一种超宽带测距山体滑坡预测方法、系统、装置及应用与流程

本发明属于计算机，嵌入式，通信测距技术领域，尤其涉及一种超宽带测距山体滑坡预测方法、系统、装置及应用。

背景技术：

近几年山体滑坡已经成为影响人们生活生产的地质灾害之一。滑坡多发生在山地的山坡、丘陵地区的斜坡、岸边、路堤或基坑等地带。滑坡对工程建设的危害很大，轻则影响施工，重则破坏建筑；由于滑坡，常使交通中断，影响公路的正常运输；大规模的滑坡，可以堵塞河道，摧毁公路，破坏厂矿，掩埋村庄，对山区建设和交通设施危害很大。尤其是在土质层较松的区域发生暴雨，这样及可能诱发山体滑坡的发生，经过雨水的强烈冲刷，山体变得破碎、松散。随之便滚滚而下将房屋以及人掩埋。市场上已经出现基于gnss的山体滑坡预测装置，由于其成本高，目前只应用到一些重要地段。导致成本高的原因是，普通gnss定位系统属于单端定位，预测山体滑坡需要的位移感知精度是mm级别的，要想达到mm级别的位移感知精度就需要差分系统，因此会导致成本高。由于成本高等问题目前山体滑坡预测只用于一些关键地段，大部分地段没有使用，本方案采用的是直接无线电测距技术来感知两点之间位移变化。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前基于gnss的山体滑坡预测装置，成本高。

解决以上问题及缺陷的难度为：难度主要是远距离(10-400m)并且高精度的位置感知。

解决以上问题及缺陷的意义为：解决预测山体滑坡的意义可以使人们预判滑坡发生，降低滑坡自然灾害对人们生产生活的影响。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超宽带测距山体滑坡预测方法、系统、装置及应用。

本发明是这样实现的，一种超宽带测距山体滑坡预测方法，所述超宽带测距山体滑坡预测方法包括：

确定安装时两个节点测距，设置其中一点可以与其余各点依次测距，将距离通过串口传递给终端预警系统；

当终端预警系统访问某一节点与其余节点距离信息时，某一节点将传送到终端预警系统；

节点间的距离信息一旦改变到设定阈值时就会给出相应等级预警。

进一步，所述超宽带测距山体滑坡预测方法同时终端预警系统可以通过向各节点发送状态改变信号进行标签节点和锚节点两种模式切换，通过终端预警系统的读取频率设置监测速度可从每月一次到几分钟一次不等，根据不同地形设置检测周期。

进一步，所述超宽带测距山体滑坡预测方法采用访问机制，当终端预警系统访问e点与其余各节点之间的距离时，e点才向上位机传输距离信息；对于a点，当终端预警系统访问a点与其余节点距离信息时，a节点将sab、sac、sad、sae传送到终端预警系统，终端预警系统依次访问各节点就可以得到节点间的距离信息。

进一步，所述超宽带测距山体滑坡预测方法节点之间测距方法为：双向飞行时间法tw-tof每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳；模块a的发射机在其时间戳上的ta1发射请求性质的脉冲信号，模块b在tb2时刻发射一个响应性质的信号，被模块a在自己的时间戳ta2时刻接收，计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，确定飞行距离s；s＝c*[(ta2-ta1)-(tb2-tb1)]，c为光速。

进一步，所述超宽带测距山体滑坡预测方法的tof测距方法将发送端发出的数据包和接收回应的时间间记为ttot，接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为ttat，那么数据包在空中单向飞行的时间ttof计算为：ttof＝(ttot-ttat)/2；根据ttof与电磁波传播速度的乘积便可计算出两点间的距离d＝c*ttof；采用反向测量方法，即远程节点发送数据包，本地节点接收数据包，并自动响应；通过平均正向和反向多次测量的平均值，通过地址识别和标签节点、锚节点的模式相互转换依次测得任意两点之间距离，再经过单片微型计算器控制无线串口将距离数据传递给预警终端。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述超宽带测距山体滑坡预测方法的超宽带测距山体滑坡预测系统，所述超宽带测距山体滑坡预测系统包括：

测距模块，用于实现节点之间距离的测量；

组网通信模块，用于根据节点间的距离信息一旦改变到设定阈值时就会给出相应等级预警；同时终端预警系统通过向各节点发送状态改变信号进行标签节点和锚节点两种模式切换。

本发明的另一目的在于提供一种安装有所述超宽带测距山体滑坡预测系统的超宽带测距山体滑坡预测装置，所述超宽带测距山体滑坡预测装置设置有：固定桩；

固定桩将被固定在被预测的山体上，固定桩内部存放蓄电池，太阳能电池板与蓄电池的连线经过太阳能电池板固定支架连接，防水封装外壳所有开口处均留有防水密封垫圈；太阳能电池板固定支架有两个活动关节。

进一步，串口通信单元将距离信号传输到终端设备以便进行数据分析处理，终端设备处理系统主要是电脑上位机软件，能够记录每天测得数据，经过对节点间距离变化的分析可以预判是否发生山体滑坡；

显示单元读出节点之间距离、节点编号、设备安装时的水平度信息；

电子陀螺仪加速度计单元用来测量此装置的水平程度。

进一步，电子陀螺仪加速度计单元测量整个节点的倾斜角度，倾斜角度经过单片微型计算机运算后传送到终端预警系统。

本发明的另一目的在于提供一种用于预测山体滑坡的地质灾害预测设备，所述用于预测山体滑坡的地质灾害预测设备安装有所述的超宽带测距山体滑坡预测装置。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明的固定桩将被固定在被预测的山体上，当被固定点的岩石或土质滑动时，固定装会随其一起滑动。为了不受树林遮挡信号，固定桩的高度会高于周边树木高度；防水封装外壳与测距通信仪固定台连接处有防水密封垫圈以防止下雨天气雨水渗漏到内部；将测距后的距离经过串口通信单元传输到终端设备，终端设备处理系统主要是电脑上位机软件，能够记录每天测得数据，经过对节点间距离变化的分析可以预判是否发生山体滑坡，达到预警目的；显示单元，可以方便安装时调试，通过显示单元，可以读出节点之间距离、节点编号、设备安装时的水平度等信息；整个供电系统由太阳能电池板提供，太阳能电池板固定支架有两个可以活动关节，方便在安装后调节太阳能电池板的角度，以便其在白天获得更多能量。

本发明综合利用超宽带通信测距技术、无线通信技术、太阳能供电、电力电子等技术实现对山体滑坡的预测。超宽带测距的山体滑坡预测系统是一款将无线电测距通信用于预测山体滑坡的地质灾害预测设备。为了低成本预测山体滑坡，让山体滑坡预测系统普及到任何有需要预测的地点，为此本发明公开一种基于超宽带测距原理的山体滑坡预测与预警装置。

本发明全天候对监测点的地质运动进行观测，对局部地质运动大于设定阈值后进行预警，可对历史数据进行统计分析，对预测信息进行实时公告，对隐患点给出管理方案，相比同样mm级别的gnss预测装置本发明成本低一个数量级。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的超宽带测距山体滑坡预测方法流程图。

图2是本发明实施例提供的超宽带测距山体滑坡预测系统的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的超宽带测距山体滑坡预测装置的节点系统结构示意图。

图4是本发明实施例提供的超宽带测距山体滑坡预测装置的节点测距通信数据处理板结构示意图。

图5是本发明实施例提供的超宽带测距山体滑坡预测装置的探测整体工作示意图。

图6是本发明实施例提供的超宽带测距山体滑坡预测装置的测距原理工作示意图。

图中：1、固定桩；2、避雷针；3、通信测距天线；4、防水封装外壳；5、太阳能电池板；6、太阳能电池板固定支架；7、测距通信仪固定台；8、sma射频天线接口；9、串口通信单元；10、测距解算单元；11、显示单元；12、电源电压转换单元；13、供电接口；14、供电总开关；15、程序烧写接口；16、电子陀螺仪加速度计单元；17、单片微型计算机；18、zigbee备用组网系统；19、测距模块；20、组网通信模块。

图7是本发明实施例提供的传统定位方法与协同定位方法示意图

图8是本发明实施例提供的迭代协同示意图。

图9是本发明实施例提供的缩小定位区域示意图。

图10是本发明实施例提供的场外测试示意图。

图11是本发明实施例提供的x轴位移变化实时数据示意图。

图12是本发明实施例提供的原理样机实物图示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超宽带测距山体滑坡预测方法、系统、装置及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的超宽带测距山体滑坡预测方法包括以下步骤：

s101：确定安装时两个节点测距，设置其中一点可以与其余各点依次测距，将距离通过串口传递给终端预警系统；

s102：当终端预警系统访问某一节点与其余节点距离信息时，某一节点将传送到终端预警系统；

s103：节点间的距离信息一旦改变到设定阈值时就会给出相应等级预警；同时终端预警系统可以通过向各节点发送状态改变信号进行标签节点和锚节点两种模式切换，通过终端预警系统的读取频率设置监测速度可从每月一次到几分钟一次不等，根据不同地形设置检测周期。

本发明提供的超宽带测距山体滑坡预测方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的超宽带测距山体滑坡预测方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的超宽带测距山体滑坡预测系统包括：

测距模块19，用于实现节点之间距离的测量。

组网通信模块20，用于根据节点间的距离信息一旦改变到设定阈值时就会给出相应等级预警；同时终端预警系统可以通过向各节点发送状态改变信号进行标签节点和锚节点两种模式切换。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图3-图4所示，本发明提供的超宽带测距山体滑坡预测装置包括：固定桩1、避雷针2、通信测距天线3、防水封装外壳4、太阳能电池板5、太阳能电池板固定支架6、测距通信仪固定台7、sma射频天线接口8、串口通信单元9、测距解算单元10、显示单元11、电源电压转换单元12、供电接口13、供电总开关14、程序烧写接口15、电子陀螺仪加速度计单元16、单片微型计算机17、zigbee备用组网系统18。

固定桩1将被固定在被预测的山体上，当被固定点的岩石或土质滑动时，固定装会随其一起滑动，固定桩1的高度会高于周边树木高度。固定桩1内部为空心结构方便蓄电池存放，太阳能电池板固定支架6为空心结构方便导线连接，太阳能电池板5将太阳能转化的电能存储到蓄电池中，蓄电池的存放位置在固定桩1内部，太阳能电池板5与蓄电池的连线经过太阳能电池板固定支架6连接。防水封装外壳4主要是保护本系统内部干燥，防水封装外壳4所有开口处均留有防水密封垫圈。串口通信单元9可将距离信号传输到终端设备以便进行数据分析处理，终端设备处理系统主要是电脑上位机软件，能够记录每天测得数据，经过对节点间距离变化的分析可以预判是否发生山体滑坡，从而达到预警目的。显示单元11，可以方便安装时调试，通过显示单元，可以读出节点之间距离、节点编号、设备安装时的水平度等信息。电子陀螺仪加速度计单元16主要是用来测量此装置的水平程度。超宽带测距的山体滑坡预测装置的供电系统由太阳能电池板5提供，太阳能电池板固定支架6有两个可以活动关节，方便在安装后调节太阳能电池板5的角度，以便其在白天获得更多能量。

如图3所示，是整个节点的系统结构示意图，此系统集供电、测距、通信、运算、存储于一体，由于雨水冲刷当节点所在地点土层运动时，节点会随其一起运动，由于局部的运动从而使其与其余节点之间的距离发生改变，从而上传的距离信息也随之改变。

如图4所示，电子陀螺仪加速度计单元16可以测量整个节点的倾斜角度，倾斜角度经过单片微型计算机17运算后也可以传送到终端预警系统。

如图4所示，电子元器件固定在由fr4制成pcb电路板上，各个模块之间的通信采用pcb电路板上铜箔传递。在进行封装的时候采用了塑封形式，以便防雨防潮。

如图5所示，以a-i九个节点为例，图中虚线链接的为安装时两个节点测距示意图，sce表示ce之间距离，以此类推。在图中设置为e点可以与其余各点依次测距，因此经过e节点可将sae、sbe、sce、sde、sef、seg、seh、sei的距离通过串口传递给终端预警系统，为了防止两个节点同时传数据传输时冲突，故本发明采用访问机制，当终端预警系统访问e点与其余各节点之间的距离时，e点才向上位机传输距离信息。同理对于a点，当终端预警系统访问a点与其余节点距离信息时，a节点可将sab、sac、sad、sae传送到终端预警系统，这样一来终端预警系统就可以依次访问各节点就可以得到节点间的距离信息，通过长期观测，节点间的距离信息一旦改变到设定阈值时就会给出相应等级预警。与此同时终端预警系统可以通过向各节点发送状态改变信号就可以进行标签节点和锚节点两种模式切换，通过终端预警系统的读取频率设置本发明监测速度可从每月一次到几分钟一次不等，从而来根据不同地形设置检测周期。

本发明所采用的整体技术方案是：为了方便说明现结合附图6以ab两个节点来说明节点之间测距基本原理，双向飞行时间法(tw-tof，twoway-timeofflight)每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。模块a的发射机在其时间戳上的ta1发射请求性质的脉冲信号，模块b在tb2时刻发射一个响应性质的信号，被模块a在自己的时间戳ta2时刻接收。有次可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离s。s＝c*[(ta2-ta1)-(tb2-tb1)](c为光速)。tof测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发机(transceiver)之间飞行时间来测量节点间的距离。因为在视距视线环境下，基于tof测距方法是随距离呈线性关系，所以结果会更加精准。本发明将发送端发出的数据包和接收回应的时间间记为ttot，接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为ttat，那么数据包在空中单向飞行的时间ttof可以计算为：ttof＝(ttot-ttat)/2。然后根据ttof与电磁波传播速度的成绩便可计算出两点间的距离d＝c*ttof。为了实现始终同步，tof测距方法采用了时钟偏移量解决时钟同步问题，但由于tof测距方法的时间依赖于本地到远程节点，测距精度容易受两端节点中的始终偏移量的影响。为了减少此类错误的影响，这里采用反向测量方法，即远程节点发送数据包，本地节点接收数据包，并自动响应。通过平均正向和反向多次测量的平均值，减少对任何始终偏移量的影响，从而减少测距误差。超宽带测距能达到mm级别。通过地址识别和标签节点、锚节点的模式相互转换可依次测得任意两点之间距离，再经过单片微型计算器控制无线串口将距离数据传递给预警终端。

下面结合附图对本发明的技术效果作详细的描述。

本发明的具体实现算法采用了协同定位技术

协同定位是最近几年出现的一种新的定位概念，它是对无线定位技术的改良，通过彼此交换节点间测量信息或其他信息，可以改善节点的位置估算值，进而有效的优化系统的定位性能。如图7所示。传统定位方法与协同定位方法示意图。

从根本上来说，协同定位技术是无线定位技术和协同通讯思想的结合，目标节点既可以与参考节点通讯，又可以与自组织网络中其他目标节点进行通讯，从而能够获取更多的数据信息，能够改善定位系统的性能。传统定位中，主要用于定位的是参考节点和目标节点之间的aoa值、toa值和tdoa值等信息，而忽视了目标节点之间的信息，即仅根据参考节点的信息完成目标节点的定位。在协同定位中，所有节点都是平等关系，目标节点之间也能够彼此进行通讯，换句话说，目标节点之间也能够彼此测量距离信息和互换定位结果，所以目标节点的信息也被用来进行定位。

图7是以三参考节点为例的定位方式示意图，其中a是传统定位方法，b是协同定位方法，图中黑色圆点代表目标节点ms，bs代表参考节点。a点为目标节点ams，b点为目标节点bms，c点为目标节点cms。由图3-5能够得出协同定位技术和传统定位技术的区别。传统定位技术中，ms仅和bs进行通讯，即仅利用bs的信息来完成ms的定位，而协同定位技术中ms除了与bs通讯，ms之间也可以彼此通讯，所有ms之间的通讯信息均可以用于定位。

通过对比可以知道，传统定位与协同定位主要有以下几点不同之处：

节点的能量有一定限制，传统定位中，当目标节点与参考节点相距较远，或者节点能量匮乏时，参考节点也许捕获不到目标节点发出的信号，致使目标节点定位失败。

(2)传统定位忽视了目标节点的信息。而协同定位中目标节点的信息也能够用来完成定位结果估计。因为每个节点都提供了有用的信息，从而最大程度上使用了整个自组网的资源，因此协同定位能够有效地改善系统的定位性能。除此之外，当目标节点附近的参考节点的数量不足以进行定位时，目标节点可以通过位置信息确定的邻居节点完成定位或优化定位精度。

(3)传统定位方式中，一次仅可以完成单一目标节点定位。而协同定位能够一次完成全部目标节点的定位。

在无线定位中，协同一般有以下三种实现形式：

(1)迭代协同。迭代协同的思想是对于附近参考节点的数量足以进行定位的目标节点，采用现有的定位算法即可进行定位，而后这些已经具有位置信息的目标节点就将自己的定位结果发送至整个自组网中，则其他还未实现定位的目标节点就能根据这些信息完成其位置坐标的确定。迭代协同的过程如图8所示，图中n1，n2，n3三个黑色圆点为目标节点，a1，a2，a3，a4，a5，a6六个白色圆点为参考节点。

目标节点需要成功获取至少三个参考节点的信息方可实现定位，因此图8中仅有n1和n3两个目标节点能够定位，当n1得到自己的位置信息后变为参考节点，则n2也能够实现定位，以此类推，直到全部目标节点均已定位。

(2)多跳协同。采取多跳的形式能够将信息由最初发送节点传输至目标节点。在无线定位中，节点之间的距离、参考节点的位置等信息同样能够采取多跳的形式完成传递，使得不在参考节点传输距离内的目标节点也能够获取参考节点的位置等信息，完成自身定位，从而扩大了定位区域。

(3)缩小定位区域。采用三边法定位时，受外界因素干扰，一般不能精确定位到某一点，而是得到一个可能是目标节点位置的模糊区域，若只通过此区域得出目标节点的位置信息，则定位误差相对较大。所以一般可以通过获取其他目标节点传输的信息对定位结果进行优化，从而缩小区域，提升系统的定位精度。

缩小定位区域方式的协同过程如图9所示，目标节点通过捕获不少于三个参考节点的信息，求出自身位置所处区域。图中l1和l2分别是目标节点n1、n2利用粗定位算法求得的定位区域。节点n2通过与节点n1的信息通讯测得n2到n1的距离是d12，则可认为目标节点n2在以节点n1为中心，d12为半径的圆里，从而缩小了节点n2的定位区域l2。节点n2可以与其余多个节点进行信息通讯，然后进行此操作，多次循环之后，可以获得节点n2更小的定位区域2l，进而提高了系统的精度。自组织网络中所有目标节点均可以利用该协同方式，缩小自身的定位区域，进而得到更精准的位置信息。

为了评估协同定位方法的性能，在课题组已有的研究成果上分析，分别在视距和非视距两种环境下对比传统最小二乘ls定位方法和基于uwb的室内协同定位方法的定位效果。

表1视距环境下分别为利用两种定位方法解算得到的结果在坐标系中x和y轴向上的位置误差。从图7中可以看出，协同定位方法的位置误差相对更小，说明其定位性能相比于传统定位方法更具优势。表1为两种定位方法在x和y轴向上的误差均方差的对比，从表中数据可以看出，无论是x轴向还是y轴向，协同定位方法的误差均方差都相对更小，这也充分说明了协同定位方法相较于传统最小二乘法ls定位方法拥有更优异的定位性能。

表1两种方法位置误差均方差

综上所述，协同定位方法的定位性能相比于传统定位方法得到了一定程度上的提高，因此，协同定位方法能够得到更优异的测距定位效果。

本发明的实测采用人为移动的方式模拟节点位移的微弱变动。当移动节点位置时(mm级别移动)距离变化显和实测数据如图10-图12所示。将三个设备依次排开分布。如图10所示，场外测试。如图11所示，x轴位移变化实时数据。如图12所示，原理样机实物图。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。