CN101968921A

CN101968921A - 基于物联网技术的边坡倾斜度监测方法

Info

Publication number: CN101968921A
Application number: CN2010102515409A
Authority: CN
Inventors: 刘文峰; 韩伟; 李彦斌; 王辅宋; 朱琳; 冯保记; 杨松远
Original assignee: 刘文峰
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2011-02-09

Abstract

本发明是基于当代影响正在越来越大的物联网技术实现的边坡倾斜度检检测，为边坡提供长期的倾斜度监测，系统由现场监测设备和远程分析设备组成，现场检测设备由固定式测斜仪、Zigbee无线传输模块、GPRS无线传输模块和太阳能电池供电模块组成，由于采用了无线传输和分布式供电技术，实现了现场零布线。大大节约了投入成本，便于日后维护和检修。远程分析设备是由带有专用数据处理软件的PC机组成。整个系统中固定式测斜仪作为传感器测量到边坡的倾斜度后传送给Zigbee无线传输模块再传输到GPRS无线传输模块最后由GPRS无线传输模块发送给带有专用数据处理软件的PC机上对数据进行分析处理。这个系统充分的体现了物联网技术在安全检测中的应用。

Description

基于物联网技术的边坡倾斜度监测方法

一、所属领域

本发明涉及物联网技术应用于工程安全监测领域，利用传感器阵列对边坡进行长期的倾斜度监测。整个系统包括了传感器的组网和数据的无线采集，数据的无线传输和数据分析。

二、背景技术

从岩土力学的角度来看，边坡处治是通过某种结构人为给边坡岩土体施加一个外力作用或者通过人为改善原有边坡的环境，最终使其达到一定的力学平衡状态。但由于边坡内部岩土力学作用的复杂性，从地质勘察到处治设计均不可能完全考虑边坡内部的真实力学效应，我们的设计都是在很大程度的简化计算上进行的。为了反映边坡岩土真实力学效应、检验设计施工的可靠性和处治后的边坡的稳定状态，边坡工程防治监测具有极其重要的意义。边坡工程监测是边坡研究工作中的一项重要内容，随着科学技术的发展，各种先进的监测仪器设备、监测方法和监测手段的不断更新，使边坡监测工作的水平正在不断地提高。

目前的边坡安全检测都是利用传感器加采集处理设备的模式，这种模式存在着很多的缺点，现场需要布设大量的传输线，增加了很多劳动量和资金投入，而且还不便与日后的维护和维修。还有就是须要在现场建立数据分析处理站不便与集中管理。在目前的有线采集数据的方式中，一旦出现其中的某个传感器不能正常工作，将会影响整个系统中的其他传感器。

本专利在数据传输和供电上突破了目前的有线传输和有线供电的局限性，借助当今影响力越来越的物联网和太阳能供电这两大技术，实现了现场“零布线”的检测方案，对影响边坡安全的一个重要因素——边坡倾斜度利用自主研发的固定式测斜仪、GPRS无线传输模块等设备做了系统的监测。

三、发明内容

在基于物联网技术的边坡倾斜度监测系统中，主要是由现场监测设备和远程分析系统两部分组成。系统整体框图如图1所示是现场监测设备包括了固定式测斜仪网络阵列、Zigbee无线组网系统、GPRS远程无线数据传输模块和太阳能电池供电模块四部分组成，远程分析设备由专用PC机和配套的软件构成。

在物联网技术支持下由Zigbee无线传输模块把分散的固定式测斜仪阵列组成网络，再传输给GPRS无线传输模块，最终由GPRS模块传送到PC机上由专业软件进行分析。系统的数据流向如图2基于物联网技术的边坡倾斜度监测系统信号传输图所示，信号是由固定式测斜仪传给Zigbee无线传输模块再传给GPRS无线传输模块最终传给PC机。整个系统的现场实施如图6基于物联网技术的边坡倾斜度监测系统的实际安装图所示，固定式测斜仪固定在边坡的各个桥墩上，尤其是边坡的主塔上，通过Zigbee无线传输模块采集各个点的数据，最后连成网络，再由GPRS无线传输模块传送给PC机。

因此，本发明的技术方案为，一种基于物联网技术的边坡倾斜度监测方法，该监测系统包括固定式测斜仪网络阵列、Zigbee无线组网系统、GPRS远程无线数据传输模块和太阳能电池供电模块，远程分析设备由专用PC机和配套的软件构成，其特征在于：由Zigbee无线传输模块把分散的固定式测斜仪阵列组成网络，将监测数据传输给GPRS无线传输模块，最终由GPRS模块传送到PC机上由专业软件进行分析，其中信号传输路径为由固定式测斜仪传给Zigbee无线传输模块再传给GPRS无线传输模块最终传给PC机，固定式测斜仪固定在边坡的各个桥墩或者主塔上，通过Zigbee无线传输模块采集各个点的数据，最后连成网络，再由GPRS无线传输模块传送给PC机。

(一)现场监测设备

1)固定式测斜仪网络阵列

固定式测斜仪是用于测量边坡倾斜度的传感器，如图3所示它是由SCA100T探头及信号调理部分、有24位AD的MCU及算法实现部分和RS485传输三部分组成，其中SCA100T探头及信号调理部分的加速度传感器使用芬兰的SCA100T高精度倾角仪芯片，使精度达到0.0025弧度，即9弧秒，高于目前市场同类产品精度4倍，还应用了SCA100T高精度倾角仪芯片输出与重力加速度的近线性信号通过信号调理电路，低通滤波电路。给MCU模块提供两个稳定、标准、线性良好的正比于角度的电压信号。有24位AD的MCU及算法实现部分使用高性能的带有24位精度AD的数字模拟信号混合处理器，将信号采集电路做在传感器探头内部，避免各种不必要的误差。实现包括角度转换、温度补偿、线性补偿、数据RS485通信。RS485传输部分输出标准RS485信号。

2)Zigbee无线组网系统

在工程中固定式测斜仪是分散的安装在边坡上，每个固定式测斜仪检测得的是固定点的倾斜度，把安装在边坡上的固定式测斜仪组成网络阵列就形成了整个边坡的倾斜情况。本专利是基于物联网技术对现场的传感器即固定式测斜仪进行组网。

本专利是采用成都无线龙Zigbee无线传输模块来实现各个固定式测斜仪之间的通信。如图4所示Zigbee无线传输模块是由MCU、Zigbee收发器、RS485通信模块和电源四部分组成。Zigbee无线传输模块是一种基于IEEE802.15.4通信协议的无线传输技术的易于组网，功耗极低，高安全性，高容量，短延时和免执照频段的无线通信模块，是物联网技术中通信领域的前沿技术。在基于物联网技术的边坡倾斜度监测系统中利用Zigbee无线传输模块来实现各个固定式测斜仪之间的连接是一种高效的无线组网，他克服可目前的布线式组网的缺点，在目前的布线式组网中需要大量的通信线，成本昂贵，而且一旦中间的某个传感器节点出现故障就会使全部的传感器都不能正常工作，布线式组网还不易于维护，检修需要大量的人力物力。本专利中Zigbee无线组网系统克服了目前布线式组网的诸多缺点，使得现场监测设备真正实现了“无线”。

固定式测斜仪传感器是一种数字式传感器，固定式测斜仪输出的数字信号通过RS485接口直接连接到Zigbee无线传输模块的串口，经过简单的协议制定即可以实现数据的无线传输。

3)GPRS无线传输模块

GPRS无线传输模块是用于对数据的远程传输，即实现把数据从现场传输到远程分析设备上。如图5所示GPRS无线传输模块由五部分组成，无线MCU控制器、RS485传输模块、太阳能电池供电模块、RF模块接口和SIM模块和GPRS模块。在本系统中无线MCU控制器使用TI公司的MSP430超低功耗芯片，采用了TI公司最新的低功耗技术。工作在1.8～3.6V电压下。RS485传输模块输出标准RS485信号，便于和PC机进行通信。使用高性能的太阳能电池供电模块为整机提供3.3V的工作电压。RF模块接口采用Nordic公司推出的单片射频发射器芯片nRF905，工作电压为1.9-3.6V，工作于433/868/915MHZ3个ISM开放频带。nRF905可以自动完成处理字头和循环冗余码校验的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用高速同步串行口接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。工作的特点是自动产生前导码和循环冗余码校验，可以很容易通过高速同步串行口接口进行编程配置。在SIM模块和GPRS模块中GPRS模块利用GPRS网进行数据通信，本专利使用的是WAVECOM的WISMO模块，其接口简单、使用方便且功能非常强大。GPRS模块微控制器间是通过串行口进行通信的，通信速率最快可以达到115b/s～200b/s。模块与控制器间的通信协议是AT命令集，其中大部分命令是符合协议“AT command set for GSM MobileEquipment(对于GSM移动设备的AT指令集)”的，但也有一些是WAVECOM自己定义的AT命令。为了简化微控制器的控制，硬件设计时没有使用全部的硬件握手信号，而只使用数据载波检测和终端准备信号。DCD信号可以检测GPRS模块是处于数据传送状态还是处于AT命令传送状态。DTR信号用来通知GPRS模块传送工作已经结束。GPRS DTU(GPRS数据终端设备)采用ARM9高性能工业级嵌入式处理器，以实时操作系统为软件支撑平台，超大内存，内嵌自主知识产权的TCP/IP协议。为用户提供高速，稳定可靠，数据终端永远在线，多种协议转换的虚拟网络。

GPRS无线传输模块和Zigbee无线传输模块是通过串口进行通信。

4)太阳能电池供电模块

为了实现真正的现场无线式监控，本系统所有设备的供电均采用太阳能电池模块供电。整个系统中固定式测斜仪的输入电压为5V～10V，功率为0.15w～0.3w。Zigbee无线传输模块的供电电压极低，在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。GPRS无线传输模块待机时是几十毫瓦，通信时功耗为1w～2w。利用现有的太阳能电池供电模块能够为整个系统供电。本专利利用的是suntech的STP005B-12/DEA型号太阳能电池对每个需电设备进行分布式供电，整个检测系统实现了零布线。

(二)远程分析设备

1)PC机和专用软件

信号经过GPRS无线传输模块传输到专用PC机，其中有两个过程，一是GPRS无线传输模块和PC机的通信，二是对传入的数据进行分析处理。第一个过程是由PC机查找GPRS无线传输模块中的SIM模块的动态IP地址实现通信。第二个过程是由通过专用数据分析软件解析输入的数据最后得出边坡的安全状况。

四、附图说明

下面结合附图对专利实施和技术做进一步说明：

图1是基于物联网技术的边坡倾斜度监测系统框图。

图中1固定式测斜仪，2Zigbee节点，3物联网技术，4GPRS无线传输模块，5专用PC机

图2是基于物联网技术的边坡倾斜度监测系统信号传输图。

图3是固定式测斜仪结构图

图3中6SCA100T探头及信号调理部分，7有24位AD的MCU及算法实现部分，8RS485传输部分

图4是Zigbee无线传输模块结构图

图4中9RS485通信模块，10MCU处理器，11Zigbee收发器，12电源部分

图5是GPRS无线传输模块结构图

图5中13SIM模块和GPRS模块，14RF模块接口，15无线MCU控制器，16太阳能电池供电模块，17RS485传输模块

图6是基于物联网技术的边坡倾斜度监测系统的实际安装图

五、具体实施方式

结合附图对实际实施的方案给予说明：

如图1所示为整个基于物联网技术的边坡倾斜度监测系统框图，在物联网技术支持下由Zigbee无线传输模块把分散的固定式测斜仪阵列组成网络，再传输给GPRS无线传输模块，最终由GPRS模块传送到PC机上由专业软件进行分析。系统的数据流向如图2基于物联网技术的边坡倾斜度监测系统信号传输图所示，信号是由固定式测斜仪传给Zigbee无线传输模块再传给GPRS无线传输模块最终传给PC机。整个系统的现场实施如图6基于物联网技术的边坡倾斜度监测系统的实际安装图所示，固定式测斜仪固定在边坡的各个桥墩上，尤其是边坡的主塔上，通过Zigbee无线传输模块采集各个点的数据，最后连成网络，再由GPRS无线传输模块传送给PC机。

Claims

1.一种基于物联网技术的边坡倾斜度监测方法，该监测系统的现场监测设备包括固定式测斜仪网络阵列、Zigbee无线组网系统、GPRS远程无线数据传输模块和太阳能电池供电模块，远程分析设备由专用PC机和配套的软件构成，其特征在于：由Zigbee无线传输模块把分散的固定式测斜仪阵列组成网络，将监测数据传输给GPRS无线传输模块，最终由GPRS模块传送到PC机上由专业软件进行分析，其中信号传输路径为由固定式测斜仪传给Zigbee无线传输模块再传给GPRS无线传输模块最终传给PC机，固定式测斜仪固定在边坡的各个桥墩或者主塔上，通过Zigbee无线传输模块采集各个点的数据，最后连成网络，再由GPRS无线传输模块传送给PC机。