一种山体滑坡的监测预警系统及方法与流程

本发明涉及山体滑坡技术领域，特别是涉及一种山体滑坡的监测预警系统及方法。

背景技术：

山体滑坡是指山体斜坡上某一部分岩土在重力(包括岩土本身重力和地下水的动静压力)、山体滑坡震动或其它外力的作用下，沿着一定的软弱结构面(带)产生剪切位移而整体地向斜坡下方移动的作用和现象。

现有的山体滑坡监测方法有重力测量法、地下水位监测法、液体静力水准测量、常规大地测量法、近影摄影测量法、遥感监测和空间遥测等。现有的山体滑坡监测方法由于考虑的因素相对单一，没有综合考虑发生山体滑坡的各方面因素，所以存在成本高、监测周期长、维护成本高、监测精度不高和实时性差的问题，实际应用时具有很大的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种山体滑坡的监测预警系统及方法，能够对山体滑坡进行实时监测，具有监测周期短、监测精度高的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种山体滑坡的监测预警系统，包括：

通讯模块和数据采集模块；

所述数据采集模块与所述通讯模块连接；所述数据采集模块用于采集待监测山体的孔洞内土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度；所述数据采集模块还用于将所述土壤含水量以及孔洞的偏移量和偏移角度进行加权融合，得到孔洞处的危险值，并将所述危险值与预设危险阈值比较，判断是否发出危险信号；

所述通讯模块用于传输所述孔洞处的所述危险值、所述土壤含水量、所述偏移量和所述偏移角度。

可选的，所述数据采集模块，具体包括：

控制单元和多个探测终端；

多个所述探测终端设置于待监测山体的不同孔洞内；所述探测终端与所述控制单元连接；所述探测终端用于检测孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度，并将所述孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度传输至所述控制单元；

所述控制单元用于将所述土壤含水量以及孔洞的偏移量和偏移角度进行加权融合，得到孔洞处的危险值；所述控制单元还用于将所述孔洞处的危险值与预设危险阈值比较，判断是否发出危险信号；

所述控制单元还用于控制所述通讯模块传输所述孔洞处的所述危险值、所述土壤含水量、所述偏移量和所述偏移角度。

可选的，所述探测终端，具体包括：

湿度传感器、倾角传感器和地磁传感器；

所述湿度传感器、所述倾角传感器和所述地磁传感器均与所述控制单元连接；

所述湿度传感器用于检测所述孔洞的土壤含水量；

所述倾角传感器用于检测所述孔洞发生移动后孔洞的偏移角度；

所述地磁传感器用于检测所述孔洞发生移动后孔洞的偏移量。

可选的，所述监测预警系统，还包括：

上位机；

所述上位机通过所述通讯模块与所述数据采集模块连接；所述上位机用于接收并显示所述孔洞处的危险值、所述孔洞的土壤含水量以及所述孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度；所述上位机还用于设置或更改所述预设危险阈值。

可选的，所述控制单元，具体包括：

模数转换芯片、逻辑芯片和存储芯片；

所述模数转换芯片分别与所述湿度传感器、所述倾角传感器、所述地磁传感器和所述逻辑芯片连接；所述模数转换芯片用于接收所述孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度，并将所述孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度进行模数转换；所述模数转换芯片还用于将模数转换后的所述孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度传输至所述逻辑芯片；

所述逻辑芯片与所述存储芯片连接；所述逻辑芯片用于将模数转换后的所述孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度进行加权融合，得到所述孔洞处的危险值；所述逻辑芯片还用于将所述孔洞处的危险值与预设危险阈值比较，判断是否发出危险信号；所述逻辑芯片通过所述通信模块将所述孔洞处的危险值传输至所述上位机；

所述存储芯片用于存储所述预设危险阈值。

可选的，所述逻辑芯片还用于根据所述危险因子参数将模数转换后的所述孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度进行加权融合；

所述存储芯片用于存储危险因子参数；

所述危险因子参数包括偏移量因子、偏移角度因子和土壤含水量因子。

可选的，所述通讯模块，具体包括：

can卡、第一数据传输单元和第二数据传输单元；

所述can卡分别与所述逻辑芯片和所述第一数据传输单元连接；所述can卡用于将所述孔洞处的所述危险值、所述土壤含水量、所述偏移量和所述偏移角度传输至所述第一数据传输单元；

所述第一数据传输单元与所述第二数据传输单元连接；所述第一数据传输单元用于将所述孔洞处的所述危险值、所述土壤含水量、所述偏移量和所述偏移角度传输至所述第二数据传输单元；

所述第二数据传输单元与所述上位机连接；所述第二数据传输单元用于将所述孔洞处的所述危险值、所述土壤含水量、所述偏移量和所述偏移角度传输至所述上位机。

可选的，所述监测预警系统，还包括：

供电模块；

所述供电模块分别与所述通讯模块和所述数据采集模块连接，所述供电模块用于为所述通讯模块和所述数据采集模块供电。

可选的，所述供电模块为太阳能发电模块。

一种山体滑坡的监测预警方法，应用于上述的监测预警系统，所述监测预警方法，包括：

数据采集模块获取待监测山体的孔洞内土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度；

所述数据采集模块将所述土壤含水量以及所述孔洞的偏移量和偏移角度进行加权融合，得到孔洞处的危险值；

所述数据采集模块判断所述孔洞处的危险值是否小于预设危险阈值，若是，则不发出危险信号；若否，则发出危险信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种山体滑坡的监测预警系统及方法，系统包括通讯模块和数据采集模块；数据采集模块用于采集待监测山体的孔洞内土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度，将土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度均进行加权融合，得到孔洞处的危险值；数据采集模块还用于将孔洞处的危险值与预设危险阈值比较，判断是否发出危险信号；通讯模块用于传输孔洞处的危险值、土壤含水量、偏移量和偏移角度。本发明具有能够对山体滑坡进行实时监测，监测周期短、监测精度高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中所提供的山体滑坡的监测预警系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中所提供的控制单元电路图；

图3为本发明实施例中所提供的山体滑坡的监测预警方法流程图。

其中，1-数据采集模块；2-can卡；3-上位机；4-第一数据传输单元；5-供电模块；6-模数转换芯片；7-逻辑芯片；8-存储芯片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种山体滑坡的监测预警系统及方法，能够对山体滑坡进行实时监测，具有监测周期短、监测精度高的优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图1为本发明实施例中所提供的山体滑坡的监测预警系统的结构示意图，如图1所示，本发明提供的监测预警系统，包括：通讯模块和数据采集模块1。

数据采集模块1与通讯模块连接，数据采集模块1用于采集待监测山体的孔洞内土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度(孔洞是在待监测山体上预先打好的，数据采集模块1设置在孔洞内)；数据采集模块1还用于将土壤含水量以及孔洞的偏移量和偏移角度进行加权融合，得到孔洞处的危险值，并将危险值与预设危险阈值比较，判断是否发出危险信号。

通讯模块用于传输孔洞处的危险值、土壤含水量、偏移量和偏移角度。

数据采集模块1，具体包括控制单元和多个探测终端；多个探测终端设置于待监测山体的不同孔洞内；探测终端与控制单元连接；探测终端用于检测孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度，并将孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度传输至控制单元。

控制单元用于将土壤含水量以及孔洞的偏移量和偏移角度进行加权融合，得到孔洞处的危险值；控制单元还用于将孔洞处的危险值与预设危险阈值比较，判断是否发出危险信号；控制单元还用于控制通讯模块传输孔洞处的危险值、土壤含水量、偏移量和偏移角度。

探测终端，具体包括湿度传感器、倾角传感器和地磁传感器；湿度传感器、倾角传感器和地磁传感器均与控制单元连接；湿度传感器用于检测孔洞的土壤含水量；倾角传感器用于检测孔洞发生移动后孔洞的偏移角度；地磁传感器用于检测孔洞发生移动后孔洞的偏移量。

本发明提供的监测预警系统，还包括上位机3。上位机3通过通讯模块与数据采集模块1连接；上位机3用于接收并显示孔洞处的危险值、孔洞的土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞偏移量和偏移角度；上位机3还用于设置或更改预设危险阈值。

图2为本发明实施例中所提供的控制单元电路图，如图2所示，控制单元具体包括模数转换芯片6、逻辑芯片7和存储芯片8。具体的，图2中的td和rd均表示读写信号；scl1表示逻辑芯片7中与模数转换芯片6有连接关系的所有引脚；sdi代表模数转换芯片6中与逻辑芯片7有连接关系的所有引脚；sclk表示时钟信号，cs表示使能信号；sda表示存储芯片中与逻辑芯片7有连接关系的所有引脚；scl2表示逻辑芯片7中与存储芯片8有连接关系的所有引脚。

模数转换芯片6分别与湿度传感器、倾角传感器、地磁传感器和逻辑芯片7连接；模数转换芯片6用于接收孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度，并将孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度进行模数转换；模数转换芯片6还用于将模数转换后的孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度传输至逻辑芯片7。

逻辑芯片7与存储芯片8连接；逻辑芯片7用于将模数转换后的孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度进行加权融合，得到孔洞处的危险值；逻辑芯片还用于将孔洞处的危险值与预设危险阈值比较，判断是否发出危险信号；逻辑芯片7通过通信模块将孔洞处的危险值传输至上位机3。

存储芯片8用于存储预设危险阈值。逻辑芯片7还用于根据危险因子参数将模数转换后的孔洞土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度进行加权融合。所述存储芯片用于危险因子参数。危险因子参数包括偏移量因子、偏移角度因子和土壤含水量因子。

具体的，模数转换芯片6和存储芯片8的型号分别为cs5532芯片和24c02芯片。

如图1所示，通讯模块，具体包括can卡2、第一数据传输单元4(即dtu)和第二数据传输单元(即无线网络，由图1中的信号塔发射)。

can卡2分别与逻辑芯片7和第一数据传输单元4连接；can卡2用于将孔洞处的危险值、土壤含水量、偏移量和偏移角度传输至第一数据传输单元4；第一数据传输单元4与第二数据传输单元连接；第一数据传输单元4用于将孔洞处的危险值、土壤含水量、偏移量和偏移角度传输至第二数据传输单元；第二数据传输单元与上位机3连接；第二数据传输单元用于将孔洞处的危险值、土壤含水量、偏移量和偏移角度传输至上位机3。第二传输单元还分别与每个探测终端的湿度传感器、倾角传感器和地磁传感器连接，第二传输单元用于将孔洞的土壤含水量、偏移量和偏移角度传输至上位机3。

本发明提供的监测预警系统，还包括供电模块5，供电模块5分别与通讯模块和数据采集模块1连接，供电模块5用于为通讯模块和数据采集模块1供电。供电模块5为太阳能发电模块。

图3为本发明实施例中所提供的山体滑坡的监测预警方法流程图，如图3所示，本发明提供的监测预警方法，应用于上述的监测预警系统，监测预警方法，包括：

步骤101：数据采集模块获取待监测山体的孔洞内土壤含水量以及孔洞发生移动后孔洞的偏移量和偏移角度。

步骤102：数据采集模块将土壤含水量以及孔洞的偏移量和偏移角度进行加权融合，得到孔洞处的危险值。

步骤103：数据采集模块判断孔洞处的危险值是否小于预设危险阈值，若是，则执行步骤104；若否，则执行步骤105。

步骤104：不发出危险信号。

步骤105：发出危险信号。

具体的，本发明提供的山体滑坡监测与预警系统，包括数据采集模块1、通讯模块、供电模块5和远程上位机监测系统(即上位机3)。数据采集模块1包括若干并联的探测终端；通讯模块包括can卡2，第一数据传输单元4和第二数据传输单元；供电模块5采用太阳能板为探测单元、can卡2和第一数据传输单元4供电；工作人员通过远程上位机3监测系统对山体实现远程可视化监测与控制。

探测终端内部集成湿度传感器、倾角传感器和地磁传感器。湿度传感器用于监测土壤含水量；倾角传感器用于测量探测终端倾斜角度并采集滑坡监测区域土壤振动信号。地磁传感器，用于测量滑坡监测区域的微弱磁场变化量，计算滑坡区域(孔洞)的偏移量与偏移方向。

探测终端的特点：本发明采用的地磁传感器能够被动感知探测终端的坐标系发生偏移后x轴、y轴和z轴的地磁变化量，山体移动前探测终端的坐标系与地理坐标系重合，当山体移动带动监测终端发生偏移时，监测终端经过读取磁感应数值和倾角传感器角度，采用四元数法和欧拉角法计算出单个探测终端的偏移量与偏移方向，探测终端的偏移量与偏移方向就是终端所在孔洞发生移动后孔洞的偏移量与偏移方向。四元数可以描述三维空间的旋转信息，本发明通过四元数将探测终端旋转之后的坐标信息转换为地理坐标系的坐标信息。

四元数的公式如下：

q0、q1、q2为和q3均为实数，为和互为正交的单位向量。

对于探测终端来说，在转动过程中，单位向量为和与探测终端的坐标系之间的相对角位置始终不变，记d为探测终端的坐标系至地理坐标系的坐标变换矩阵记为其中e表示地理坐标系，b表示探测终端的坐标系。

四元数的范数公式如下：

四元数法的姿态解方程如下：

求姿态角时，将探测终端旋转等效为探测终端绕三个轴旋转复合，并规定探测终端绕z轴旋转称物体的航向角ψ、绕y轴旋转称物体的俯仰角γ、绕x轴旋转称物体的翻滚角θ。复合后的姿态矩阵为通过欧拉角推导得到复合后的姿态矩阵为的公式如下：

将公式(3)中矩阵的第三行的三个元素，从左到右分别表示为g1、g2和g3，将公式(3)中矩阵的第二行第一列和第一行第一列两个元素分别表示为g4和g5，(g1-g5仅是为了便于书写而替代或表示矩阵中的多项式的符号，无具体含义)具体公式如下：

g1＝2(q1q3-q0q2)(5)

g2＝2(q2q3-q0q1)(6)

g4＝2(q1q2-q0q3)(8)

将公式(4)-(9)进行如下结合：

g1＝2(q1q3-q0q2)＝-sinγ(10)

g2＝2(q2q3-q0q1)＝sinθcosγ(11)

g4＝2(q1q2-q0q3)＝cosγsinψ(13)

根据公式(10)-(14)，可求得探测终端的姿态角如下：

γ＝-arcsin(g1)(15)

最后，根据每个探测终端的长度求出探测终端相对于每个轴的偏移量：

l1＝lcosθ(18)

l2＝lcosγ(19)

l3＝lcosψ(20)

其中，l为探测终端的长度，l1为探测终端相对于x轴的偏移量，l2为探测终端相对于y轴的偏移量，l3为探测终端相对于z轴的偏移量，进而求出整个区域内地质变动情况。

湿度传感器、倾角传感器和地磁传感器采集到的数据均通过cs5532芯片发送到可编程的逻辑芯片7，逻辑芯片7将24c02存储芯片中存储的预设危险阈值与cs5532芯片传输过来的数据做对比，判断是否向上位机发送危险信息。

危险程度判断逻辑为：将倾角传感器和地磁传感器测得的数据经过数据运算后得出的孔洞的偏移量和偏移角度，然后与湿度传感器测量的数据进行加权平均处理，得到孔洞处的危险值。危险值为偏移量与偏移量因子u的积、偏移角度与偏移角度因子v的积，以及土壤含水量与土壤含水量因子w的积之和。偏移量因子u、偏移角度因子v和土壤含水量因子w可根据不同地区从上位机3做出不同的调整，加权比重也可根据具体情况而进行设定。

逻辑芯片7的i2c接口和spi接口分别与24c02芯片和cs5532芯片接口相连接；逻辑芯片7通过24c02芯片或cs5532芯片和外部设备通讯，根据收到的信息，依靠逻辑芯片7的软设置实现是否发送危险信号。另外，逻辑芯片7与can卡2连接，can卡2与第一数据传输单元4相连，第一数据传输单元4通过无线网络与上位机3进行通讯，实现数据交换。

供电模块5采用太阳能供电，主要为探测终端、can卡2和dtu供电。

远程监控中心(上位机3)接收到通讯模块发送的处理结果，将结果储存到mysql数据库中，实现了对特定山体区域24小时全天候监测。工作人员也可以通过观察以往的山体数据，从上位机3调整预设危险阈值，调节危险阈值的范围。

具体实施方案：

本系统从功能上划分主要分三层，分别为数据采集层(即数据采集模块1)、数据传输层(通讯模块)和应用层(上位机3)。

数据采集层：探测终端壳体采用抗压abs树脂材料，终端两端有外螺纹，终端与终端之间用与终端外螺纹相配合的内螺纹软管相连。连接管可在外力作用下朝任何方向180°到-180°弯曲变形。

探测终端壳体内置的传感器包括湿度传感器、倾角传感器和地磁传感器。湿度传感器用于对滑坡监测区域的土壤含水量信号采集。倾角传感器用于测量探测终端倾斜角度。地磁传感器用于测量滑坡监测区域的微弱磁场变化量，判断滑坡的偏移量。另外本发明采用的传感器能够精确的测得自身运动的绕x,y,z三轴的旋转角度而且具有较高的采样速率。

本发明将探测终端安装在预先打好的山体孔洞中(孔洞深度在10-100米之间)，当山体移动带动探测终端发生偏移时，地磁传感器测得磁场值发生变化，并经过计算把磁场数值转换为偏移量，从而得出滑坡区域孔洞的偏移量。根据倾角传感器得出滑坡区域的偏转角度。此时，装置中的cs5532芯片把湿度传感器、倾角传感器和地磁传感器采集的信息从模拟信号转换为数字信号上传至逻辑芯片7，逻辑芯片7结合24c02芯片所储存的危险因子参数和预设危险阈值，计算探测终端所在孔洞处的危险值，然后通过can卡2将探测终端所在孔洞处的危险值上传至上位机3。

数据传输层：逻辑芯片7通过can总线将危险值传输至can卡2，can卡2通过网线将危险值传输至dtu，dtu通过无线网络将危险值传输至上位机3。

应用层：执勤人员通过上位机3的界面显示，监测每个探测装置区域(孔洞)的情况，并且可以在上位机3设置探测终端的数据上传频率，并通过can总线下发到各个探测装置。

本发明提供的山体滑坡的监测预警系统及方法，适用于地质易滑坡地区，通过集成湿度传感器，地磁传感与倾角传感器探测磁场微弱变化，采用太阳能供电，适合长期数据量采集确保了探测终端的稳定性。通过无线网络技术，实现了对地质活动的远程实时监控，上位机3可进行对数据的定量分析，达到数据可视化效果，本发明具有反应灵敏、抗干扰能力强、操作简单、功耗低、无辐射、易于安装以及稳定性强的优点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。