CN101452642B - 用于山体滑坡监测的联组式红外位移传感器网络节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于山体滑坡监测的联组式红外位移传感器网络节点，涉及一种实时监测山体滑坡的边坡位移传感器。本发明按三角形组合的结构是由一个主节点(10)和第1、2从节点(20、30)组成，分别置于封锁监测三角形的顶点处；按四角形组合的结构是由一个主节点(10)和第1、2、3从节点(20、30、40)组成，分别置于封锁监测四角形的顶点处。本发明能可靠监测边坡横向、纵向、高差三维位移及崩塌信息。当滑体湮埋传感节点时，被湮埋的传感节点数丢失信息亦会被准确统计，从而达到较客观地辨识和评估滑坡及崩塌的位置、状态及等级的目的。本发明具有价格低廉、灵敏度高、射频控制灵活、微功耗诸优点，满足传感节点的特征要求。

Description

用于山体滑坡监测的联组式红外位移传感器网络节点

技术领域.

本发明涉及一种实时监测山体滑坡的边坡位移传感器，尤其涉及一种用于山体滑坡监测的联组式红外位移传感器网络节点。

背景技术

滑坡是指斜坡上的岩土体由于各种原因在重力作用下沿一定的软弱面(或软弱带)整体地向下滑动的现象，而崩塌是指脱离母岩的岩块或岩土混合体坠落或顺坡滚落的过程。滑坡及崩塌的暴发不仅给人民生命财产造成损失，尤其是山区铁路经常受滑坡及崩塌灾害的威胁。建国以来，每年近乎都有危及行车安全的灾害发生，特别是新世纪以来我国火车连续提速，对山体滑坡及崩塌的监测及报警技术提出了更高的要求。

现有的山体滑坡及崩塌直接测试手段主要有常规监测位移传感器和GPS全球卫星定位系统；常规监测位移传感器是通过安装在活动坡面的牵引钢丝，采用各种直接或间接的位移传感器，如角度传感器、伸缩位移传感器感测活动坡面相对于稳定坡面的位移量，该类传感器均存在安装施工不便的问题，而采用普通GPS技术监测滑坡及崩塌，测量精度不容乐观，若采用静态差分GPS技术，其设备价格较高。

尤其要指出的是：由于滑坡的突发性、随机性以及滑坡演变过程的复杂性，监测区域内布置少量的常规监测位移传感器，其抽样分布难以可靠表征滑坡的实际状态及等级；反之，布置大量的常规监测位移传感器，由于存在被滑坡、崩塌淹没、砸烂的风险，上述的位移传感器和GPS全球卫星定位装置，无论是价格、通信还是能耗皆成为瓶颈问题，难以付诸工程实施。解决“被砸烂”问题的途径；一则是研制不易砸烂的传感器，二则是研制价廉而不怕砸烂的传感器，后者正是无线传感节点的特征要求所在。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种用于山体滑坡监测的联组式红外位移传感器网络节点(简称红外位移传感器节点)。

本发明的目的是这样实现的：

利用无线传感网络技术，在监测区域设置一定数量的按三角形或按四角形组合的红外位移传感器节点，用于实时监测该区域滑坡、崩塌的状态信息，能够较客观地捕捉、采集和评估滑坡、崩塌的位置、状态、演变过程及等级。

1、按三角形组合的结构

如图1，按三角形组合的结构是由一个主节点(10)和第1、2从节点(20、30)组成，分别置于封锁监测三角形的顶点处；主节点(10)和第1、2从节点(20、30)均包含一个红外发射功能块和一个红外接收功能块。

如图3，主节点(10)包括主微处理器(13)及分别与主微处理器(13)连接的主红外接收电路(12)、主无线通信模块(14)、主能量监测电路(15)、主RS485接口电路(16)，以及主红外发射电路(11)；

第1从节点(20)包括第1微处理器(23)及分别与第1微处理器(23)连接的第1红外接收电路(22)、第1能量监测电路(24)、第1 RS485接口电路(25)，以及第1红外发射电路(21)。

第2从节点(30)包括第2微处理器(33)及分别与第2微处理器(33)连接的第2红外接收电路(32)、第2能量监测电路(34)、第2 RS485接口电路(35)，以及第2红外发射电路(31)；

主节点(10)和第1、2从节点(20、30)之间的连接关系是：

主节点(10)主红外发射电路(11)与第1从节点(20)的第1红外接收电路(22)形成红外光束连接关系；第1从节点(20)的第1红外发射电路(21)与第2从节点(30)的第2红外接收电路(32)形成红外光束连接关系；第2从节点(30)的第2红外发射电路(31)与主节点(10)的主红外接收电路(12)形成红外光束连接关系。

其工作原理是：

在斜坡表面位移测量时，主、从节点布置在监测坡面的混凝土基座上，当滚石遮断红外封锁光束时，LM567解码器8脚输出高电平，经反相后接入MSP430F149微处理器的P1.1口，并由主、第1、第2微处理器(13、23、33)进行遮断信息统计处理。第1、第2从节点(20、30)将遮断信息和电池能量信息通过主、第1、第2RS485接口电路(16、25、35)发送给主节点(10)，主节点(10)的无线通信模块(14)负责将整体信息发送出去。

当滑坡体湮埋红外位移传感器节点时，被湮埋的红外位移传感器节点数丢失信息亦会被准确统计。从而达到较客观地辨识和评估滑坡及崩塌的位置、状态及等级的目的。

2、按三角形组合的衍生结构

如图2所示，按三角形组合的衍生结构是由一个主节点(10)和第1、2从节点(20、30)组成，分别置于封锁监测三角形的顶点处。但是，主节点(10)包含一个红外发射功能块和一个红外接收功能块，而第1从节点(20)包括两个红外接收功能块，且第2从节点(30)包括两个红外发射功能块。

第1从节点(20)的两个红外接收功能块的输出分别接到主微处理器(13)的TA0，TA1口上，其优点是：不仅节省了一个微处理器，且只有主节点(10)与第1从节点(20)需要使用485电路连接，节省了485电缆数量；当滑坡发生时，即使第2从节点(30)湮埋，由于红外发射功能块成本低廉，故损失甚微，另外该衍生结构也可方便地监测边坡危岩滚石的位移状态。由于长距红外光束光斑的变化，衍生结构的位移监测灵敏度稍逊于基本三角形结构，但仍可满足边坡位移监测要求。

3、按四角形组合的结构

根据滑坡具体区域的地形地貌状态，特别是易并发泥石流的监测处，还可考虑按四角形组合的结构。

如图4，按四角形组合的结构是由一个主节点(10)和第1、2、3从节点(20、30、40)组成，分别置于封锁监测四角形的顶点处。

第3从节点(40)包括第3微处理器及分别与第3微处理器连接的第3红外接收电路、第3能量监测电路、第3RS485接口电路，以及第3红外发射电路。主节点(10)和第1、2、3从节点(20、30、40)之间的连接关系是：

主节点(10)的主红外发射电路(11)与第1从节点(20)的第1红外接收电路(22)形成红外光束连接关系；第1从节点(20)的第1红外发射电路(21)与第2从节点(30)的第2红外接收电路(32)形成红外光束连接关系；第2从节点(30)的第2红外发射电路(31)与第3从节点(40)的第3红外接收电路(42)形成红外光束连接关系；第3从节点(40)的第3红外发射电路(41)与主节点(10)的主红外接收电路(12)形成红外光束连接关系。

在斜坡表面位移测量时，主、从节点尽可能布置在稳定坡面的混凝土基座或泥石流沟两侧稳定地段上，其特点不仅可通过滚石及滑坡体遮断、淹埋，检测滑坡及崩塌的位置、状态及等级，还可通过测定滚石或泥石流起始段或终止段遮断两道横向红外封锁线的时间差，计算出滚石或泥石流龙头速度。要指出的是：滑坡周界的现场确认在很多情况下是比较困难的，为了方便对传感节点完全淹埋与红外光束(静)遮挡两种状态的辨识，本发明没有简单布置两组传感节点产生两条横向平行封锁红外光束，而是设计为按四角形组合的结构，利用两条纵向封锁红外光束，不仅可监测斜坡横向、高差位移，而且大大提高对传感节点完全淹埋与红外光束(静)遮挡两种状态的辨识率。

本发明具有下列优点和积极效果；

1、结构简单，工作可靠，施工方便，价格低廉；

2、采用微功耗处理器及通信芯片(包括工作态与休眠态交替工作方式)，从而延长电池工作时间；

3、实时性好，灵敏度高，射频控制灵活，满足无线传感节点的特征要求。

总之，本发明能可靠监测边坡横向、纵向、高差三维位移及崩塌信息，当滑体湮埋传感节点时，被湮埋的传感节点数丢失信息亦会被准确统计。从而达到较客观地辨识和评估滑坡及崩塌的位置、状态及等级的目的。本发明具有价格低廉，灵敏度高、射频控制灵活、微功耗诸优点，满足传感节点的特征要求。

附图说明

图1是本发明按三角形组合的结构布置示意图；

图2是本发明按三角形组合的衍生结构布置示意图；

图3是本发明按三角形组合的结构方框图；

图4是本发明按四角形组合的结构布置示意图；

图5是主节点电路原理图；

图6是从节点电路原理图。

其中：

10-主节点；

11-主红外发射电路；

12-主红外接收电路；

13-主微处理器；

14-主无线通信模块；

15-主电池能量监测模块；

16-主RS485接口电路。

20-第1从节点；

21-第1红外发射电路；

22-第1红外接收电路；

23-第1微处理器；

24-第1电池能量监测模块；

25-第1RS485接口电路。

30-第2从节点；

40-第3从节点。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进一步说明：

1、主节点电路，如图5。

1)主红外发射电路(11)

主红外发射电路(11)主要包括基于555芯片的多谐振荡器(11A)，第1晶体管T1(11C)和第2晶体管T2(11D)构成的开关电路及TLN911红外发射模块(11B)；555芯片的多谐振荡器(11A)的输出3脚通过电阻R23与第1晶体管T1(11C)的基极相连，第1晶体管T1(11C)的发射极与第2晶体管T2(11D)的基极相连，TLN911红外发射模块(11B)接入电源正极和第2晶体管T2(11D)集电极之间。

2)主红外接收电路(12)

主红外接收电路(12)包括TLP911红外接收模块(12A)，晶体管T3构成的前置放大器(12B)，OP07反相放大器(12C)及LM567解码器(12D)和反相器(12E)；

TLP911红外接收模块(12A)的输出端经电容C14后与第3晶体管T3(12B)的基极相连，第3晶体管T3(12B)的集电极经电容C15、电阻R34与OP07反相放大器(12C)的反相端相连，OP07反相放大器(12C)的输出端经电容C16后与LM567解码器(12D)的输入端相连，LM567解码器(12D)的输出端经反相器(12E)与MSP430F149微处理器(13)的P1.1中断口相连。准直校调过的组间红外发射及接收电路模块组成三角形红外封锁光束。

3)主微处理器(13)

主微处理器(13)选择Flash型16位超低功耗单片机MSP430F149，它有1个活动模式和5个可软件设置的低功耗模式，能满足节点休眠的要求，中断事件可把系统从任何低功耗模式唤醒，从而达到延长电池工作时间的目的。

主微处理器(13)其串行数据发送端P3.4引脚与RS485的DI引脚相连，其串行数据接收端P3.5引脚与RS485的RO引脚相连，其P1.7引脚反相后与RS485的RE、DE引脚相连，承担485串口多机通信(主机)任务。

主微处理器(13)的RST/NMI引脚经光耦后与MAX8012脚相连，承担电池电压监测任务。

4)主无线通信模块(14)

主无线通信模块(14)采用Chipcon公司的支持IEEE802.15.4/ZigBee协议CC2420芯片，载波频率为2.4GHz，数据传输速率最高达到250kbps，通信距离60-150m。主微处理器(13)的P5.0至P5.3引脚分别与CC2420芯片的31、33、34、32引脚相连，主微处理器(13)的P4.0至P4.1引脚分别与CC2420芯片的27、28引脚相连，主微处理器(13)的P2.3、P2.4引脚分别与CC2420芯片的30、29引脚相连，承担红外位移传感器节点对外无线通信任务。

红外位移传感器节点两个从节点的结构和连接方式与主节点相同，其区别是没有设置无线通信模块CC2420芯片，另外两从节点的RS485电路分别作为从机承担串口多机通信任务。

在山体滑坡及崩塌监测区域布控时，准直校调过的红外发射及接收电路模块组成三角形红外封锁光束，即红外发射电路555多谐振荡器(11A)产生的38KHz方波经TLN911红外发射模块(11B)产生红外光束。

当无滚石遮断时，TLP911红外接收模块(12)接收到红外光束并转换为电压信号，其转换的电压信号经两级放大电路送入LM567解码器(12D)，由于38KHz电压信号频率与中心频率匹配，LM567解码器(12D)8脚输出低电平，经反相器(12E)后输入MSP430F149微处理器(13)的P1.1口，反之当滚石遮断红外封锁光束时，LM567解码器(12D)8脚输出高电平，MSP430F149微处理器(13)的P1.1口转换为低电平，并由微处理器(13)进行遮断信息统计处理。当滑坡体淹埋无线传感节点时，被淹埋的无线传感节点数信息亦会准确辨识统计。

通过对区域内多个红外位移传感器节点被滚石遮断及滑坡体淹埋的检测，可较客观地辨识和评估滑坡及崩塌的位置、状态及等级。

5)主电池能量监测电路(15)

主电池能量监测电路(15)采用了MAX801电压监测芯片及光耦TL817芯片，MAX801电压监测芯片的输入端与电池组输出电压端相连，MAX801电压监测芯片输出端经光耦TL817芯片后与超低功耗的主微处理器(13)非屏蔽中断输入端相连。

2、从节点电路

如图6，从节点电路与主节点电路结构大致相同，只是减少了无线通信模块。

Claims (6)

1.一种用于山体滑坡监测的联组式红外位移传感器网络节点，其特征在于：

1)按三角形组合的结构是由一个主节点(10)和第1、2从节点(20、30)组成，分别置于封锁监测三角形的顶点处；主节点(10)和第1、2从节点(20、30)均包含一个红外发射功能块和一个红外接收功能块；

主节点(10)包括主微处理器(13)及分别与主微处理器(13)连接的主红外接收电路(12)、主无线通信模块(14)、主能量监测电路(15)、主RS485接口电路(16)，以及与第1从节点(20)的第1红外接收电路(22)形成红外光束连接关系的主红外发射电路(11)；

第1从节点(20)包括第1微处理器(23)及分别与第1微处理器(23)连接的第1红外接收电路(22)、第1能量监测电路(24)、第1RS485接口电路(25)，以及第1红外发射电路(21)；

第2从节点(30)包括第2微处理器(33)及分别与第2微处理器(33)连接的第2红外接收电路(32)、第2能量监测电路(34)、第2RS485接口电路(35)，以及第2红外发射电路(31)；

主节点(10)的主红外发射电路(11)与第1从节点(20)的第1红外接收电路(22)形成红外光束连接关系；第1从节点(20)的第1红外发射电路(21)与第2从节点(30)的第2红外接收电路(32)形成红外光束连接关系；第2从节点(30)的第2红外发射电路(31)与主节点(10)的主红外接收电路(12)形成红外光束连接关系；

2)按四角形组合的结构是由一个主节点(10)和第1、2、3从节点(20、30、40)组成，分别置于封锁监测四角形的顶点处；

第3从节点(40)包括第3微处理器及分别与第3微处理器连接的第3红外接收电路、第3能量监测电路、第3RS485接口电路，以及第3红外发射电路；

主节点(10)主红外发射电路(11)与第1从节点(20)的第2红外接收电路(22)形成红外光束连接关系；第1从节点(20)的第1红外发射电路(21)与第2从节点(30)的第2红外接收电路(32)形成红外光束连接关系；第2从节点(30)的第2红外发射电路(31)与第3从节点(40)的第3红外接收电路形成红外光束连接关系；第3从节点(40)的第3红外发射电路与主节点(10)的主红外接收电路(12)形成红外光束连接关系。

2.按权利要求1所述的一种用于山体滑坡监测的联组式红外位移传感器网络节点，其特征在于：

按三角形组合的衍生结构是由一个主节点(10)和第1、2从节点(20、30)组成，分别置于封锁监测三角形的顶点处；

主节点(10)包含一个红外发射功能块和一个红外接收功能块，而第1从节点(20)包括两个红外接收功能块，且第2从节点(30)包括两个红外发射功能块。

3.按权利要求1所述的一种用于山体滑坡监测的联组式红外位移传感器网络节点，其特征在于：

主红外发射电路(11)主要包括基于555芯片的多谐振荡器(11A)，第1晶体管T1(11C)和第2晶体管T2(11D)构成的开关电路及TLN911红外发射模块(11B)；555芯片的多谐振荡器(11A)的输出3脚通过电阻R23与第1晶体管T1(11C)的基极相连，第1晶体管T1(11C)的发射极与第2晶体管T2(11D)的基极相连，TLN911红外发射模块(11B)接入电源正极和第2晶体管T2(11D)集电极之间。

4.按权利要求1所述的一种用于山体滑坡监测的联组式红外位移传感器网络节点，其特征在于：

主红外接收电路(12)包括TLP911红外接收模块(12A)，晶体管T3构成的前置放大器(12B)，OP07反相放大器(12C)及LM567解码器(12D)和反相器(12E)；

TLP911红外接收模块(12A)的输出端经电容C14后与第3晶体管T3(12B)的基极相连，第3晶体管T3(12B)的集电极经电容C15、电阻R34与OP07反相放大器(12C)的反相端相连，OP07反相放大器(12C)的输出端经电容C16后与LM567解码器(12D)的输入端相连，LM567解码器(12D)的输出端经反相器(12E)与MSP430F149微处理器(13)的P1.1中断口相连。

5.按权利要求1所述的一种用于山体滑坡监测的联组式红外位移传感器网络节点，其特征在于：

主微处理器(13)串行数据发送端P3.4引脚与RS485的DI引脚相连，其串行数据接收端P3.5引脚与RS485的RO引脚相连，其P1.7引脚反相后与RS485的RE、DE引脚相连，承担485串口多机通信任务，其RST/NMI引脚经光耦后与MAX8012脚相连，承担电池电压监测任务。

6.按权利要求1所述的一种用于山体滑坡监测的联组式红外位移传感器网络节点，其特征在于：

主电池能量监测电路(15)采用了MAX801电压监测芯片及光耦TL817芯片，MAX801电压监测芯片的输入端与电池组输出电压端相连，MAX801电压监测芯片输出端经光耦TL817芯片后与超低功耗的主微处理器(13)非屏蔽中断输入端相连。

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