一种坝岸坍塌检测无线终端设备及坝岸坍塌监测预警系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种坝岸坍塌检测设备及系统，尤其是涉及一种坝岸坍塌检测无线智能终端设备及采用该终端设备的黄河等河流坝岸坍塌监测应急预报警系统。


背景技术：

2.防汛抢险中,巡堤查险是一项极为重要的工作，黄河因为其多泥沙特点使得对河道工程坝岸险情监测提出更高要求。坝岸出险的问题归根结底是护根问题，进言之，根石走失是险工坝岸出险的根本原因，减少根石走失就能减少出险。为及时消除根石走失带来的险情，我们必须对根石走失进行准确、快速预警，及时抢护。
3.河南局有一万多道河道工程，每年的巡坝查险耗费了大量的人力物力，即使这样，难免有漏查漏报的情况，致使小险酿成大险，危及防洪工程安全。从2003年开始，有很多单位进行了河道工程根石坍塌自动化监测试验，尚存在不少问题：有些试验技术上不可行；有些试验虽技术可行，但成本高，不利于推广；有些试验效果尚可，但设备暴露在野外，容易被人为破坏而造成误报漏报。
4.针对传统人工巡堤所存在的不足，研究能充分适应黄河情况的安全监测系统，采用现代化监测设备及自动控制装备，提供一种实时监测黄河河坝坝石坍塌险情的设备和系统，能够实现堤坝坍塌险情的监测和预警预报，及时发现险情上报，可以争取在第一时间抢险避免更大损失，实现汛期水情监测，确保河流安全，减少人力巡检所遇到的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型针对现有技术不足，提出一种坝岸坍塌检测无线终端设备及坝岸坍塌监测预警系统，利用物联网和大数据技术对河流坝岸根石坍塌进行自动化监测，成本低廉、操作简单。
6.本实用新型采用的技术方案：
7.一种坝岸坍塌检测无线终端设备，包括水上传感器、mcu控制模组、编码器、无线发射单元以及电源模块，电源模块为终端设备提供工作电源，所述水上传感器输出信号接入mcu控制模组，所述mcu控制模组、编码器和无线发射单元构成主控电路，所述mcu控制模组输出信号通过编码器连接无线发射单元；其中与所述编码器连接有可编程时钟单元，所述可编程时钟单元输出信号连接编码器。
8.编码器采用8路集成电路芯片pt2264，可编程时钟单元采用pj
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96s；坝岸堤坡倾斜角度传感器输出信号接入mcu控制模组的一组i/o端口，所述mcu控制模组输出信号一路通过二极管d1连接pt2264的电源输入端，一路通过二极管d4连接pt2264的一路数字信号输入端口，所述pt2264的信号输出端口连接无线发射单元；可编程时钟单元含lcd液晶显示屏以及外设键盘，所述可编程时钟单元的输出端j1定时输出1秒钟高电平信号，通过电阻r14加到晶体管q4基极，晶体管q4 的集电极输出端连接场效应管q5，所述场效应管q5的源极输出端通过二极管d4连接编码器的电源输入端。
9.所述的坝岸坍塌检测无线终端设备，电源模块包括主控电路供电电源以及可编程时钟单元供电电源，为保证时钟工作的稳定性和准确性，可编程时钟单元采用独立3伏电源供电；为了保证终端设备长时间稳定工作和足够发射功率，主控电路的电源采用碱性积层9伏电池供电。所述的坝岸坍塌检测无线终端设备，含有外包装材料壳体，所述的水上传感器、主控电路以及电源模块设置于一密封安装盒内，所述密封安装盒设置于所述外包装材料内部构成仿真石头，发射单元的天线露出外包装材料壳体外。
10.所述的坝岸坍塌检测无线终端设备，水上传感器采用坝岸堤坡倾斜角度传感器，所述岸堤坡倾斜角度传感器由4个单向真空角度传感器组成多角度检测传感器，所述4个单向真空角度传感器并联连接并交叉固定于pcb电路板上，其开关输出节点接线端连接mcu控制模组的i/o接口。见图4，所述坝岸堤坡倾斜角度传感器由4个直径为4mm的单向、真空角度传感器（带有水银开关）组成，当角度发生45
°
时，触发门限传感器输出信号。当再次角度倾斜180
°
时触发门限传感器输出信号。
11.所述的坝岸坍塌检测无线终端设备，含有水下根石检测传感器，所述水下根石检测传感器包括震动检测传感器、滚动状态检测传感器以及防水保护壳体，所述震动检测传感器、滚动状态检测传感器输出信号通过4芯屏蔽信号线缆从防水保护壳体内引出并连接mcu控制模组的i/o接口。所述水下根石检测传感器是将石头钻φ15mm、深80mm孔，将外面设有防水保护壳体的震动检测传感器、滚动状态检测传感器置入，然后用树脂胶将传感器封牢。
12.一种所述坝岸坍塌检测无线终端设备的坝岸坍塌监测预警系统，包括数据分析检测、无线传输、视频监控部分，智能仿真云端，app手机终端管理及视频显示控制系统，以及一定数量的坝岸坍塌检测无线终端设备，所述数据分析检测、无线传输、视频监控部分包括解码器/接收机、dts+告警检测控制装置以及高清摄像头；所述解码器/接收机输出信号连接dts+告警检测控制装置，所述dts+告警检测控制装置与高清摄像头控制并通讯连接，所述坝岸坍塌检测无线终端设备与数据分析检测、无线传输、视频监控部分通过无线网络互联，数据分析检测、无线传输、视频监控部分通过智能仿真云端与app手机终端管理及视频显示控制系统相连。所述坝岸坍塌监测预警系统采用太阳能供电系统提供工作电源。
13.所述的坝岸坍塌监测预警系统，坝岸坍塌检测无线终端设备包括水上传感器、水下跟石检测传感器，所述水上传感器、水下跟石检测传感器输出信号分别接入mcu控制模组的中央处理器的不同i/o端口，mcu控制模组的中央处理器对应设定不同的i/o端口连接编码器，通过所述编码器连接无线发射单元；其中，mcu控制模组，检测到传感器送来的变量信号（告警信号），并根据输入信号性质，控制编码器和发射单元开机工作，同时将变量信号送入编码器进行（地址码）编码，编码完成后送入发射单元发射 (发射控制时间1.5秒)，随后mcu关闭编码器及发射单元电源，等待再次检测变量信号（告警信号）的输入；所述的编码器，将mcu模组和定时单元送来的信号，按照设定好的程序，进行8位（地址码）编码，送入发射单元发射以便接收机解调不同地址信息；发射单元，是将编码器送来的码流信号，调制在高频振荡信号（315或433频率）上，通过功率放大发射出去。
14.所述的坝岸坍塌监测预警系统，含有可编程定时单元，所述的可编程定时单元，根据需要从1秒钟至7天时间编程，输出标准时间（1秒）脉冲信号，送入编码器8通道上报设备工作情况；为了保证终端设备长时间稳定工作和足够发射功率，主控电路部分采用碱性积
层9伏电池供电，可编程定时器采用独立3伏电源供电，以保证时钟工作的稳定性和准确性。
15.系统主要功能是实时监控布防堤坝边坡及水下石头坍塌和位移情况，及时发出告警信息，堤防管理人员根据手机app告警，可以随时掌握出险时间、坝岸地理信息、断面险情情况、视频查看和抓拍图片等，为及时有效的抢险工作提供科学、有效的险情数据。当智能仿真石头连续发生倾斜或是位移，系统则会连续多条发出告警信息。
16.实用新型有益效果：
17.1、本实用新型坝岸坍塌检测无线终端设备及坝岸坍塌监测预警系统，利用物联网和大数据技术对根石坍塌进行自动化监测，一是技术上切实可行，不容易发生误报漏报；二是成本低廉、操作简单，有利于推广应用；三是便于野外管理，减少人为破坏。坝岸坍塌检测无线终端设备，采用数字编码调制技术、抗干扰能力强，性能稳定，可靠性高、通信距离远。
18.2、本实用新型坝岸坍塌监测预警系统，由坝岸坍塌检测无线终端设备（设置于外包装材料内部构成智能仿真石头）、末端传感设备、数据分析检测、无线传输、视频监控部分、智能仿真云端、app手机终端管理及视频显示控制系统以及太阳能供电系统构成。可实现实时监控布防堤坝边坡及水下石头坍塌和位移情况，及时发出告警信息，堤防管理人员根据手机app告警，可以随时掌握出险时间、坝岸地理信息、断面险情情况、视频查看和抓拍图片等，为及时有效的抢险工作提供科学、有效的险情数据。
19.3、本实用新型坝岸坍塌检测无线终端设备，整机功耗小，静态（待机）工作电流3.1μa≤5.1μa；发射状态（报警时长1.5秒）50ma，电池约用10个月以上。具有工作状态自检报时功能，设定可以每周上报一次定时时钟（心跳），表明设备通道、终端设备工作正常，不会因设备故障无法正常工作漏报险情。
20.4、本实用新型坝岸坍塌检测无线终端设备，用角度传感器、震动传感器，实现了传感器角度和震动灵敏度可设定控制，坝体根石水上水下线缆（开路和短路）检测告警。保证了有险必报和预警和告警状态的区别。整机采用模块化设计，灌胶密封防水防潮，保证在不同环境下可靠稳定工作。
21.5、本实用新型坝岸坍塌检测无线终端设备，水上传感器、主控电路以及电源模块通过密封安装盒设置于外包装材料内部构成“智能仿真石头”（发射单元的天线露出外包装材料壳体外），“智能仿真石头”外形采用彩色轻型粘土制作，该材料可塑性强，颜色外形能有效融合不同场景，具有隔热保温、防水防潮避免设备内部结露，损坏电路板。布放方便快捷，应急防控监测反应速度快。制作成本相对低廉，损失补缺和大规模布放安装造价成本低。可推广应用在山体滑坡以及存在安全隐患的场所。
附图说明
22.图1为坝岸坍塌监测预警系统架构组成方框图；
23.图2为坝岸坍塌检测无线终端设备电路构成方框图；
24.图3为坝岸坍塌检测无线终端设备电路原理图；
25.图4为坝岸坍塌检测无线终端设备角度检测传感器结构示意图；
26.图5为坝岸坍塌检测无线终端设备坝岸水下根石检测传感器结构示意图。
具体实施方式
27.下面通过具体实施方式，结合附图对本实用新型技术方案做进一步的详细描述。
28.实施例1
29.参见图2，本实用新型坝岸坍塌检测无线终端设备，包括水上传感器、mcu控制模组、编码器、无线发射单元以及电源模块，电源模块为终端设备提供工作电源，所述水上传感器输出信号接入mcu控制模组，所述mcu控制模组、编码器和无线发射单元构成主控电路，所述mcu控制模组输出信号通过编码器连接无线发射单元；其中与所述编码器连接有可编程时钟单元，所述可编程时钟单元输出信号连接编码器。
30.mcu智能仿真控制模组检测到传感器送来的变量信号（告警信号），并根据输入信号性质，控制编码器和发射单元开机工作，同时将变量信号送入编码器进行（地址码）编码，编码完成后送入发射单元发射 (发射控制时间1.5秒)，随后mcu关闭编码器及发射单元电源，等待再次检测变量信号（告警信号）的输入。
31.实施例2
32.参见图2、图3，本实施例的坝岸坍塌检测无线终端设备，和实施例1的不同之处在于：具体的，所述编码器采用8路集成电路芯片pt2264，可编程时钟单元采用pj
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96s；坝岸堤坡倾斜角度传感器输出信号接入mcu控制模组的一组i/o端口，所述mcu控制模组输出信号一路通过二极管d1连接pt2264的电源输入端，一路通过二极管d4连接pt2264的一路数字信号输入端口，所述pt2264的信号输出端口连接无线发射单元；可编程时钟单元含lcd液晶显示屏以及外设键盘（时钟设置按键），所述可编程时钟单元的输出端j1定时输出1秒钟高电平信号，通过电阻r14加到晶体管q4基极，晶体管q4 的集电极输出端连接场效应管q5，所述场效应管q5的源极输出端通过二极管d4连接编码器的电源输入端。
33.实施例3
34.本实施例的坝岸坍塌检测无线终端设备，和实施例1及实施例2的不同之处在于：电源模块包括主控电路供电电源以及可编程时钟单元供电电源，为保证时钟工作的稳定性和准确性，可编程时钟单元采用独立3伏电源供电；为了保证终端设备长时间稳定工作和足够发射功率，主控电路的电源采用碱性积层9伏电池供电。
35.所述的坝岸坍塌检测无线终端设备，含有外包装材料壳体，所述的水上传感器、主控电路以及电源模块设置于一密封安装盒内，所述密封安装盒设置于所述外包装材料内部构成仿真石头，发射单元的天线露出外包装材料壳体外。
36.所述的仿真石头采用彩色超轻粘土包装，将所述超轻黏土塑成坦石形状，紧密包裹所述的坝岸坍塌检测无线终端设备的电路构成部分。所述彩色超轻黏土是经过多次试验比较所得，有对电路隔热和保温的作用。石头的形状和颜色能与护坡融为一体，不易发现。对于临时靠河或是有较大几率出险的堤坝能实现快速布放。当智能仿真石头发生倾斜或位移时，则表示可能出现坦石慢蛰或坍塌的险情。
[0037]“智能仿真石头”外包装材料采用彩色超轻粘土，该材料主要运用高分子材料发泡粉（真空微球）进行发泡，再与聚乙醇、交联剂、甘油、颜料等材料按照一定的比例物理混合制成。是一种无毒、无味、无刺激性新型环保工艺材料(产品符合：gb21027
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2007；en
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71,astm
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d4236等标准)，可塑性强，颜色外形能有效融合不同场景，可自由揉捏、随意创作，也可与木头、金属片、玻璃等材质完美结合使用，在24
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48小时内可自然风干且有弹性、保温、
不碎裂，可以永久保存。具有隔热保温、防水防潮避免设备内部结露，损坏电路板。布放方便快捷，应急防控监测反应速度快。成本相对低廉，损失补缺和大规模布放安装造价成本低。
[0038]
实施例4
[0039]
本实施例的坝岸坍塌检测无线终端设备，和前述各实施例不同的是：参见图4，水上传感器采用坝岸堤坡倾斜角度传感器，所述岸堤坡倾斜角度传感器由4个单向真空角度传感器8组成多角度检测传感器，所述4个单向真空角度传感器8并联连接并交叉固定于pcb电路板10上，其开关输出节点接线端9连接mcu控制模组的i/o接口。
[0040]
如图4所示，坝岸堤坡倾斜角度传感器由4个直径为4mm的单向、真空角度传感器（带有水银开关）组成，当角度发生45
°
时，触发门限传感器输出信号。当再次角度倾斜180
°
时触发门限传感器输出信号。
[0041]
实施例5
[0042]
本实施例的坝岸坍塌检测无线终端设备，和前述各实施例不同的是：含有水下根石检测传感器，所述水下根石检测传感器包括震动检测传感器1、滚动状态检测传感器2以及防水保护壳体3，所述震动检测传感器、滚动状态检测传感器输出信号通过4芯屏蔽信号线缆4从防水保护壳体3引出并连接mcu控制模组的i/o接口。前述描述见图5。图中标号5为保护壳内部填充密封胶，7为传感器管脚引线，6为防水密封螺旋盖。
[0043]
所述水下根石检测传感器是将石头钻φ15mm、深80mm孔，将外面设有防水保护壳体的震动检测传感器、滚动状态检测传感器置入，然后用树脂胶将传感器封牢。
[0044]
水下根石检测传感器固定在根石内部。将安装好的根石放入水下根石坦的位置能及时检测根石状态，当根石发生移动、震动或线缆断开时，传感器输出信号，触发检测电路，对坦石坍塌能起到很好的预警作用。
[0045]
坝岸坍塌检测无线终端设备（仿真石头）硬件安装及各模块作用：
[0046]
水上传感器采用坝岸堤坡倾斜角度传感器，仿真石头安装在不同断面堤坝斜坡上，距水面2至3米处。水下：采用水下根石检测传感器固定在根石内部，安放在水下距岸边水面2至3米处。当坝岸边坡石头被洪水冲刷发生位移和坍塌时，传感器发生角度变化或震动、位移时，传感器就会根据设定的阀值，发出触发指令（告警信号），送入mcu智能控制模组。
[0047]
mcu智能控制模组检测到传感器送来的变量信号（告警信号），并根据输入信号性质，控制编码器和发射单元开机工作，同时将变量信号送入编码器进行（地址码）编码，编码完成后送入发射单元发射 (发射控制时间1.5秒)，随后mcu关闭编码器及发射单元电源，等待再次检测变量信号（告警信号）的输入。
[0048]
可编程定时单元，智能仿真石头放入坝岸边坡后，由于工作环境恶劣，一年四季温度、湿度变化非常大，为了保证智能仿真石头（设备）正常工作和损坏后及时补充，加入了可编程定时单元。该单元可根据需要，从1秒钟至7天时间任意编程，输出标准时间（1秒）脉冲信号，送入编码器8通道上报设备工作情况。可编程定时器采用独立3伏电源供电，以保证时钟工作的稳定性和准确性。
[0049]
8路编码器，编码器主要是将mcu模组和定时单元送来的信号，按照设定好的程序，进行8位（地址码）编码，送入发射单元发射以便接收机解调不同地址信息。
[0050]
发射单元，主要是将编码器送来的码流信号，调制在高频振荡信号（315或433频
率）上，通过功率放大发射出去，以达到远距离的无线电传送信号（有效传送距离300米）。
[0051]
电源供电系统，为了保证“仿真石头”长时间稳定工作和足够发射功率，主控部分采用碱性积层9伏电池供电。
[0052]
无线终端设备（智能仿真石头）工作原理说明：
[0053]
无线终端设备(仿真石头)是由多角度检测传感器、mcu智能控制模组、8路编码器、pj
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96s可编程时钟单元、发射单元、电源模块和外包装材料七个不同功能单元组成（见附图2），其工作原理（原理图见附图3）如下：
[0054]
当多角度检测传感器发生任意方向角度倾斜，并达到角度设定值时（设定值为45
°
），传感器就会输出一个闭合信号送入mcu智能控制模组，mcu收到信号后，经检测分析，主要是分析传感器输出状态是否有翻转（开路和闭合状态），当输出信号有翻转时，mcu就会输出1.5秒控制信号，该控制信号送入编码器相应的输入端（输入端1至8路）和无线数据发射单元（原理图见附图3所示），在正常状态无1.5秒控制信号时，二极管d1至d4截止，集成电路ic118脚(vcc)处于断电状态不工作，同时17脚(dout)无输出，发射电路q1截止，振荡、功放电路无直流回路不工作。当控制信号1至8路其中一路有输入时，二极管d1至d4相应那个二极管加正向电压导通，集成电路ic118脚（vcc）得电开始工作，码流信号是由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，本电路地址码是采用固定焊码方法获得，即将ic1引脚1
‑
7脚（a0至a7）分别加高电平、低电平或悬空，三种状态分别由pt2264检测以确定编码波形，来获得与其他发射模块不同的地址码，数据码编制是根据ic1输入端10脚至13脚（d0
‑
d3）所加的高低电平不同，由pt2264检测以确定编码波形。15引脚（osc1）、16引脚（osc2）是pt2264振荡器引脚，需连接一个r1电阻确定振荡器频率。14引脚（te）是控制传输启用引脚，当此脚连接低电平时pt226417脚（dout）输出编码波形。17引脚（dout）数据输出引脚，输出串行编码波形，当pt2264没有传输信号时，dout输出低电平（vss电压）。输出串行码排序为，帧发送格式（一帧数据包括24位数据+1个同步位，当a引脚接低电平时发送00，接高电平时发送11，悬空时发送10，同步位为4个振荡周期高电平+124个振荡周期低电平）。位发送格式，振荡周期的宽度有osc1和osc2中间串的电阻确定。同步位格式，在每帧数据最后位发送。ic19引脚（vss）是电源负极，18脚是电源正极。
[0055]
当pt226417脚（dout）输出编码波形时，该编码波形信号经r10传送的无线数据发射模块的q1,此时q1导通，由q2等原件组成的315mhz晶体振荡器开始工作，并受17脚（dout）输出码形控制，17脚为低电平时315mhz停止振荡，高频发射电路完全受控于17脚输出码形信号，从而对高频电路完成幅度键控（ask调制）相当于调制度为100%，q3是高频功率放大管工作在丙类状态，无振荡信号输入时截止状态，有振荡信号输入时导通放大，并经天线发射出去。本机设计发射电流约为60ma，以满足输出功率，达到远距离传输要求。
[0056]
时钟模块pj
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96s加入是保证无线终端设备(仿真石头)，定期上传“心跳”，以确定“仿真石头”在正常工作状态，时钟模块设置每周上传一次。
[0057]
时钟模块pj
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96s是多功能微电脑ic直接封装于pcb板上，内含lcd液晶显示、外设键盘，工作温度
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10
°‑
60
°
，3v电压供电，静态工作电流7
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9μa,高电平驱动2ma，尺寸57mm
×
29mm。模块上传时间（心跳），是通过外设的按键“分、时、星期、时钟、程序等键输入到pj
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96s模块（设置每周输出1秒高电平信号），pj
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96s模块j1定时输出1秒钟高电平信号，通过r14加到q4基极，q4、q5导通，q5场效应管导通后，编码器输入端第8路二极管d4加正向电
压，pt2264 18脚得电工作，同时pt2264 13脚加高电平，17脚dout输出，无线数据发射模块的q1导通工作，通过振荡、功放由天线发射出去。
[0058]
实施例6
[0059]
参见图1，本实施例为采用前述坝岸坍塌检测无线终端设备的坝岸坍塌监测预警系统，包括数据分析检测、无线传输、视频监控部分，智能仿真云端，app手机终端管理及视频显示控制系统，以及一定数量的坝岸坍塌检测无线终端设备，所述数据分析检测、无线传输、视频监控部分包括解码器/接收机、dts+告警检测控制装置以及高清摄像头；所述解码器/接收机输出信号连接dts+告警检测控制装置，所述dts+告警检测控制装置与高清摄像头控制并通讯连接，所述坝岸坍塌检测无线终端设备与数据分析检测、无线传输、视频监控部分通过无线网络互联，数据分析检测、无线传输、视频监控部分通过智能仿真云端与app手机终端管理及视频显示控制系统相连。
[0060]
所述坝岸坍塌监测预警系统采用太阳能供电系统提供工作电源。
[0061]
所述的坝岸坍塌监测预警系统，包括坝岸坍塌检测无线终端设备以及末端传感设备。末端传感设备包括水上传感器、水下跟石检测传感器，所述水上传感器、水下跟石检测传感器输出信号分别接入mcu控制模组的中央处理器的不同i/o端口，mcu控制模组的中央处理器对应设定不同的i/o端口连接编码器，通过所述编码器连接无线发射单元；其中，mcu控制模组，检测到传感器送来的变量信号（告警信号），并根据输入信号性质，控制编码器和发射单元开机工作，同时将变量信号送入编码器进行（地址码）编码，编码完成后送入发射单元发射 (发射控制时间1.5秒)，随后mcu关闭编码器及发射单元电源，等待再次检测变量信号（告警信号）的输入；所述的编码器，将mcu模组和定时单元送来的信号，按照设定好的程序，进行8位（地址码）编码，送入发射单元发射以便接收机解调不同地址信息；发射单元，是将编码器送来的码流信号，调制在高频振荡信号（315或433频率）上，通过功率放大发射出去。
[0062]
实施例7
[0063]
本实施例的坝岸坍塌监测预警系统，与实施例6不同的是，含有可编程定时单元，所述的可编程定时单元，根据需要从1秒钟至7天时间编程，输出标准时间（1秒）脉冲信号，送入编码器8通道上报设备工作情况；为了保证终端设备长时间稳定工作和足够发射功率，主控电路部分采用碱性积层9伏电池供电，可编程定时器采用独立3伏电源供电，以保证时钟工作的稳定性和准确性。
[0064]
系统主要功能是实时监控布防堤坝边坡及水下石头坍塌和位移情况，及时发出告警信息，堤防管理人员根据手机app告警，可以随时掌握出险时间、坝岸地理信息、断面险情情况、视频查看和抓拍图片等，为及时有效的抢险工作提供科学、有效的险情数据。主要用于解决黄河两岸险工堤坝坍塌险情的监测和预警预报，及时发现险情上报，争取第一时间抢险避免更大损失。当智能仿真石头连续发生倾斜或是位移，系统则会连续多条发出告警信息，因此系统能准确检测坦石慢蛰、平墩或根石坦坍塌，且及时又灵敏。