CN102169623A - 分布式地质灾害监测采集传输仪 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种分布式地质灾害监测采集传输仪，所述传输仪包括主机和无线传感器节点，其中：由布置在监测点的无线传感器节点采集被测点数据信息，再通过无线传感器节点中的无线射频模块将所采集到的信息发送到所述主机；所述主机负责将所接收到的被测点数据信息通过GPRS传输模块发送到后台服务器，由所述后台服务器对该被测点数据信息进行分析处理。通过该传输仪就能够通过在相关灾害体处布设的大量无线监测传感器节点获得实时数据，在突发性地质灾害来临时进行远程报警。

Description

分布式地质灾害监测采集传输仪

技术领域

本发明涉及监测预警领域，尤其涉及一种分布式地质灾害监测采集传输仪。

背景技术

目前，在地质灾害监测领域中，推广应用的突发性地质灾害的群测群防监测预警技术与仪器主要分为人工巡视巡查监测、专业监测和地质灾害多参数采集传输仪。其中，人工巡视巡查监测包括埋桩法、埋钉法、上漆法、贴片法等，自1998年以来，全国共成功避让地质灾害2700多起，及时转移了几百万人，起了应有的作用，但是它的弱点是监测报警技术方法比较落后，在恶劣天气和复杂气象条件下可能会错失灾害预报机会，造成很大隐患；另外巡视巡查的人员身在现场，生命本身就有很大危险，发现险情也不能及时通知灾区居民。

而在专业监测方面，由于设备种类多、功能单一、投资大、造价高，主要做示范研究工作，不适合于面积广大、经济落后的农村地区日常地质灾害监测预报和推广；地质灾害多参数采集传输仪是针对以上两种监测模式的缺点研发出来的，具有造价低廉、自动化程度高、连接的传感器类型多等特点，相当于一个小型的专业监测站，但是由于地质灾害多参数采集传输仪是以有线方式连接传感器，在连接传感器的数量和野外布设方面都受到限制，在一些地区无法应用。

发明内容

本发明实施例提供了一种分布式地质灾害监测采集传输仪，能够通过在相关灾害体处布设的大量无线监测传感器节点获得实时数据，在突发性地质灾害来临时进行远程报警。

本发明实施例提供了一种分布式地质灾害监测采集传输仪，所述传输仪包括主机和无线传感器节点，其中：

由布置在监测点的无线传感器节点采集被测点数据信息，再通过无线传感器节点中的无线射频模块将所采集到的信息发送到所述主机；

所述主机负责将所接收到的被测点数据信息通过GPRS传输模块发送到后台服务器，由所述后台服务器对该被测点数据信息进行分析处理。

所述主机包括机箱、内置的主控电路板和外置的通讯天线，其中所述的主控电路板包括：

主CPU控制单元，由负责核心程序运行的处理器、FLASH存储器、系统复位芯片和实时时钟单元相互连接组成；

输入输出IO通道，用于实现开关量型传感器的数据采集；

无线射频模块，用于接收所述无线传感器节点所采集的数据；

GPRS模块，用于将所接收到的数据发送到后台服务器；

电源电路，为上述各单元提供相应的电源；

所述输入输出IO通道与所述主CPU控制单元的IO端口中一个IO口相联；所述无线射频模块与所述GPRS模块通过通讯口与所述主CPU控制单元的通讯端口相联。

所述无线传感器节点包括防水外壳、内置的主控电路板和外置的通讯天线，其中所述主控电路板包括：

主CPU控制单元，由负责核心程序运行的单片机、系统复位芯片相互连接组成；

模数转换器，用于实现电压型传感器的数据采集；

频率采集通道，用于实现自激励型频率传感器的数据采集；

无线射频模块，用于发送所采集到的数据给所述主机；

电源电路，为上述各单元提供电源；

其中，所述频率采集通道与主CPU控制单元的定时\计数器端口相联；无线射频模块通过通讯口与所述主CPU控制单元的通讯端口相联。

所述无线传感器节点的路由算法采用ZigBee规范所支持的簇树状网络拓扑结构，通过参考节点的路由深度、可接纳的邻居节点个数、邻居节点的信号强度来选择最佳路由路径；

并采用簇树状网络拓扑结构的父子节点和网状网路由表的设计，所述主机属于协调器，所述无线传感器节点属于路由器。

所述主机用于建立一个网络、接受所述无线传感器节点加入网络、接收所述无线传感器节点发送来的数据、处理数据并通过GPRS模块将处理后的数据发送至监控中心；

所述无线传感器节点根据所述监控中心设定的时间定时被唤醒，并加入所述主机所建立的网络；同时用于采集数据、接受其它节点的入网请求，并转发所采集的数据到所述主机。

所述无线传感器节点布设在地质灾害体处，用于监测被测点的位移、雨量、地声、倾斜度、水位中的至少一种参数。

所述主机连接30个无线传感器节点，每个无线传感器节点连接2种类型传感器，且所述主机连接1路输出开关量信号的传感器；

所述主机通过对所接收到的被测点数据信息进行判断，如果超过设定的报警阈值，则通过GPRS传输模块将报警数据传输到后台服务器，并进行相应的报警操作。

所述传输仪包括30个电压型传感器、30个自激励型频率传感器和1路开关量型传感器中的一种或多种，用于根据需要选定所需监测用的传感器，监测被测点的位移、雨量、地声、倾斜度、水位等参数。

由上述所提供的技术方案可以看出，所述传输仪包括主机和无线传感器节点，其中：由布置在监测点的无线传感器节点采集被测点数据信息，再通过无线传感器节点中的无线射频模块将所采集到的信息发送到所述主机；所述主机负责将所接收到的被测点数据信息通过GPRS传输模块发送到后台服务器，由所述后台服务器对该被测点数据信息进行分析处理。通过该传输仪就能够通过在相关灾害体处布设的大量无线监测传感器节点获得实时数据，在突发性地质灾害来临时进行远程报警。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的分布式地质灾害监测采集传输仪主机部分的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的分布式地质灾害监测采集传输仪无线传感器节点部分的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的主机部分前面板的布置示意图；

图4为本发明实施例所提供的主机部分后面板的布置示意图；

图5为本发明实施例所提供的无线传感器节点部分前面板的布置示意图；

图6为本发明实施例所提供的无线传感器节点部分后面板的布置示意图；

图7为本发明实施例所提供的主机主CPU控制单元的电子原理图；

图8为本发明实施例所提供的主机电源的电子原理图；

图9为本发明实施例所提供的主机输入输出IO通道的电子原理图；

图10为本发明实施例所提供的主机无线射频模块的电子原理图；

图11为本发明实施例所提供的主机GPRS模块的电子原理图；

图12为本发明实施例所提供的无线传感器节点主CPU控制单元的电子原理图；

图13为本发明实施例所提供的无线传感器节点无线射频模块的电子原理图；

图14为本发明实施例所提供的无线传感器节点电源升压的电子原理图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种分布式地质灾害监测采集传输仪，能够通过在相关灾害体处布设的大量无线监测传感器节点获得实时数据，在突发性地质灾害来临时进行远程报警。

该分布式地质灾害监测采集传输仪包括主机和无线传感器节点，其中，由布置在监测点的无线传感器节点采集被测点数据信息，再通过无线传感器节点中的无线射频模块将所采集到的信息发送到所述主机；所述主机负责将所接收到的被测点数据信息通过GPRS传输模块发送到后台服务器，由所述后台服务器对该被测点数据信息进行分析处理。为更好的描述本发明实施方式，现结合附图对本发明的具体实施方式进行说明，如图1所示为本发明实施例所提供的分布式地质灾害监测采集传输仪主机部分的结构示意图，图1中：

主机包括机箱、内置的主控电路板和外置的通讯天线，其中所述的主控电路板包括：

主CPU控制单元，由负责核心程序运行的处理器、FLASH存储器、系统复位芯片和实时时钟单元相互连接组成；

输入输出IO通道，用于实现开关量型传感器的数据采集；

无线射频模块，用于接收所述无线传感器节点所采集的数据；

GPRS模块，用于将所接收到的数据发送到后台服务器；

电源电路，为上述各单元提供相应的电源；

在具体实施过程中，输入输出IO通道与所述主CPU控制单元的IO端口中一个IO口相联；所述无线射频模块与所述GPRS模块通过通讯口与所述主CPU控制单元的通讯端口相联。

如图2所示为本发明实施例所提供的分布式地质灾害监测采集传输仪无线传感器节点部分的结构示意图，图2中：

无线传感器节点包括防水外壳、内置的主控电路板和外置的通讯天线，其中所述主控电路板包括：

主CPU控制单元，由负责核心程序运行的单片机、系统复位芯片相互连接组成；

模数转换器，用于实现电压型传感器的数据采集；

频率采集通道，用于实现自激励型频率传感器的数据采集；

无线射频模块，用于发送所采集到的数据给所述主机；

电源电路，为上述各单元提供电源；

其中，所述频率采集通道与主CPU控制单元的定时\计数器端口相联；无线射频模块通过通讯口与所述主CPU控制单元的通讯端口相联。

在具体实现过程中，上述实施例中的主机由外部交流电源或直流电瓶提供电源，当采用外部220V交流电源时应转12V直流电源供电，亦可采用太阳能电池板供电；无线传感器节点供电采用一节3.6V1号锂电池供电；同时，该传输仪的各电子元件均应按照工业级标准选择，电路板遵循电磁兼容原则下设计，以保证系统正常工作和工作的可靠性。

上述实施例的分布式地质灾害监测无线网络采集传输仪的主机以32位的ARM处理器LPC2119、无线射频模块ZG-Link1281、GPRS模块SIM300-C组合系统核心部分，ZG-Link1281负责接收现场采集的数据，SIM300-C通过2G移动网络将数据发送到后台的服务器；无线传感器节点以8位的AVR处理器MEGAL1281、无线射频芯片86RF212组合系统核心部分，86RF212负责向主机发送现场采集的数据；每台主机可以连接30个无线传感器节点，每个无线传感器节点可以连接2种传感器，主机可以连接1路输出开关量信号的传感器，通过采集相关的信号进行判断，如果超过设定的报警阈值，可以通过2G移动网络将报警数据传输到后台的服务器软件以进行相应的报警。

该传输仪具体的工作原理为：首先在后台服务器处远程设置各项参数，可以根据现场条件在后台服务器主机中动态设置报警阈值；将分布式地质灾害监测无线网络采集传输仪的主机布设在地质灾害体附近安全之处，前端的无线传感器节点连接各种传感器，根据设计要求布设在地质灾害体各处，监测被测点的位移、雨量、地声、倾斜度、水位中的至少一种参数；现场有220V交流电则可以通过一个AC-DC模块接在电源插座上，没有交流电则通过两芯接线端子接在电瓶以提供电力，如果现场更换电瓶不方便，则可以在电瓶上连接太阳能板以便充电；仪器系统正常工作时，根据后台服务器的设定定时采集前端传感器的各种信号，通过2G移动网络传输回后台的服务器平台，如果前端传感器采集的信号变化量大于预先设定的警戒阈值，仪器系统将信号传输回后台服务器平台，服务器运行的软件根据预先设定的方案对传回的信号数据进行相应的处理。

其中，对于无线传感器节点来说，由于进行地质灾害监测的环境普遍比较险峻，如果频繁的更换传感器节点的电池不太现实，无线传感器节点的能耗考虑就被放在了首要的位置，整个系统的设计都是围绕着这个中心点展开的。

在具体实现过程中，无线传感器系统的核心路由算法参考了ZigBee规范，ZigBee规范支持三种网络拓扑结构：星状网、网状网、簇树状网。在簇树状网络拓扑结构的基础上，参考节点的路由深度、可接纳的邻居节点个数、邻居节点的信号强度等参数，选择最佳路由路径，此算法主要是通过每个节点直接操作寄存器实现的。采用了簇树状网络的父子节点和网状网的路由表设计概念，主机属于协调器，无线传感器节点属于路由器，每一个节点都有一个唯一固定的16位短地址，每个节点的路由表可以容纳30个邻居节点，整个网络的路由深度可以到8级。

在上述系统中，主机的主要作用是建立一个网络、接受无线传感器节点加入网络、接收无线传感器节点发送来的数据、处理数据并通过GPRS模块把数据发送至监控中心。由于主机要运行2个以上的并行任务，在底层使用了μC/OS-II嵌入式操作系统，开机后建立了ZigBee任务和GPRS任务，ZigBee任务初始化后就建立一个网络并进入监听和等待状态，收到无线传感器节点的入网请求后向其发送包含时钟时间的确认消息，建立连接，等待接收数据，数据接收成功后把数据转交给GPRS任务，同时把最新的时钟时间回传给发送者；GPRS任务初始化后按给定IP地址连接监控中心，连接成功后定时发送“心跳”数据包以保持数据链路，在接收到ZigBee任务转发的数据后立即将其发送到监控中心，由监控中心进行相应的处理。上述主机起到了网络协调器的作用，需要持续监控网络，所以一直处于正常工作模式。

而无线传感器节点的作用是根据监控中心设定的时间定时被唤醒、加入网络、采集数据、接受其它节点的入网请求、转发数据等。出于节能和减少网络复杂度的考虑，每一个无线传感器节点都具有睡眠和路由功能，在待入网节点上电之后会首先发送广播用于寻找附近的无线节点，如果当前有节点已经联入网络，则回复包含时钟时间、路由级数、信号强度的数据包；该待入网节点将按照回复的时间设置睡眠时间、选定路由路径并进入睡眠；如果没有回复(附近节点没有入网或已入网但处于睡眠状态)，该待入节点只保留RF接收模块处于工作；当附近入网节点醒来后进行采集和向基站节点发送数据的工作，如果成功都会发送包含时钟时间、路由级数、信号强度的数据包来询问附近是否有待入网的节点存在，处于监听状态的待入网节点收到后会从中按照设定的路由机制选择一个最优节点，并按照数据包的内容进入睡眠并按时唤醒。

下面以具体的实例来对上述实施例所提供的传输仪进行详细描述，图3为主机部分前面板的布置示意图；图4为主机部分后面板的布置示意图；图5为无线传感器节点部分前面板的布置示意图；图6为无线传感器节点部分后面板的布置示意图，具体来说：

图3中，其设置有：12V直流稳压电源两芯接线端子(+脚接电瓶电源正，-脚接电瓶电源负)、接无线射频发射接收天线的Φ5插头、接GPRS发射接收天线的Φ5插头；

图4中，其设置有：一组工作指示灯(其中电源指示灯亮表明电源正常，通讯指示灯闪烁表明无线传输信号正常，信号连接指示灯闪烁表明正在连接后台服务器)；

图5中，其设置有：Φ12的接线插头(其中3V接1号锂电池正，地接1号锂电池负和传感器电源负，5V接传感器电源正，AD和频率接传感器信号线)；

图6中，其设置有：接无线射频发射接收天线的Φ5插头。

图7为本发明实施例所提供的主机主CPU控制单元的电子原理图，主处理器U111采用了恩智浦公司的LPC2119ARM处理器，负责核心程序的运行，内核电压1.8V，IO电压3.3V；存储器U100采用型号为SST25VF040的FLASH存储器，负责保存系统的各项参数以防掉电丢失；系统复位芯片U109采用的型号为IMP811T，负责系统启动及复位正常；U110是实时时钟ISL1208，负责系统掉电时时间不丢失。U112是窜口电平转换芯片，用于打印调试信息与烧写程序；U600是光隔器件TLP521，负责雨量传感器脉冲输入；J451是外部调试接口；J100是内部串口连接接口；D100、D104是LED发光二极管，用于电源及无线通信指示。

图8为本发明实施例所提供的主机电源的电子原理图，12V电源接入经U400(DC-DC12V转5V)LM2576S-5转换出5V电压以供其它器件进一步使用；5V分三路，一路经LDO线性稳压电源器件U406 TPS76333稳压后供无线射频模块U302 ZG-Link1281使用；一路经线性稳压电源U402 AS1117-3.3和U403 AS1117-1.8转换出3.3V和1.8V电压供LPC2119处理器U111使用；一路经U504 MIC29302转换出4.2V电压供GPRS无线通讯模块SIM300(图6中的U201)使用。LM2576S-5是12V转5V的降压DC-DC模块；MIC29302是5V转4.2V的降压DC-DC模块；TPS76333是5V转3.3V的低压差线性降压模块。

图9为本发明实施例所提供的主机输入输出IO通道的电子原理图，IO通道采用了1个TLP521光隔器件，以便外接一路数字量输入。

图10为本发明实施例所提供的主机无线射频模块的电子原理图，采用了无线射频模块U302 ZG-Link1281，进行数据的发送与接收。44、43两个引脚是U302的串口连线，连接U111 LPC2119串口的19、21两个引脚；1、2引脚连接7.32MHz晶振，6脚连接U111LPC2119的38脚，用于控制芯片的工作模式。

图11为本发明实施例所提供的主机GPRS模块的电子原理图，无线传输GPRS模块选用了SIM300-C模块，是GSM/GPRS双频模块，集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，属于工业级产品。J300 SIM300-C的41、43引脚是串口连线，连接U111 LPC2119串口的33、34两个引脚，用于数据的发送与接收。

图12为本发明实施例所提供的无线传感器节点主CPU控制单元的电子原理图，主处理器采用了ATMEL公司的MEGA1281单片机，模数转换器是内置于单片机内，通过单片机的61号管脚采集电压值；频率采集通道通过单片机的31号管脚采集频率值。23、24引脚连接8MHz晶振。

图13为本发明实施例所提供的无线传感器节点无线射频模块的电子原理图，无线射频芯片采用了ATMEL公司的86RF212芯片，符合IEEE802.15.4和ZIGBEE协议规范，采用780MHz中国WPAN频段，数据传输速度为20kbit/s的BPSK调制制式，属于工业级产品。25、26引脚连接7.32MHz晶振；20、19、22、23引脚是SPI接口，与MEGA1281单片机的相应接口连接，用于命令和数据的收发。

图14为本发明实施例所提供的无线传感器节点电源升压的电子原理图，将3.3V电源的电压通过MP3410升高为5V以提供给需要5V供电的有源传感器使用。4脚是3.3V的输入，3脚是5V的输出。

值得注意的是，本发明实施例所提供的传输仪可以是30个电压型传感器、30个自激励型频率传感器和1路开关量型传感器中的一种或多种，即可同时实现全面的监测〔同时监测被测灾害体(被测点)的位移、雨量、地声、倾斜度、水位等参数的变化〕，亦可根据需要具体选定所需监测用的传感器，如雨季时节，只需检测雨量，则选用雨量传感器，等等。

综上所述，本发明实施例所提供的传输仪具有以下优点：

1、工作可靠：本分布式地质灾害监测无线网络采集传输仪的电子元件按照工业级标准选择，电路板遵循电磁兼容原则下设计，可以保证系统正常工作和工作的可靠性。

2、适用范围广：本分布式地质灾害监测无线网络采集传输仪可以连接多种适用于地质灾害监测的传感器，适合多种类型的地质灾害现场监测。

3、监测通道多：本分布式地质灾害监测无线网络采集传输仪包含有多个无线传感器节点，最多可以达到30个；每个节点可以连接2种传感器，这样一台仪器可以最多同时获得60个被测灾害体数据点的数据。

4、监测范围大：本分布式地质灾害监测无线网络采集传输仪主机与无线传感器节点之间采用无线通讯方式最大作用距离是200米；由于无线传感器节点支持路由功能，目前可以实现了3级路由深度，与主机距离最远的无线传感器节点是600米，这在野外工作时具有了更好的适应性。

5、数据采集传输实时性强：本分布式地质灾害监测无线网络采集传输仪的无线通讯采用TCP/IP协议，无线数据链路永远连接，这样服务器可以随时获得现场最新数据。

6、路由算法先进：参考了ZigBee规范的簇树状和网状网拓扑结构，依据节能优先的设计，定制了一套核心路由算法，既保证了无线网络工作的可靠性，又保证了最大程度的降低了传感器的能耗。

7、数据的完整性好：本分布式地质灾害监测无线网络采集传输仪对于数据需要高度的可靠性，因此采用了TCP/IP协议，在程序设计中添加了数据应答体系，以保证数据的完整性。

8、数据传输距离远：本分布式地质灾害监测无线网络采集传输仪选用无线GPRS模块进行数据传输与报警，在无线GPRS方式下，中国移动或中国联通的2G网络覆盖范围内均可以传输数据。

9、采集数据功耗低：无线传感器节点支持睡眠功能，在预定时刻到达时唤醒进行采集与传输，随后又进入睡眠状态，极大地降低了功耗。

10、供电多样化：本分布式地质灾害监测无线网络采集传输仪的主机选用12V电源供电，可以采用太阳能电池板或220V交流转12V直流方式供电，无线传感器节点供电采用一节3.6V1号锂电池。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种分布式地质灾害监测采集传输仪，其特征在于，所述传输仪包括主机和无线传感器节点，其中：

由布置在监测点的无线传感器节点采集被测点数据信息，再通过无线传感器节点中的无线射频模块将所采集到的信息发送到所述主机；

所述主机负责将所接收到的被测点数据信息通过GPRS传输模块发送到后台服务器，由所述后台服务器对该被测点数据信息进行分析处理。

2.如权利要求1所述的传输仪，其特征在于，所述主机包括机箱、内置的主控电路板和外置的通讯天线，其中所述的主控电路板包括：

主CPU控制单元，由负责核心程序运行的处理器、FLASH存储器、系统复位芯片和实时时钟单元相互连接组成；

输入输出IO通道，用于实现开关量型传感器的数据采集；

无线射频模块，用于接收所述无线传感器节点所采集的数据；

GPRS模块，用于将所接收到的数据发送到后台服务器；

电源电路，为上述各单元提供相应的电源；

所述输入输出IO通道与所述主CPU控制单元的IO端口中一个IO口相联；所述无线射频模块与所述GPRS模块通过通讯口与所述主CPU控制单元的通讯端口相联。

3.如权利要求1所述的传输仪，其特征在于，所述无线传感器节点包括防水外壳、内置的主控电路板和外置的通讯天线，其中所述主控电路板包括：

主CPU控制单元，由负责核心程序运行的单片机、系统复位芯片相互连接组成；

模数转换器，用于实现电压型传感器的数据采集；

频率采集通道，用于实现自激励型频率传感器的数据采集；

无线射频模块，用于发送所采集到的数据给所述主机；

电源电路，为上述各单元提供电源；

其中，所述频率采集通道与主CPU控制单元的定时\计数器端口相联；无线射频模块通过通讯口与所述主CPU控制单元的通讯端口相联。

4.如权利要求1所述的传输仪，其特征在于，所述无线传感器节点的路由算法采用ZigBee规范所支持的簇树状网络拓扑结构，通过参考节点的路由深度、可接纳的邻居节点个数、邻居节点的信号强度来选择最佳路由路径；

并采用簇树状网络拓扑结构的父子节点和网状网路由表的设计，所述主机属于协调器，所述无线传感器节点属于路由器。

5.如权利要求4所述的传输仪，其特征在于，

所述主机用于建立一个网络、接受所述无线传感器节点加入网络、接收所述无线传感器节点发送来的数据、处理数据并通过GPRS模块将处理后的数据发送至监控中心；

所述无线传感器节点根据所述监控中心设定的时间定时被唤醒，并加入所述主机所建立的网络；同时用于采集数据、接受其它节点的入网请求，并转发所采集的数据到所述主机。

6.如权利要求1所述的传输仪，其特征在于，所述无线传感器节点布设在地质灾害体处，用于监测被测点的位移、雨量、地声、倾斜度、水位中的至少一种参数。

7.如权利要求1所述的传输仪，其特征在于，所述主机连接30个无线传感器节点，每个无线传感器节点连接2种类型传感器，且所述主机连接1路输出开关量信号的传感器；

所述主机通过对所接收到的被测点数据信息进行判断，如果超过设定的报警阈值，则通过GPRS传输模块将报警数据传输到后台服务器，并进行相应的报警操作。

8.如权利要求5所述的传输仪，其特征在于，所述传输仪包括30个电压型传感器、30个自激励型频率传感器和1路开关量型传感器中的一种或多种，用于根据需要选定所需监测用的传感器，监测被测点的位移、雨量、地声、倾斜度、水位等参数。

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