CN101706249B

CN101706249B - 一种山体裂缝远程监测装置

Info

Publication number: CN101706249B
Application number: CN200910216547A
Authority: CN
Inventors: 庹先国; 王洪辉; 杨剑波; 余小平; 李怀良; 李哲
Original assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Current assignee: Chengdu Univeristy of Technology
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2009-12-04
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-12-04
Also published as: CN101706249A

Abstract

本发明公开了一种山体裂缝远程监测装置，该装置由传感器节点和监控主机组成，利用GSM网络进行信息传输并采用工作至停机的循环工作模式进行山体裂缝监测，同时采用了数字滤波和曲线拟合算法，提高了数据采集的精度，从而使本发明能实现高精度、远距离山体裂缝监测，并使工作时间大大延长。

Description

一种山体裂缝远程监测装置

技术领域

本发明涉及山体裂缝监测技术领域，特别涉及一种高精度、远程、节能的山体裂缝监测装置。

背景技术

对山体裂缝监测是一种常用的地质灾害监测手段。对于山体裂缝的监测重点是裂缝本身的张合情况，也即裂缝的变形，其最大特点在于：一是裂缝变形缓慢，有的几个小时甚至几天才有变化；二是监测条件差，一般没有市电接入；三是现场监测比较危险；四是监控中心与灾害现场相距甚远，有线监测受限。

目前的监测方法主要包括一、人工现场定期测量，即在被监测裂缝的两侧(与裂缝开裂方向垂直)安装两个定位桩，在定位桩上各固定一个监测杆(一般用细铁钉)，定期用皮尺直接测量此监测杆之间的绝对位移值。根据监测现场的雨季分布、地质条件、人力物力等综合考虑，一般测量间隔为1～5天不等。二、GPS监测技术，即通过在被监测点上安装GPS设备，通过获取位置坐标来反映裂缝变化情况，此法一般只用于大范围定点测量，且成本高，受监测点周围覆盖物影响较大。此外，对一个被监测山体的裂缝监测，往往选取几个关键监测点，要求测量的位移信息尽可能准确，而采用一般的简易测量方法如红外测量法等无法满足实际监测的精度要求。

目前针对山体裂缝监测的几个不足之处主要集中在：一、自动化程度不高，人工现场监测不仅危险，而且费时费力。二、测量精度不够高，不能满足分析决策需求。三、数据采集节点耗能较高，一般需要配备大容量蓄电池或采用价格较高的太阳能供电方案。因此，一种高精度、低功耗、无人值守的自动监测装置急需研制出来。

发明内容

本发明公开了一种山体裂缝远程监测装置，该装置可实现远距离监控山体裂缝，并由于其低功耗而能保持长效性。

为了达到上述效果，本发明采用如下技术方案：一种山体裂缝远程监测装置，该装置由传感器节点和监控主机组成；

传感器节点由传感器、信号调理电路、单片机控制电路、远程数据收发电路一、电源模块、启动定时器组成，传感器、信号调理电路、单片机控制电路、远程数据收发电路一依次连接，电源模块分别与传感器、信号调理电路、单片机控制电路、远程数据收发电路一连接，启动定时器与单片机控制电路连接；

传感器为电阻型拉杆式位移传感器，一端固定一端可拉动伸缩，分别固定在被监测的山体裂缝的两侧，实现山体裂缝信号非电量到电量的转换；

信号调理电路将传感器输出的电信号进行滤波、幅度衰减、阻抗变换；

单片机控制电路用于实现山体裂缝信号的获取、发送指令控制远程数据收发电路一的启动和关闭、发送指令使传感器节点进入停机时段、发送指令给电源模块，并对信号调理电路的输出信号进行模数转换；

监控主机由远程数据收发电路二、电平转换电路、PC串口、监控主机电源系统组成，并由PC上位机软件系统进行控制，远程数据收发电路二、电平转换电路、PC串口依次连接，监控主机电源系统分别与远程数据收发电路二、电平转换电路、PC串口连接；

电平转换电路通过芯片SP3238将远程数据收发电路二输出的CMOS电平信号转换成PC串口所需的RS232电平信号，此信号通过PC串口输入到PC上位机软件系统；

监控主机与传感器节点通过远程数据收发电路二实现信息传输，接收来自传感器节点的信息，实现对山体裂缝的监测。

其中，所述传感器节点为工作至停机的循环工作模式；单片机控制电路采用高速SOC单片机C8051F350；启动定时器用于控制传感器节点进入工作时段；远程数据收发电路一和远程数据收发电路二的GSM芯片均采用GC864-DUAL。

另外，电源模块由电池、电池电压检测电路、开关控制电路以及DC-DC电路组成，该开关控制电路由第一晶体管8550、第二晶体管8050与P沟道VMOS管IRLML6302组成，并由单片机的输出口产生的高低电平控制。

本发明的有益效果是：硬件上采用了信号调理电路对传感器输出信号进行预处理，软件上采用了数字滤波和曲线拟合算法，提高了数据采集的精度；通过GSM网络进行信息传输，可以远距离监测；采用工作至停机的循环工作机制大大减少了能耗，保持了其长效性。

附图说明

图1为本发明系统结构框图；

图2为传感器节点结构框图；

图3为传感器节点工作模式示意图；

图4为监控主机结构框图；

图5为信号调理电路电路原理图；

图6为启动定时器电路原理图；

图7为远程数据收发电路一电路原理图；

图8为电池电压检测电路电路原理图；

图9为开关控制电路电路原理图；

图10为DC-DC电路电路原理图；

图11为远程数据收发电路二电路原理图；

图12为监控主机电源系统电路原理图；

图13为电平转换电路电路原理图；

图14为本发明中传感器节点软件流程图。

具体实施方式

为了使本发明更容易被理解，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

参阅图1，一种山体裂缝远程监测装置，该装置由传感器节点和监控主机两部分组成，并通过GSM网络进行远程数据传输，从而实现远距离监测。

参阅图2，传感器节点由传感器3、信号调理电路4、单片机控制电路1、远程数据收发电路一6、电源模块2、启动定时器5组成，传感器3、信号调理电路4、单片机控制电路1、远程数据收发电路一6依次连接，电源模块2分别与传感器3、信号调理电路4、单片机控制电路1、远程数据收发电路一6连接，启动定时器5与单片机控制电路1连接。

参阅图3，为了降低传感器节点的平均工作电流，延长工作时间，传感器节点采用了间歇式工作方式，即在需要某模块工作时才开启电源为其供电，否则关闭电源，以节省电能，即实行工作至停机循环控制。t1时间段为采集节点工作时段，t2为停机时段，t1与t2之和记为一个工作周期T。传感器节点在人工开机后，开始执行工作时段程序，在t1内完成山体裂缝信号的数据采集与发送，随后立即进入停机时段。而现代电子技术完全可以保证t1较小，一般在1分钟以内；而根据裂缝变形的特点，t2取值在几个小时左右，显然有t1＜＜t2，而传感器节点在停机时段的工作电流在μA级，这样就使传感器节点具有极低的平均电流，延长了传感器节点的工作时间。

另外，传感器节点中的传感器3是电阻型拉杆式位移传感器，其一端固定，另一端可拉动伸缩，量程为0～700mm，满量程等效电阻为10kΩ，线性度为±0.05％，由电源模块2供电并固定于被监测的山体裂缝两侧，当山体裂缝变形时，传感器3输出与伸缩距离成正比的直流电压信号，从而实现山体裂缝信号从非电量到电量的转换。

参阅图5，信号调理电路4用于将传感器3输出的直流电压信号进行适当的滤波、幅度控制以及阻抗变换，以提高数据采集精度。按全量程计算，传感器3输出电压范围为0～3.3V。首先，采用LM358组成电压跟随器对传感器3输出信号进行缓冲，并用R12、R13组成的电阻网络对输出信号的幅度进行1/2衰减，然后再用LM358组成同相电路进行信号跟随，与后端ADC输入端进行阻抗匹配变换；采用R19、C19组成的RC低通滤波器进行高频噪声抑制；ADC采用了单端输入方式，信号正端接单片机C8051F350的AIN0.0，负端接模拟地AGND。

单片机控制电路1作为传感器节点的核心，实现山体裂缝信号的获取、发送指令控制远程数据收发电路一6的启动和关闭、发送指令使传感器节点进入停机时段、发送指令给电源模块2的开关控制电路，以管理各模块电源的启动和关闭。单片机控制电路1选用的是高速SOC单片机C8051F350，内部自带24位ADC，对山体裂缝信号进行模数转换，优点是大大节省印制电路板的面积，使传感器节点小型化。在单片机程序设计上，数据采集部分采用了多次测量取平均值的方式对ADC输出的数字信号进行平滑滤波，并且针对不同规格的传感器3，采用了二次曲线拟合算法对传感器3的线性度进行了优化，以提高裂缝数据的采集精度。

另外C8051F350提供了低功耗电源管理机制，其在停机时段的工作电流小于0.1μA，从而降低了传感器节点的功耗，延长工作时间。

参阅图3、图6，启动定时器5用于控制传感器节点进入工作时段，当工作周期T时间段到来时，产生一个复位信号使单片机控制电路1复位，进入工作时段。由于C8051F350采用低电平复位，低电平持续时间要求至少15μs，因此由CD4060构成的分频电路，对外部石英晶体振荡器Y1产生的频率为32768Hz的方波信号进行分频，分频输出的信号经过R24、C26组成的RC积分电路后以负向尖峰脉冲信号输出，此尖峰脉冲信号经过CD4001组成的整形电路后以标准低电平脉冲信号MCU-RESET输出，MCU-RESET连接到C8051F350的复位引脚上。MCU-RESET信号的脉冲宽度由R24、C26决定，具体关系式为脉冲宽度大约为0.7*R24*C26(采用国际标准单位)；为了降低传感器节点的功耗，选用了低功耗的CMOS芯片CD4060、CD4001，采用5V供电时，单个芯片最大静态电流分别为5μA、0.25μA。另外，启动定时器5具有上电复位功能；工作周期T可以通过J2进行人工选择，可选数值为2.215分钟、4.25分钟、8.5分钟、34分钟、68分钟和136分钟。

参阅图7，远程数据收发电路一6由GSM模块、手机卡SIM-UIM以及GSM启动关闭控制电路组成，为了减小体积，选用了目前市场上体积小、集成度高的GC864-DUAL模块，选用了中国移动通信集团公司推出的动感地带手机卡。图中数据接口TXD、RXD为CMOS电平，直接与单片机C8051F350的UART相连；由晶体管Q5、Q6组成GC864-DUAL的启动关闭控制电路，当单片机C8051F350的输出口P1.4为低电平且持续时间在1～2秒之间时，GC864-DUAL模块将启动，当P1.4为低电平且持续时间在2秒以上时GC864-DUAL模块将关闭。

电源模块2由电池、电池电压检测电路、开关控制电路以及DC-DC电路组成。其中，GC864-DUAL需要+3.8V供电，传感器3需要SV-3.3V供电，C8051F350模拟电源需要AV-3.3V供电，C8051F350数字电源和启动定时器需要DV-3.3V供电。

其中，由4节镍氢电池串联连接成电池组供电，额定电压为4.8V，其中单节电池额定电压为1.2V，容量为2400mAh。

参阅图8至图10，电池电压检测电路在每次工作时段开始时对电池电压进行一次数据采集，如果检测值低于4.6V则通过远程数据收发电路一6发送报警信息至监控主机，提示监控室工作人员更换电池。图8中电池电压VBAT通过RP2、R21组成的电阻网络后幅度衰减一半，并通过R50、C30组成的RC低通滤波器滤除高频噪声，然后送入C8051F350的ADC通道AIN0.2，进行模数转换。

开关控制电路由晶体管Q3、Q4(型号为8550)、Q2(型号为8050)与P沟道VMOS管Q1(型号为IRLML6302)组成，由C8051F350的输出口产生的高低电平控制，具体方式为：在工作时段开始时，单片机控制电路1通过软件指令将C8051F350的输出口P1.1、P1.2设置为低电平，P1.3设置为高电平，打开AV-3.3V、SV-3.3V和+3.8V电源，分别给C805 1F350模拟电源、传感器3和GC864-DUAL供电，让这三部分电路开始工作，共同完成山体裂缝的数据采集与远程发送；相反的，在停机时段开始时，分别用相反的电平信号关闭各模块电源，以节省电能。

DC-DC电路中，采用LT1528CQ线性电压转换芯片产生GC864-DUAL所需的+3.8V直流电压；采用低压差稳压芯片MAX1792产生单片机控制电路1所需的+3.3V和DV-3.3V直流电压，MAX1792的静态损耗电流为80μA～250μA，极大的降低了传感器节点的功耗。

参阅图4、图11至图13，监控主机由远程数据收发电路二11、电平转换电路10、PC串口8、PC上位机软件系统7、监控主机电源系统9组成。

远程数据收发电路二11与远程数据收发电路一6的区别在于：GSM模块启动关闭电路由按键K1组成，由人工操作监控主机机箱前面板上的按钮实现对GC864-DUAL的操作，即按下K1且持续时间在1～2秒之间时，GC864-DUAL模块将启动，当按下K1且持续时间在2秒以上时GC864-DUAL模块将关闭；增加了工作状态指示灯LED1、LED2，当GC864-DUAL注册到网络时，LED2常亮、LED1每3秒闪烁一次，而当GC864-DUAL关闭时，LED1、LED2均熄灭，这两个指示灯均安装在监控主机机箱前面板上。

监控主机电源系统9中，220V市电经过AC-DC模块输出5V直流电压V1，V1经过LT1528CQ后输出+3.8V直流电压，作为远程数据收发电路二11的电源；+3.8V直流电压经过XC6203线性稳压器后输出+3V，作为电平转换电路10的电源。

电平转换电路10中，通过芯片SP3238将远程数据收发电路二11输出的CMOS电平信号转换成PC串口所需的RS232电平信号，此信号通过PC串口输入到PC上位机软件系统7。

PC上位机软件系统7包括实时显示界面与后台管理数据库两部分，实时显示界面在Windows平台下采用Visual C++工具开发，界面美观，易于操作控制；数据库采用SQL Anywhere 11工具开发。监控中心工作人员可以通过实时显示界面查看当前时刻的山体裂缝信息，也可以通过后台管理数据库查看历史山体裂缝信息。

参阅图14，监测装置工作时，先人工合上传感器节点的电源开关，传感器节点上电，单片机进行初始化。单片机的初始化包括单片机自身工作时钟、输出口方式、ADC工作模式、串口的配置；

接着打开各模块电源，执行电池电压检测程序，并根据电池电压检测程序的结果判断是否发送电池电压报警短信，特别地将报警电压设定为4.6V，目的是为了保证在低电压报警至新电池更换期间还能够进行完整的裂缝数据采集，当电池电压低于4.6V时，发送报警短信；

采集裂缝数据，执行裂缝数据采集程序，采用10次重复测量然后取平均值的方式进行数字滤波，并且每次测量结果均代入传感器3的输出二次曲线拟合公式中，从而提高数据采集的精度；

启动GSM模块，发送裂缝数据信息；关闭GSM模块，关闭各电源模块供电，执行单片机的休眠指令，从而降低传感器节点的功耗。

当再次进入工作时段时，启动定时器5输出一个复位信号给单片机，从而再次开始上述循环。

Claims

1.一种山体裂缝远程监测装置，该装置由传感器节点和监控主机组成，其特征在于：

传感器节点由传感器、信号调理电路、单片机控制电路、远程数据收发电路一、电源模块、启动定时器组成，传感器、信号调理电路、单片机控制电路、远程数据收发电路一依次连接，电源模块分别与传感器、信号调理电路、单片机控制电路、远程数据收发电路一连接，启动定时器与单片机控制电路连接，其中信号调理电路用于将传感器输出的电信号进行滤波、幅度衰减、阻抗变换，单片机控制电路采用10次重复测量然后取平均值的方式进行数字滤波，并且每次测量结果均代入传感器的输出二次曲线拟合公式中，而电源模块由电池、电池电压检测电路、开关控制电路以及DC-DC电路组成，开关控制电路则由第一晶体管8550、第二晶体管8050与P沟道VMOS管IRLML6302组成，由单片机的输出口产生的高低电平控制；

监控主机由远程数据收发电路二、电平转换电路、PC串口、监控主机电源系统组成，并由PC上位机软件系统进行控制，远程数据收发电路二、电平转换电路、PC串口依次连接，监控主机电源系统分别与远程数据收发电路二、电平转换电路、PC串口连接。

2.根据权利要求1所述一种山体裂缝远程监测装置，其特征在于：所述单片机控制电路用于实现山体裂缝信号的获取、发送指令控制远程数据收发电路一的启动和关闭、发送指令使传感器节点进入停机时段、发送指令给电源模块，并对信号调理电路的输出信号进行模数转换。

3.根据权利要求1所述一种山体裂缝远程监测装置，其特征在于：所述电平转换电路通过芯片SP3238将远程数据收发电路二输出的CMOS电平信号转换成PC串口所需的RS232电平信号，此信号通过PC串口输入到PC上位机软件系统。

4.根据权利要求1所述一种山体裂缝远程监测装置，其特征在于：所述监控主机与传感器节点通过GSM网络通信。

5.根据权利要求4所述一种山体裂缝远程监测装置，其特征在于：所述传感器节点为工作至停机的循环工作模式。

6.根据权利要求1所述一种山体裂缝远程监测装置，其特征在于：所述单片机控制电路采用高速SOC单片机C8051F350。

7.根据权利要求1所述一种山体裂缝远程监测装置，其特征在于：所述启动定时器用于控制传感器节点进入工作时段。

8.根据权利要求1所述一种山体裂缝远程监测装置，其特征在于：所述远程数据收发电路一和远程数据收发电路二的GSM芯片均采用GC864-DUAL。