專利名稱：山體滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域，尤其是一種山體滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來國內(nèi)外地震、山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，尤其是在我國，由于對資源的過度開發(fā)，自然環(huán)境嚴(yán)重惡化，各種地質(zhì)災(zāi)害對人民的生命、財(cái)產(chǎn)安全造成了極大威害。另外，隨著大型水電站、水庫、公路、鐵路工程等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷建設(shè)，滑坡、決提、塌陷等破破壞性災(zāi)害，也嚴(yán)重影響著這些基礎(chǔ)設(shè)施的使用安全和壽命。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年發(fā)生滑坡、泥石流、塌陷等各種地質(zhì)災(zāi)害數(shù)萬起，能夠在災(zāi)害發(fā)生前做出預(yù)警的還不到十分之一，如何對這些地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警，切實(shí)保護(hù)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全，是我國當(dāng)前面臨的一個(gè)重要課題。目前對滑坡、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)警通常都是政府行為，需要動員大量的人力、物力，利用大型、昂貴的儀器設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。主要的監(jiān)測方法有宏觀異常觀測法(如動物異常、地表特明顯位移、地陷、地裂、隆起等)、物探法、位移測量法、水位異常分析法、遙感航測法等。但這些方法存在監(jiān)測設(shè)備體積大、需要專業(yè)人員操作等問題，只能對少數(shù)的重要區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，無法推廣到廣大存在安全隱患的地區(qū)，難以滿足鄉(xiāng)村、企業(yè)和個(gè)人對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警的需求。現(xiàn)有的山體滑坡監(jiān)測與預(yù)警方法和裝置都需要通過觀察或探測地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化來預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，但是，由于滑坡、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生存在很大的偶然性，這些方法和裝置只能給出發(fā)生滑坡、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的可能性，無法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間。 因此，亟需一種小型化、低成本、操作簡便的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，以解決鄉(xiāng)村、企業(yè)和個(gè)人對滑坡、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能對山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警的系統(tǒng)。該系統(tǒng)部署和使用方便、監(jiān)測和預(yù)警準(zhǔn)確性高，可以為鄉(xiāng)村、企業(yè)和人體用戶提供可靠的滑坡前兆預(yù)警。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明是由一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)分布式部署于山體的不同位置(如圖2所示)，負(fù)責(zé)采集不同觀測點(diǎn)的山體地表形變和振動信號，并通過無線傳輸方式發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)；主控節(jié)點(diǎn)接收傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息和地下瞬時(shí)振動信號，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，將滑坡預(yù)警信息發(fā)送給報(bào)警器， 發(fā)出分級報(bào)警信號。主控節(jié)點(diǎn)可以部署在地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的位置(如圖2所示)，主控節(jié)點(diǎn)的GPS模塊通過接收GPS衛(wèi)星信號，對自身位置進(jìn)行解算，并向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送差分信號。傳感器節(jié)點(diǎn)分布式部署于存在潛在滑坡可能的位置(如圖2所示)，傳感器節(jié)點(diǎn)的GPS模塊根據(jù)GPS衛(wèi)星信號和主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的差分信號，解算自身的位置，并傳送給主控節(jié)點(diǎn)。主控節(jié)點(diǎn)通過無線
3方式接收不同傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息，計(jì)算出不同傳感器節(jié)點(diǎn)與主控節(jié)點(diǎn)的相對位置，可以得到山體的地表形變參數(shù)，為山體滑坡提供中長期監(jiān)測與預(yù)警信息。傳感器節(jié)點(diǎn)的振動觸發(fā)器檢測到異常的地下振動時(shí)，觸發(fā)MEMS加速度計(jì)采集地下瞬時(shí)振動信號，并將振動信號傳遞到主控節(jié)點(diǎn)。主控節(jié)點(diǎn)根據(jù)GPS模塊提供的山體地表形變參數(shù)和MEMS加速度計(jì)提供的地下瞬時(shí)振動信息，計(jì)算山體滑坡發(fā)生的概率，并啟動報(bào)警器發(fā)出不同等級的報(bào)警信號。本發(fā)明通過檢測山體地表形變和地下瞬時(shí)振動異常對山體滑坡進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警。 地表形變能反映出山體的變化狀態(tài)，預(yù)測潛在的山體滑坡災(zāi)害；地下瞬時(shí)振動異常信號反應(yīng)了山體的瞬時(shí)變動，能準(zhǔn)確地檢測滑坡前兆，給出實(shí)時(shí)預(yù)警信息。與基于地表位移、地下結(jié)構(gòu)和山體傾斜度變化的滑坡檢測裝置相比，本發(fā)明不僅可以提供中長期預(yù)警，還可以提供準(zhǔn)確的滑坡前兆預(yù)警，克服了現(xiàn)有方法和裝置預(yù)警周期長、時(shí)間預(yù)測不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。


圖1主控節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳遞圖2山體滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與部署示意3傳感器節(jié)點(diǎn)電路框4傳感器節(jié)點(diǎn)物理結(jié)構(gòu)示意5主控節(jié)點(diǎn)電路框6主控節(jié)點(diǎn)物理結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式如圖2所示，系統(tǒng)由一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成。主控節(jié)點(diǎn)部署在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的區(qū)域，提供觀測基點(diǎn)，并作為數(shù)據(jù)處理中心。傳感器節(jié)點(diǎn)部署于潛在的滑坡區(qū)域，用于監(jiān)測山體地表的形變和地下的振動異常信號。傳感器節(jié)點(diǎn)與主控節(jié)點(diǎn)之間通過無線傳輸方式傳遞數(shù)據(jù)和控制信息(如圖1所示)。傳感器節(jié)點(diǎn)的電路框圖如圖3所示，包括GPS模塊、振動觸發(fā)器、MEMS加速度計(jì)、存儲器、ARM處理器、無線傳輸模塊、電源模塊、GPS衛(wèi)星天線和無線收發(fā)天線。其物理結(jié)構(gòu)如圖4所示，由金屬探針1、基座2、MEMS加速度計(jì)3、振動觸發(fā)器4、傳感器板5、處理器板6、無線通信板7、電源管理板8、充電電池9、太陽能電池10、GPS衛(wèi)星天線11、無線收發(fā)天線12 和封裝外殼13組成。金屬探針1與基座2固聯(lián)在一起，安裝在傳感器節(jié)點(diǎn)的底部；MEMS加速度計(jì)3和振動觸發(fā)器4固定在基座2上方；傳感器節(jié)點(diǎn)通過金屬探針1埋植在地表巖石或堅(jiān)實(shí)土層中。由于金屬探針1、基座2、振動觸發(fā)器4和MEMS加速度計(jì)3固聯(lián)在一起，中間沒有減振環(huán)節(jié)，具有很大的振動信號傳遞帶寬，因此地下的振動信號通過探針1和基座 2，可以被振動觸發(fā)器4和MEMS傳感器3有效接收。傳感器板5包括GPS模塊、振動觸發(fā)和檢測模塊，GPS模塊通過GPS衛(wèi)星天線11接收GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航信號，并結(jié)合由主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的GPS差分信號，進(jìn)行位置解算，獲得傳感器節(jié)點(diǎn)的高精度位置信息；振動觸發(fā)和檢測模塊接收由振動觸發(fā)器4和MEMS傳感器3傳來的地下振動信號。傳感器板5將高精度位置信息和振動信號通過接口電路傳遞到處理器板6進(jìn)行處理。處理器板6將處理后的信號通過無線通信板7由無線收發(fā)天線12發(fā)送到主控節(jié)點(diǎn)。電源管理板8負(fù)責(zé)充電電池9和太陽能電池10的充放電管理，并為傳感器板5、處理器板6和無線通信板7供電。太陽能電池10負(fù)責(zé)把太陽能轉(zhuǎn)換成電能，為充電電池9和其它電路板供電。封裝外殼13為傳感器提供封裝保護(hù)。主控節(jié)點(diǎn)的電路框圖如圖5所示，包括GPS模塊、存儲器、ARM處理器、無線傳輸模塊、電源模塊、GPS衛(wèi)星天線、無線收發(fā)天線和報(bào)警器。其物理結(jié)構(gòu)如圖6所示，由金屬探針 1、基座2、傳感器板3、處理器板4、無線通信板5、電源管理板6、充電電池7、太陽能電池8、 GPS衛(wèi)星天線9、無線收發(fā)天線10、報(bào)警燈11、蜂鳴器12和封裝外殼13組成。金屬探針1 與基座2固聯(lián)在一起，安裝在傳感器節(jié)點(diǎn)的底部，傳感器節(jié)點(diǎn)通過金屬探針1埋植在地表巖石或堅(jiān)實(shí)土層中。傳感器板3包括GPS模塊，GPS模塊通過GPS衛(wèi)星天線9接收GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航信號，進(jìn)行位置解算，獲得傳感器節(jié)點(diǎn)的高精度位置信息，并解算差分信號。傳感器板 3將高精度位置信息和差分信號通過接口電路傳遞到處理器板4進(jìn)行處理。處理器板4將處理后的差分信號通過無線通信板5由無線收發(fā)天線10發(fā)送到傳感器節(jié)點(diǎn)。無線收發(fā)天線10接收由每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的高精度位置信息和地下振動信號，經(jīng)無線通信板5送到處理器板4進(jìn)行綜合處理，獲得山體滑坡的發(fā)生概率和時(shí)間預(yù)測，傳遞到報(bào)警燈11和蜂鳴器12進(jìn)行分級報(bào)警。電源管理板6負(fù)責(zé)充電電池7和太陽能電池8的充放電管理，并為傳感器板3、處理器板4、無線通信板5、報(bào)警燈11和蜂鳴器12供電。太陽能電池8負(fù)責(zé)把太陽能轉(zhuǎn)換成電能，為充電電池7和其它電路板供電。封裝外殼13為傳感器提供封裝保護(hù)。本發(fā)明利用分布式傳感器節(jié)點(diǎn)的GPS接收模塊采用差分定位方法獲得傳感器節(jié)點(diǎn)和主控節(jié)點(diǎn)的高精密位置信息，從而得到山體地表的形變參數(shù)；利用MEMS加速度傳感器結(jié)合振動觸發(fā)器獲得地下的瞬時(shí)振動異常信號，可以提供地下地質(zhì)活動的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)。 通過對這兩類信號的融合處理，不僅可以獲得山體滑坡預(yù)警信息，還可以獲得高精度的滑坡預(yù)兆時(shí)間預(yù)測。本發(fā)明通過監(jiān)測地表形變參數(shù)和地下振動信號，還可應(yīng)用于地表塌陷、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測與預(yù)警。
權(quán)利要求
1.一種山體滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)包括一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)；傳感器節(jié)點(diǎn)分布式部署，可監(jiān)測不同位置的山體形變和地下振動信息；主控節(jié)點(diǎn)接收每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集和傳送的不同位置的山體形變和地下振動信息，并進(jìn)行融合處理，得到山體狀態(tài)和滑坡預(yù)警信息。
2.如權(quán)利要求1所述的山體滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于裝有無線傳輸模塊，可把傳感器節(jié)點(diǎn)采集的山體表面形變參數(shù)和地下瞬時(shí)振動信號通過無線方式傳送到主控節(jié)點(diǎn)，并把主控節(jié)點(diǎn)的GPS差分?jǐn)?shù)據(jù)傳送到傳感器節(jié)點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的山體滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于采用太陽能電池和充電電池供電，可以全天時(shí)、長期無人值守工作。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于裝有GPS模塊，可以采集山體表面形變參數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于裝有振動觸發(fā)器，當(dāng)振動觸發(fā)器檢測到異常的地下振動時(shí)，觸發(fā)MEMS加速度計(jì)采集地下振動信號。
6.如權(quán)利要求1所述的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于裝有MEMS加速度計(jì)，可實(shí)時(shí)采集地下振動信號。
7.如權(quán)利要求1所述的傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于底部裝有探針和基座，MEMS加速度計(jì)和振動觸發(fā)器安置在基座上。
8.如權(quán)利要求1所述的主控節(jié)點(diǎn)，其特征在于裝有ARM處理器，負(fù)責(zé)對不同傳感器節(jié)點(diǎn)采集和傳送的信號進(jìn)行融合處理。
9.如權(quán)利要求1所述的主控節(jié)點(diǎn)，其特征在于裝有GPS模塊，可確定主控節(jié)點(diǎn)位置， 并向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送差分信號。
10.如權(quán)利要求1所述的主控節(jié)點(diǎn)，其特征在于裝有報(bào)警器，可根據(jù)山體狀態(tài)和滑坡預(yù)警信息發(fā)出不同級別的報(bào)警信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種山體滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)包括一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)由GPS模塊、振動觸發(fā)模塊、MEMS加速度計(jì)、存儲器、ARM處理器、無線傳輸模塊和電源模塊構(gòu)成。主控節(jié)點(diǎn)由GPS模塊、無線傳輸模塊、存儲器、ARM處理器和報(bào)警器組成。傳感器節(jié)點(diǎn)通過GPS模塊采集山體形變參數(shù)，通過MEMS加速度計(jì)采集瞬時(shí)地下振動異常信號，并將這些數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)。主控節(jié)點(diǎn)通過無線傳輸模塊接收傳感器節(jié)點(diǎn)的山體形變參數(shù)和地下瞬時(shí)振動異常數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行綜合分析，將滑坡預(yù)警信息發(fā)送給報(bào)警器。本發(fā)明可用于山體狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并及時(shí)檢測山體滑坡的發(fā)生前兆，系統(tǒng)部署靈活、使用方便。
文檔編號G01V1/00GK102163363SQ20111008645
公開日2011年8月24日 申請日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者吳祖亮, 孫茜, 許東 申請人:北京航空航天大學(xué)