一种基于物联网及云端服务的地质环境监测系统的制作方法

本实用新型涉及一种基于物联网及云端服务的地质环境监测系统。

背景技术：

矿山开采给人类带来巨大财富的同时，也极大的破坏了人类的环境，给人类带来了极大的地质灾害。因此，对矿山地质灾害的防范成为了矿山开采的重中之重，矿山地质环境监测系统能够实时准确的对矿山地形变、地面塌陷、地裂缝、地下水等进行监测，并对其进行分析处理，以指导人们的矿山开采及矿山灾难的应急预案工作。

当前技术由于未引入专业的监测装置对监测点及监测数据进行管理，致使监测工作因受技术手段的治约，存在如下不足：

(1)监测工作分散实施，没有统一通信接口和接入标准。由于各监测单位的监测目的不同，各自执行的技术标准也不同，使得这些监测结果难以作统一分析利用。

(2)监测成果分散管理，不利于统一分析利用。监测的防治是一个系统性的工作，需要从整体的角度综合全局的信息进行规划和决策，由于现有的监测成果难以整合，致使综合规划工作受到数据信息的制约。

(3)数据处理手段落后。仍使用传统的数据采集、存储、计算及成果表达方式，难以满足当今信息化管理的要求。

技术实现要素：

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种基于物联网及云端服务的地质环境监测系统，本实用新型能够进行矿山地质环境监测，实现监测工作集中管控、监测数据集中处理、监测成果集中管理。进一步的,通过监测及时掌握矿山地质环境动态变化规律，预测矿山地质环境发展变化趋势，从而提出相应的防治措施。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于物联网及云端服务的地质环境监测系统，包括中央处理器和多个GPRS模块，所述中央处理器分别通过每个GPRS模块分别连接一个ZigBee自组网模块，所述ZigBee自组网模块包括一个协调器节点，所述协调器节点连接有路由节点，所述路由节点连接多个传感器节点；

所述中央处理器将多个ZigBee自组网模块各个传感器节点采集的监测参数进行汇总，传输给云端服务器，以实现监测参数的网络共享与集中处理。

进一步的，所述多个ZigBee自组网模块形成ZigBee无线传感器网络。

进一步的，所述GPRS模块与中央处理器通过RS232通讯。

进一步的，所述路由节点通过无线收发模块与各个传感器节点连接。

进一步的，所述无线收发模块包括控制芯片和射频天线以及相应的阻抗匹配电路。

所述控制芯片外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和单片机接口电路。

所述传感器节点包括但不限于GPS模块、图像采集模块、地表变形监测模块、水位水质监测模块或温湿度监测模块。

所述传感器节点包括三维激光扫描设备，通过手动扫描地形地矿的三维模型，将3D模型的数据点云信息以三维坐标的形式传入中央处理器。

所述GPRS模块与中央处理器之间的数据传输采用碰撞机制和完全确认的数据传输机制。

进一步的，所述云端服务器与移动客户端连接，将接收的数据传输到各个移动客户端进行显示或操作。

进一步的，所述协调器节点包括微处理器和与之连接的ZigBee模块。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)传感器节点支持人工，自动多种数据采集方式，辅助矿山环境调查现场工作人员实时全方位获取传感数据，解决了传统纯人工测量数据不全、不准、无法共享的问题；

(2)传感器节点采用三维扫描设备，支持对地形地貌的准确扫描并形成3D模型，有利于用户形象明了的掌握地表形态，并作出准确的分析预判；

(3)基于ZigBee自组网技术，现场安装免设置、免布线、上电即用，自动组成无线网络，能够与现场设备直接通信，上传数据；

(4)网络结构中不需单独的路由器或中继器，子节点有路由功能和中继能力，穿透障碍物能力强；

(5)采用ZigBee无线传感器网络结合GPRS实现远程监控的方案，实现了矿区复杂环境下的监测工作并能够持续稳定运行；

(6)支持modbus等不同协议，并可以根据需要进行扩展，能够接入现场不同的设备数据。

(7)采用云端服务器进行数据存储及整合，实现了对所有集采区的统一管理、对比分析，并能够对温度、湿度等量化信息进行历史数据查询及曲线展示。并且提高了数据安全与存储能力。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实用新型系统结构框图；

图2是本实用新型的协调器节点示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在由于未引入专业的监测装置对监测点及监测数据进行管理，致使监测工作因受技术手段的治约的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于物联网及云端服务的地质环境监测系统。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，该系统能够进行矿山地质环境监测，实现监测工作集中管控、监测数据集中处理、监测成果集中管理。通过监测及时掌握矿山地质环境动态变化规律，预测矿山地质环境发展变化趋势，从而提出相应的防治措施。

考虑到矿区工作环境较为恶劣，排线布局较为困难，另外矿区测点众多，本系统采用了ZigBee无线传感器网络结合GPRS实现远程监控的方案。

自组网无线网络基于ZigBee无线技术，专门为采集系统量身定制，现场安装免设置，免布线，上电即用，自动组成无线网络。该网络能自动跳频抗干扰，具有自动修复功能，一旦某个节点因为故障等原因退出，会自动屏蔽该节点。网络结构中不需单独的路由器或中继器，子节点有路由功能和中继能力，穿透障碍物能力强。抄表实时性高，几秒种内基本可以实现指定表的抄表。无线收发模块主要由CC2420芯片和2.4GHz射频天线以及相应的阻抗匹配电路组成。芯片外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和单片机接口电路三个部分。本设计采用16MHz无源晶振，其负载电容值约为22pF。射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的射频输入/输出阻抗，使其输入/输出阻抗为50Ω，同时为芯片内部的功率放大器和低噪声放大器提供直流偏置。CC2420通过4线SPI口(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式，并实现读/写缓存数据和读/写状态寄存器，处理器采用8051单片机作为CPU。由于ZigBee最显著的特性技术就是它的低功耗和低成本，其采用较低的数据传输速率，较低的工作频段和更小的栈容量，并且可以将设备的ZigBee模块定义为低功耗的休眠状态使其整体功耗显著降低。

由上图1所示，在每个开采区内，ZigBee自组网内的各个网络节点协同工作，共同完成数据的采集上传。其中，各个采集模块除包括GPS模块、图像采集模块、地表变形监测模块、水位水质监测模块、温湿度监测模块等常规矿区地质监测模块外，还采用了三维激光扫描设备(柯尼卡美能达vivid9i)，单幅扫描时间小于0.05mm，通过手动扫描地形地矿的三维模型，将3D模型的数据点云信息以三维坐标的形式传入中央处理器，然后以三维模型的形式展示在客户端上，以供用户对地形地貌进行参考查看。上述各个采集模块构成了传感器节点，而图中协调器节点负责建立ZigBee网络，之后，它的作用就和路由节点一样，负责路由和转发数据，并且维持ZigBee网络。

在本实例中，8051微处理器核用来控制CC2420ZigBee模块的运行，其与GPRS模块通过RS232进行连接，用来数据通讯。如图2所示。

GPRS网络是2.5代移动通讯系统，是GSM向3G过度的桥梁。能够实现采集终端与Internet网络的路由器之间传递分组数据。根据ZigBee协议，每个ZigBee主设备可以连接多达254个从设备，并且100个独立且相互重叠覆盖的ZigBee网络可同时存在于一个区域内。网络数据传输采用碰撞机制和完全确认的数据传输机制，网络层和MAC层都有安全策略，且安全分级，整个网络的可靠性性和安全性都比较高。

每个ZigBee网络的协调器节点和一个GPRS模块相互连接来进行数据传输。在ZigBee网络中，所有节点的传感器数据都通过路由送往协调器节点，后者将其传送给GPRS，然后发送给远程的中央处理器，中央处理器对各个矿山集采区的数据进行整合，统一处理。

云端服务器可以提供以下功能：

矿山管理功能：应用层主要为软件应用，对矿山的管理功能包括矿山地质环境基本信息的登记、查询、删除和矿山地质环境调查信息(不稳定边坡、采空塌陷、含水层破坏等)的登记、查询、删除等功能，对矿山监测点的管理包括对矿山监测点的登记以及查询、修改、删除等功能。

数据处理功能：应用软件可以根据采集设备采集上来的地形数据进行曲面的拼接拟合，形成整体的三维地表模型以供专业人员研究分析；能够进行历史数据和曲线的展示，供用户进行全方位的掌握分析。

统计查询功能：应用软件可以根据使用者日常的习惯以及日常需要的数据，进行对数据进行分类存储，根据不同条件对数据进行查询功能。并能根据用户需求进行分类查询。

系统管理：系统管理功能主要包括人员管理和权限管理。对系统日常使用者的权限、密码、使用功能模块等进行管理，为不同使用者方便的使用系统提供技术支持。能够根据用户权限设定各角色所能够应用的系统功能。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。