
具体的，本发明实施例选用TPS63070芯片以及ISL97519芯片实现降压电路74。TPS63070芯片为无线电路4提供降压电压。TPS6307芯片是一款具有低静态电流的高效降压升压转换器，适用于输入电压可能高于也可能低于输出电压的电路。在升压或降压模式下，输出电压可高达2A。TPS63070芯片是一个基于固定频率的脉宽调制控制器，其通过同步整流来获得最高效率。在低负载电流情况下，TPS63070芯片进入省电模式以在宽负载电流范围内保持高效率，TPS63070芯片可被禁用以大大减少电池消耗。在省电模式，负载从TPS63070芯片上断开。ISL97519芯片给其他部分提供降压电压。
本实用新型通过负压电路、滤波电路以及降压电路对电源71电压进行反转、滤波和降压，为各部分提供稳定可靠的电源电压。
优选的，如图2所示，所述负压电路72包括电荷泵反转芯片U1、电容C1、电容C2、传输电容C3、电阻R1以及电阻R2；
所述电荷泵反转芯片U1的输入端IN与所述电源71电连接，所述电荷泵反转芯片U1的输入端IN还通过所述电容C1接地，所述电荷泵反转芯片U1的输出端OUT与所述滤波电路73电连接，所述电荷泵反转芯片U1的输出端OUT还通过所述电容C2接地，所述电荷泵反转芯片U1的传输电容正输入端CAP+通过所述传输电容C3与所述电荷泵反转芯片U1的传输电容负输入端CAP-电连接，所述电荷泵反转芯片U1的反馈端FB通过所述电阻R1与所述电荷泵反转芯片U1的输入端IN电连接，所述电荷泵反转芯片U1的反馈端FB还通过所述电阻R2与所述电荷泵反转芯片U1的输出端OUT电连接。
通过电荷泵反转芯片1是产生负电压，与电源71提供的正电压配合以便为数据采集终端1供电。
优选的，如图3所示，所述滤波电路73包括正压滤波电路731和负压滤波电路732；
所述电源71通过所述正压滤波电路731与所述降压电路74电连接；所述负压电路72通过所述负压滤波电路732与所述降压电路74电连接。
滤波电路73分别对电源71产生的正电压和负压电路72产生的负电压进行滤波，然后通过降压电路74进行降压，分别为数据采集终端1、数据收发器2、控制器3、无线电路4、SIM卡电路5以及时钟电路6提供合适的电压。
优选的，如图3所示，所述正压滤波电路731包括电感L10、电容C10、电容C20、电容C30、电容C40、电容C50以及电容C60；
所述电源71通过所述电感L10与所述降压电路74电连接，所述电感L10与所述电源的公共端与地之间并联有所述电容C10以及电容C20，所述电感L10与所述降压电路的公共端与地之间并联有所述电容C30、电容C40、电容C50以及电容C60；
所述负压滤波电路732包括电感L11、电容C11、电容C22、电容C33、电容C44、电容C55以及电容C66；
所述负压电路72通过所述电感L11与所述降压电路74电连接，所述电感L11与所述负压电路的公共端与地之间并联有所述电容C11以及电容C22，所述电感L11与所述降压电路的公共端与地之间并联有所述电容C33、电容C44、电容C55以及电容C66。
正负压产生以后，电压会产生波动而造成纹波干扰，对于小信号放大电路来说，纹波干扰会对电路产生很大的影响，所以需要通过滤波电路73进行纹波滤波。
优选的，如图4所示，所述数据采集终端1包括振弦式传感器11和激振拾振电路8；
所述振弦式传感器11通过所述激振拾振电路8与所述数据收发器2电连接，所述振弦式传感器11以及激振拾振电路8均与所述降压电路74电连接。
数据采集终端1包括一种或多种传感器。与地质灾害相关的传感器主要包括土压力计、岩石应力计、裂缝计、钢筋应力计，485式倾斜仪、水平尺以及拉绳传感器等，这些传感器分为振弦式传感器11、电阻式传感器12以及485信号式传感器13三类，振弦式传感器11输出振弦信号，振弦信号需要经过激振拾振电路8进行转换才能实现与数据收发器2的通信。
振弦式传感器11输出的振弦信号与振弦式传感器11所测量的变量之间存在线性关系，控制器3可根据该线性关系计算出被测变量。举例说明如下：振弦式岩石应力计输出的振弦信号△F与被测变量应力值σ之间满足下式σ＝K△F+b△T，式中，K为应力计的标定系数；b为应力计的温度修正系数；△T为应力计的温度实时测量值相对于基准值的变化量。控制器3接收振弦式岩石应力计输出的振弦信号后，即可根据上式计算出应力值。
优选的，如图5所示，所述激振拾振电路8包括模拟开关81、激振放大器82、拾振放大器83以及触发器84；
所述激振放大器82以及所述拾振放大器83均与所述模拟开关81电连接，所述模拟开关81与所述控制器3电连接；
所述振弦式传感器11的输出端与所述拾振放大器83的输入端电连接，所述拾振放大器83的输出端通过所述触发器84与所述数据收发器2的输入端电连接；所述数据收发器2的输出端与所述激振放大器82的输入端电连接，所述激振放大器82的输出端与所述振弦式传感器11的输入端电连接。
由于振弦传感器11为单线圈传感器，振弦传感器11的激振线圈和拾振线圈为同一个线圈，激振和拾振只能分时进行，先激振，后拾振。因为激振电路与拾振电路不同，因此需要设置模拟开关来切换激振电路和拾振电路。
激振拾振电路8的工作原理如下：当需要进行数据采集时，控制器3控制模拟开关81的状态，将激振放大器82接入电路，数据收发器2通过激振放大器82与数据采集终端1电连接，控制器3发送激振信号至数据收发器2，数据收发器2将激振信号发送至激振放大器82，激振信号经过激振放大器82放大后传输至数据采集终端1，数据采集终端1被激振启动并进行数据采集；数据采集终端1采集完成后，控制器3控制模拟开关81转换状态，将拾振放大器83接入电路，数据收发器2通过拾振放大器83以及触发器84与数据采集终端1电连接，数据采集终端1将数据采集结果传输至拾振放大器83，拾振放大器83对其进行放大，触发器84将放大后的数据采集结果转换为方波信号以便控制器3识别，数据收发器2接收方波信号并将其传输至控制器3，控制器3通过方波信号计算结果。
具体地，本实施例选用TS12A12511芯片作为模拟开关81，TS12A12511芯片是一个单刀双掷的模拟开关，能够传递电压值为0—12V或-6V—6V的信号。双向导通性能相同，低导通电阻5Ω，通道匹配电阻小于1Ω，最大电流消耗<1μA。
具体的，本实施例选用LM358芯片作为激振放大器82，把控制器3产生的频率可变的激振信号放大，以确保数据采集终端1可以可靠起振。LM358芯片是双运算放大器，包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。它的使用范围包括传感器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的需要使用运算放大器的场合。
具体地，本实施例选用AD620芯片以及OP07芯片作为拾振放大器83。数据采集终端1反馈的数据采集结果信号非常微弱，并且干扰较多，因此需要采用滤波放大电路来实现数据采集终端1信号的拾取。首先采用高精度仪用放大器AD620芯片进行一级放大，便于信号的识别。二级放大采用OP07芯片放大。
AD620芯片是一款低成本、高精度的仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1至1000。AD620芯片具有高精度(最大非线性度40ppm)、低失调电压(最大失调电压50μV)以及低失调漂移(最大失调漂移0.6μV/℃)的特性。它还具有低噪声、低输入偏置电流和低功耗的特性。AD620在1kHz时具有9nV/Hz的低输入电压噪声，在0.1Hz至10Hz频带内的噪声峰峰值为0.28μV，输入电流噪声为0.1pA/Hz，因而选用OP07芯片作为前置放大器的效果很好。
OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器。由于OP07芯片具有非常低的输入失调电压，最大输入失调电压为25μV，所以OP07芯片在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07芯片同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调电压、高开环增益的特性使得OP07芯片特别适用于需要高增益的测量设备和需要放大微弱信号的传感器。
具体的，本实施例选用LM358芯片作为74HC14芯片作为触发器84。74HC14芯片是一款高速CMOS器件，74HC14引脚兼容低功耗肖特基TTL、LSTTL系列。74HC14芯片遵循JEDEC标准No.7A。74HC14芯片实现了6路施密特触发反相器，可将缓慢变化的输入信号转换成清晰、无抖动的输出信号。
优选的，如图6所示，所述数据采集终端1包括电阻式传感器12和分压电路121；
所述电阻式传感器12通过所述分压电路121与所述数据收发器2电连接。
电阻式传感器12输出电压信号，电压信号经过分压电路分压即可与数据收发器2进行通信，分压电路121采用现有常见的分压电路即可。
电阻式传感器12输出的电压信号与电阻式传感器12所测量的变量之间也存在线性关系。举例说明如下，电阻式拉绳裂缝计输出的电压信号与裂缝长度值之间存在1:1的关系，即1mv对应1mm长度，控制器3接收到电阻式拉绳裂缝计的电压信号后，即可计算出裂缝长度值。
优选的，如图7所示，所述数据采集终端1包括485信号式传感器13，所述485信号式传感器13与所述数据收发器2直接电连接。
485信号式传感器13输出485信号，485信号可与数据收发器2直接通信。
优选的，如图8所示，监测仪还包括检测所述数据采集终端的1数据采集状态的继电器电路91，所述数据采集终端1、数据收发器2以及控制器3均与所述继电器电路91电连接。
增加继电器电路91检测数据采集终端1的采集状态。
优选的，如图8所示，所述继电器电路91包括继电器和二极管D1，所述继电器的线圈KM的一端与所述数据采集终端1电连接，所述线圈KM的另一端与所述二极管D1的阴极电连接，所述二极管D1的阳极接地，所述继电器的触点开关KM1的动触点与所述数据采集终端1电连接，所述触点开关KM1的两个静触点分别与所述控制器3以及数据收发器2电连接。
本实施例增加了继电器电路91，利用线圈KM测试数据采集终端1是否处于工作状态，当数据采集终端1处于非工作状态时，数据采集终端1与与控制器3的一个I/O接口电连接，控制器3通过该I/O接口状态即可判断出数据采集终端1处于非工作状态；当数据采集终端1切换至工作状态时，线圈KM得电，触点开关KM1转换状态，使得数据采集终端1与数据收发器2电连接，数据采集终端1完成数据采集后通过数据收发器2将数据采集结果传输至控制器3的另一个I/O接口，控制器3通过该I/O接口即可判断出数据采集终端1处于工作状态。
优选的，如图9所示，监测仪还包括串行转并行电路92，所述数据采集终端1包括多个传感器111，多个所述传感器111均与所述串行转并行电路92电连接，所述串行转并行电路92与所述数据收发器2电连接。
本发明实施例的数据采集终端1集成多个传感器，实现多种地质灾害数据的同时采集，便于对地质灾害进行准确的分析，串行转并行电路实现多个传感器111与数据收发器2之间的通信。
具体的，本实施例中串行转并行电路92选用74HC595芯片实现，74HC595芯片包括8位并行数据输出引脚，可同时实现8个数据采集终端1与数据收发器2之间的通信。
具体地，当多个传感器111中包括振弦式传感器11时，每一个振弦传感器11分别通过一个激振拾振电路8与串行转并行电路92电连接，同样的，当多个传感器111中包括电阻式传感器12时，每一个电阻式传感器12分别通过一个分压电路121与串行转并行电路92电连接。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。