CN103646514B - 基于无线自组网群检测泥石流预警传感装置、系统及方法 - Google Patents

基于无线自组网群检测泥石流预警传感装置、系统及方法 Download PDF

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CN103646514B
CN103646514B CN201310685102.7A CN201310685102A CN103646514B CN 103646514 B CN103646514 B CN 103646514B CN 201310685102 A CN201310685102 A CN 201310685102A CN 103646514 B CN103646514 B CN 103646514B
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冯凯
吕云华
覃昱昱
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湖南华中灾害预警研究开发有限公司
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Abstract

本发明公开了一种基于无线自组网群检测泥石流预警传感装置、系统及方法,所述的系统包括RTU(远程终端)和多个泥石流监测预警传感装置,每一个泥石流监测预警传感装置作为一个MESH网络节点,RTU中集成有用于数据收集的集中器,RTU通过集中器与所有的泥石流监测预警传感装置无线通信连接。该基于无线自组网群检测泥石流预警传感装置、系统及方法基于多传感器协同实现泥石流监测预警,具有显著的社会效益。

Description

基于无线自组网群检测泥石流预警传感装置、系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于无线自组网群检测泥石流预警传感装置、系统及方法。
背景技术
[0002] 泥石流是发生在山地地区的一种地质灾害,它是含有大量沙石块的特殊山洪,具有突发、凶猛和破坏力强等特点。我国地貌类型复杂多样,且以山地为主,约占全国陆地面积三分之二。由于山区地质地貌错综复杂且处于东亚季风区,暴雨频发,加之人类行为,导致泥石流灾害频发,严重的影响生态环境及民生。
[0003] 泥石流的基础研究和泥石流去的动态监测必须进行野外现场科学试验观测。传统的泥石流监测预警方法是在野外建立简易监测点,采用简易的观测方法,即主要利用人观测雨量和发生泥石流后预警,检测仪器科技含量不高,方法单一,遇到雷雨天气通讯难以畅通,特别夜间,监测预警工作很难实施。目前国内外基本采用长期监测预报、中期监测预报、短期监测预报和临监测预报。长期监测是数月到数年的趋势预测,一般不大引起人们的注意。中短期预报是气象部门对天气预报信息,属于险情监测预报和防灾预报。临监测预报即零小时到数小时内的预报,是依据每小时的雨量图、雨势情报、监测仪器制定依据。对城镇、工矿和交通运输部门的泥石流临灾避难与救助有重要意义。然而,现有的各种泥石流监测预警方法和设备都存在科技含量不高、监测精度差、成果不及时和可靠度不够的缺点。因此亟待一种改进的泥石流监测预报预警系统及方法以克服上述缺陷。
[0004]目前根据国家规范,临灾泥石流的监测多靠雨量和泥石流历史事件来评估。在《崩塌、滑坡、泥石流监测规范》DZ/T0221-2006标准中,很大程度上是依据雨量强度R值来预警泥石流的发生。
[0005] R = K (H24/H24 (D)+H1ZH1 (D)+H1/6/H1/6 (D))
[0006] K:前期降雨修正系数,无前期降雨时K = I ;有前期降雨时:K〉1 ;但目前尚无可信成果可供应用;现阶段可暂时假定K = 1.1〜1.2 ;
[0007] Η24:24小时最大降雨量(mm);
[0008] H24w:该地区有可能发生泥石流的24小时临界雨量值(mm);
[0009] H1:1小时最大降雨量
[0010] Hlttl):该地区有可能发生泥石流的I小时临界雨量值(mm);
[0011] H1/6:10分钟最大降雨量
[0012] Hv6tt0:该地区有可能发生泥石流的10分钟临界雨量值(mm);
[0013] R〈3.1,安全雨情;R彡3.1可能发生泥石流的雨情,R = 3.1〜3.2,发生机率小于0.2,发生报(发生泥石流的警报);R = 4.2〜10,发生机率0.2〜0.8,警戒报(可能成灾的警报);R〉10,发生机率〉0.8,灾情报(可能引起下游或邻近地区次生灾害的警报)。
[0014] 这种单纯的监测泥石流动力源(通常指降雨)的手段严重的依赖于历史发生过灾难的统计数据。而历史发生过泥石流的地方,地貌已经产生了改变,地质结构的稳定应受到重新的评估,即使在相同的雨强也未必会引发泥石流。因此有必要在监测雨量的同时监测泥石流形成区域提供固体物质补给的山坡或者堆积物的稳定性,以及在泥石流流经区域提供必要的固体物质流动监测。
[0015] 综上所述,有必要设计一种基于无线自组网群检测泥石流预警传感装置、系统及方法。
发明内容
[0016] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于无线自组网群检测泥石流预警传感装置、系统及方法,该基于无线自组网群检测泥石流预警传感装置、系统及方法基于多传感器协同实现泥石流监测预警,具有显著的社会效益。
[0017] 发明的技术解决方案如下:
[0018] 一种基于无线自组网泥石流监测预警传感装置,包括MCU、电池、三轴加速度传感器、地声传感器、振动传感器、电池电压检测电路和电源管理电路、MESH网络模块;所述的三轴加速度传感器、地声传感器、振动传感器、电池电压检测电路均通过Α/D转换器与MCU的输入接口相连,MESH网络控制器与MCU相连。
[0019] 所述的泥石流监测预警传感装置还包括DC/DC模块、电源管理器、比较器和D/Α转换器;D/A转换器的输入端接MCU的一个数据输出接口 ;电池通过DC/DC模块与电源管理器的电能输入接口相连,比较器的输出端、MCU的一个输出端以及MESH网络控制器的ACT信号输出端均与电源管理器连接;电源管理器的电源输出接口与MCU的电源接口相连;
[0020] 比较器的两个输入端分别接D/Α转换器的输出端和振动传感器的输出信号;或比较器的两个输入端分别接D/Α转换器的输出端和地声传感器的输出信号。
[0021] 地声传感器、振动传感器与Α/D转换器的输入端之间设有信号调理及放大电路;在电池电压检测电路与Α/D转换器的输入端之间设有阻抗变换和信号调理电路。
[0022] 所述的泥石流监测预警传感装置还包括备用电源、太阳能电池和充电控制器;DC/DC模块的电源输入侧与备用电源连接;
[0023] 太阳能电池通过充电控制器为电池充电。
[0024] 所述的三轴加速度传感器(12)、地声传感器(11)、振动传感器(10)和电池均位于由外管和外管盖(I)形成的空腔内;MESH网络控制器中的天线固定在外管侧壁上;所述的空腔内设有由2个固定环(4)固定的内管(3),电池(14)置于内管中;内管顶部设有一个固定架(13),三轴加速度传感器(12)、地声传感器(11)和振动传感器(10)均固定在固定架上;电池的外壁粘贴有发泡橡胶条(5)。
[0025] 一种泥石流监测预警传感监测系统,包括RTU (远程终端)和多个前述的泥石流监测预警传感装置,每一个泥石流监测预警传感装置作为一个MESH网络节点,RTU中集成有用于数据收集的集中器,RTU通过集中器与所有的泥石流监测预警传感装置无线通信连接。
[0026] 一种泥石流监测预警传感监测方法,由一个RTU和多个泥石流监测预警传感装置组成MESH网络,泥石流监测预警传感装置用于采集现场数据并将现场数据通过MESH网络控制器发送给RTU ;所述的现场数据包括振动数据、加速度数据、地声数据和电池电压数据;
[0027] RTU通过集成的集中器以无线方式收集泥石流监测预警传感装置发出的现场数据,并通过集中器发出指令以控制所述的泥石流监测预警传感装置;
[0028] RTU对收集的现场数据进行分析处理,每一个传感器都运行单独设定阈值和权重,在设定时间范围内所有传感器权重的积分超过设定阈值时则启动报警,实现对泥石流灾害的实时监测和预警;
[0029] 所述的泥石流监测预警传感装置包括MCU、电池、三轴加速度传感器、地声传感器、振动传感器、电池电压检测电路和MESH网络控制器;所述的三轴加速度传感器、地声传感器、振动传感器、电池电压检测电路均通过Α/D转换器与MCU的输入接口相连,MESH网络控制器与MCU相连;
[0030] 所述的泥石流监测预警传感装置还包括DC/DC模块、电源管理器、比较器和D/Α转换器;D/A转换器的输入端接MCU的一个数据输出接口 ;
[0031] 电池通过DC/DC模块与电源管理器的电能输入接口相连,比较器的输出端、MCU的一个输出端即使能信号(EN)输出端以及MESH网络控制器的ACT信号输出端均与电源管理器连接;电源管理器的电源输出接口与MCU的电源接口相连;
[0032] 比较器的两个输入端分别接D/Α转换器的输出端和振动传感器的输出信号;
[0033] 电源管理模块由三种信号联合控制,第一个是MCU发出来的使能信号(EN),第二个是MESH模块发出的ACT信号;ACT信号是MESH网络节点接收到集中器广播指令、或者符合自身地址的信号才会输出;第3个信号是由振动传感器的放大信号进行阈值比较输出的QCFBJ信号,三个信号经或门和单稳联合唤醒电源管理模块的供电管理单元从而为MCU供电,MCU被唤醒后输出使能信号使电源管理模块保持供电,完成数据采集和通信传输后通过电源管理模块关闭MCU电源以降低待机能耗;
[0034] 地声传感器、振动传感器与Α/D转换器的输入端之间设有信号调理及放大电路;
[0035] 在电池电压检测电路与Α/D转换器的输入端之间设有阻抗变换和信号调理电路;
[0036] 所述的泥石流监测预警传感装置还包括备用电源、太阳能电池和充电控制器;DC/DC模块的电源输入侧与备用电源连接;
[0037] 太阳能电池通过充电控制器为电池充电;
[0038] 所述的三轴加速度传感器(12)、地声传感器(11)、振动传感器(10)和电池均位于由外管和外管盖(I)形成的空腔内;MESH网络控制器中的天线固定在外管侧壁上;所述的空腔内设有由2个固定环(4)固定的内管(3),电池(14)置于内管中;内管顶部设有一个固定架(13),三轴加速度传感器(12)、地声传感器(11)和振动传感器(10)均固定在固定架上。
[0039] 每一个传感器都可以单独设定阈值,并且根据埋设情况赋予权重,在设定时间窗内所有传感器权重的积分超过设定阈值,RTU启动远程报警实现对泥石流灾害的实时监测和预警;
[0040] 其工作方式是以群的方式工作,将一定数量的传感器按照灾害发生概率评估遍布监测山体及泥石流必经路径。每个传感器将周围监控范围内土体状况通过无线网络传送到MESH网络集中器,供给终端计算分析。终端根据预先设定的危害等级加权计算评估,发出警告信息。
[0041] 本发明的技术路线说明:
[0042] 泥石流形成必须有两大要素:动力源与固体来源,单一监测雨量经常会发生泥石流的雨量到达了预警值却没有发生泥石流。此项发明解决泥石流临灾监测预警中手段单一不可靠的问题。将泥石流监测的重点扩展到不仅仅是监测降雨形成的动力源,同时开始监测泥石流的固体补给形成过程及区域流动情况。传感器之间通过无线自组网方式将信号发送回集中器给终端RTU分析。
[0043] 泥石流的固体补给源多靠山体的滑坡崩塌形成堆积,此系统对山体滑坡崩塌的判据可以通过地声监测、沙石体振动监测、传感器倾斜监测、土体运动速度监测、运动距离监测来得到。由于山体面积宽广,而滑坡垮塌具有一定的随机分布。因此将此系统传感器按照一定密度遍布山体形成传感器群。
[0044] 传感器群埋于山中,如果每个传感器需要布线供给能源和进行通信,工程量将会巨大。因此传感器数据信号传输为无线通信。为了解决功耗与通信距离的矛盾,采取了可以中继的无线电链路模式,每个传感器可以用较小的发射功率传送数据,也可以作为别的传感器的无线中继点。一大群传感器则可相互为数据中继点,自动形成无线路由路径。通信链路可以延绵数百公里。重要的是泥石流中一个传感器中继点被摧毁了,另一个传感器自动接替中继任务。因此布局很关键,应在通信路径上同一传感器半径内形成至少两个以上的中继点,当一个摧毁后,另外一个传感节点能保障数据链路的畅通。
[0045] 山中传感器供电布线不易,所以此系统传感器用能设计成微功耗,用电池供电。且保留备用电源接口及太阳能充电接口。另外在传感器能源调度方面,RTU通过雨量传感器根据雨强的大小无线方式调度每个传感器数据采集时间密度达到节省能源的目的。传感器本身能在滑坡崩塌及地声产生时自动唤醒数据采集及无线数据链路,除了 RTU调度及数据链路需要中继,其余时间都保持微功耗休眠状态。
[0046] 有益效果:
[0047] 本发明的基于无线自组网群检测泥石流预警传感装置、系统及方法,其优点如下:
[0048] 1.基于无线自组网泥石流监测预警传感装置能够灵敏的多参数监测山坡及谷底的土体运动及泥石流爆发情况,其系统可以结合雨强分析和崩塌物质方量的分析做到可靠的提前预测。
[0049] 2.泥石流监测预警传感装置、系统及方法的通讯基于无线数据链路,且传感装置之间能自路由、自组网、自愈合,因此传感装置可以在埋下后不再人为维护,不需要后期布线等措施。
[0050] 3.低功耗,使用时间长。普通电池可以维持两年以上的电源供电。因此维护成本低廉。且保有备用电源接口。可以方便的在电池电压降低后,用太阳能或者备用电池供电。
[0051] 4.泥石流监测预警传感装置的结构设计巧妙,如设置固定环和发泡橡胶条用来缓冲电池振动,填充间隙,使得整个装置防震效果更佳,另外,整体的结构为内管-外观嵌套模式,防水性能好,防护等级可达IP66以上,可以防护水淹土埋。
[0052] 5.泥石流监测预警传感装置可以测量多种参数,通过该基于自组网的系统获取各节点的数据并分析,为地质灾害分析提供有力的原始信息,从而为泥石流监预警提供可靠的保障。
附图说明
[0053] 图1为基于无线自组网泥石流监测预警群传感系统中传感器的电路框图;
[0054] 图2为传感器构造图结构示意图。
[0055] 图3为基于无线自组网泥石流监测预警群传感系统的整体结构示意图。
[0056] 标号说明:1-外管盖,2-外管,3-内管,4-固定环,5-发泡橡胶条,6-天线,7-磁控开关,8-MESH模块,9-电源模块,10-振动传感器,11-地声传感器,12-三轴加速度传感器,13-固定架,14-电池。
具体实施方式
[0057] 以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明:
[0058] 实施例1:
[0059] 如图1-3,一种基于无线自组网泥石流监测预警传感装置,包括MCU、电池、三轴加速度传感器、地声传感器、振动传感器、电池电压检测电路和电源管理电路、MESH网络模块;所述的三轴加速度传感器、地声传感器、振动传感器、电池电压检测电路均通过A/D转换器(包括MCU自带的ADC)与MCU的输入接口相连,MESH网络控制器与MCU相连。【可监测土体移动变形对传感器产生的加速度及倾斜度的测量,还可同时监测传感器周围的沙土运动导致的振动,另可同时监测泥石流产生的低频率的地声。】【MCU为微功耗单片机】
[0060] 所述的泥石流监测预警传感装置还包括DC/DC模块、电源管理器、比较器和D/A转换器(还可以用数字电位器代替DA转换器-用于为比较器设置参考电压(参考电压与检测到的电压相比)。数字电位器的输出端直接接运放,数字电位器不必要再与其他器件连接);D/A转换器的输入端接MCU的一个数据输出接口 ;电池通过DC/DC模块与电源管理器的电能输入接口相连,比较器的输出端、MCU的一个输出端以及MESH网络控制器的ACT信号(如MESH网络传输的数据地址跟本节点对应,则ACT信号产生电平变化)输出端均与电源管理器连接;电源管理器的电源输出接口与MCU的电源接口相连;【其工作特点是振动传感器(也可接地声传感器,视工况定)或者本传感器对MESH网络数据发出响应则唤醒电源管理给单片机供电,这时候单片机用一个输出端锁住电源管理不让其进入休眠状态,直到数据采集完成,单片机再将电源管理设置成供电休眠。】
[0061] 比较器的两个输入端分别接D/A转换器的输出端和振动传感器的输出信号;或比较器的两个输入端分别接D/A转换器的输出端和地声传感器的输出信号。【当土体异动强度超过系统设置值,则由比较信号唤醒电源管理给MCU供电。同时开始采集数据,上传网络集中器。】地声传感器、振动传感器与A/D转换器的输入端之间设有信号调理及放大电路;在电池电压检测电路与A/D转换器的输入端之间设有阻抗变换和信号调理电路。
[0062] 所述的泥石流监测预警传感装置还包括备用电源、太阳能电池和充电控制器;DC/DC模块的电源输入侧与备用电源连接;
[0063] 太阳能电池通过充电控制器为电池充电。
[0064] 所述的三轴加速度传感器12、地声传感器11、振动传感器10和电池均位于由外管和外管盖I形成的空腔内;MESH网络控制器中的天线固定在外管侧壁上;所述的空腔内设有由2个固定环4固定的内管3,电池14置于内管中;内管顶部设有一个固定架13,三轴加速度传感器12、地声传感器11和振动传感器10均固定在固定架上;电池的外壁粘贴有发泡橡胶条5【发泡橡胶条用来缓冲电池振动,填充间隙】。
[0065] 一种泥石流监测预警传感监测系统,其特征在于,包括RTU (远程终端)和多个所述的泥石流监测预警传感装置,每一个泥石流监测预警传感装置作为一个MESH网络节点,RTU中集成有用于数据收集的集中器,RTU通过集中器与所有的泥石流监测预警传感装置无线通信连接。【网络中每一个MESH网络节点除了上传自身的数据以外还承担其他传感器数据中继功能,所以每个传感器才能以较低的功率发送数据给近集中器方向相邻的节点,让相邻的节点将数据一路中继直到集中器。所有节点与集中器都是均等关系,可以自行组网,通过优化算法可以自形成最优的无线路由。因此当一个传感器MESH网络节点被泥石流摧毁,整个无线网络会自己重新构建新的路由传递路径。】
[0066]【集中器是一个MESH网络网关,用来中继或者汇聚或者传播MESH网络数据的一个节点。同时也是用来跟RTU计算机相连的一个部件。】
[0067] —种泥石流监测预警传感监测方法,其特征在于,由一个RTU和多个泥石流监测预警传感装置组成MESH网络,泥石流监测预警传感装置用于采集现场数据并将现场数据通过MESH网络控制器发送给RTU ;所述的现场数据包括振动数据、加速度数据、地声数据和电池电压数据;
[0068] RTU通过集成的集中器以无线方式收集泥石流监测预警传感装置发出的现场数据,并通过集中器发出指令以控制所述的泥石流监测预警传感装置;
[0069] RTU对收集的现场数据进行分析处理,每一个传感器都运行单独设定阈值和权重,在设定时间范围内所有传感器权重的积分超过设定阈值时则启动报警,实现对泥石流灾害的实时监测和预警;
[0070] 所述的泥石流监测预警传感装置包括MCU、电池、三轴加速度传感器、地声传感器、振动传感器、电池电压检测电路和MESH网络控制器;所述的三轴加速度传感器、地声传感器、振动传感器、电池电压检测电路均通过Α/D转换器与MCU的输入接口相连,MESH网络控制器与MCU相连;
[0071 ] 所述的泥石流监测预警传感装置还包括DC/DC模块、电源管理器、比较器和D/Α转换器;D/A转换器的输入端接MCU的一个数据输出接口 ;
[0072] 电池通过DC/DC模块与电源管理器的电能输入接口相连,比较器的输出端、MCU的一个输出端即使能信号(EN)输出端以及MESH网络控制器的ACT信号输出端均与电源管理器连接;电源管理器的电源输出接口与MCU的电源接口相连;
[0073] 比较器的两个输入端分别接D/Α转换器的输出端和振动传感器的输出信号;
[0074] 电源管理模块由三种信号联合控制,第一个是MCU发出来的使能信号(EN),第二个是MESH模块发出的ACT信号;ACT信号是MESH网络节点接收到集中器广播指令、或者符合自身地址的信号才会输出;第3个信号是由振动传感器的放大信号进行阈值比较输出的QCFBJ信号,三个信号经或门和单稳联合唤醒电源管理模块的供电管理单元从而为MCU供电,MCU被唤醒后输出使能信号使电源管理模块保持供电,完成数据采集和通信传输后通过电源管理模块关闭MCU电源以降低待机能耗;
[0075] 地声传感器、振动传感器与Α/D转换器的输入端之间设有信号调理及放大电路;
[0076] 在电池电压检测电路与Α/D转换器的输入端之间设有阻抗变换和信号调理电路;
[0077] 所述的泥石流监测预警传感装置还包括备用电源、太阳能电池和充电控制器;DC/DC模块的电源输入侧与备用电源连接;【通常传感器使用干电池供电,电池通过特殊设计,可以抵用三年以上。】
[0078] 太阳能电池通过充电控制器为电池充电【在一些特殊情况也能换成锂电池由
[0079] 太阳能充电】;
[0080] 所述的三轴加速度传感器(12)、地声传感器(11)、振动传感器(10)和电池均位于由外管和外管盖(I)形成的空腔内;MESH网络控制器中的天线固定在外管侧壁上;所述的空腔内设有由2个固定环(4)固定的内管(3),电池(14)置于内管中;内管顶部设有一个固定架(13),三轴加速度传感器(12)、地声传感器(11)和振动传感器(10)均固定在固定架上。
[0081] 如图1-2,基于无线自组网泥石流监测预警传感装置是一种埋于地表,用来监测泥石流固体补给和监测泥石流流动特性的装置。
[0082] 每一个基于无线自组网泥石流监测预警传感装置可监测的内容有
[0083] a.监测沙石对传感器的摩擦、冲击及振动。
[0084] b.监测泥石流造成的地声。
[0085] c.监测传感器的重力加速度可以感知传感器的姿态,从而得知土体崩塌及土层的变形滑坡。
[0086] d.监测传感器的三轴加速度可以得知传感器所埋土体的运动速度距离
[0087] e.检测传感器能自身检测能源的消耗及补给和工况。
[0088] 基于无线自组网泥石流监测预警传感装置的通信链路通过MESH网络构成,分为节点与集中器。集中器设于RTU (远程终端)处,负责数据收集及发布,而节点是装于传感器上,负责数据中继及本传感器的数据发送。Mesh网络是分布对等网络,采用私有路由协议,能够充分利用网络中冗余,具有优异的网络自愈性、稳定性。支持255级路由和几万节点的超大规模组网。物理层采用了调频、自适应速率、无线唤醒技术(非前导码和单音)、交织纠错码等。链路层采用智能碰撞避免算法,具有优异的抗干扰能力。拥有灵活的休眠模式,由同步异步良种休眠方式。每一个传感器可以接收发送数据,也能够成为数据链路中的中继点。可以自动组网路由,如果通信半径内有备份冗余的传感器,当一个传感器损毁了,另外一个将自动担负起中继数传任务。
[0089] 本发明用“群”的概念来监测泥石流的固体补给源。用很多数量的传感器遍布山体,通过MESH网络组成群,从而减弱泥石流形成过程中山体崩塌滑坡地点的预测不确定性传感器的运动姿态、振动、及地声信号的数据采集,各设定阈值。比如倾斜达到0.1度,振动达到0.lmg,那么由终端检测出每一个传感器超阈值情况(阈值可设),单个传感器超阈值通常不会引起报警输出。而是要有多个传感器在某一个时间窗内超阈值才会引发报警,即山体受测面积垮塌的百分数要达到多少才会报警。因为在暴雨下,泥石流的滑坡、崩塌的形成必须要一定的时间积累,而这个时间窗,比如一个小时内被触发的传感器达到一定的值才会输出报警。
[0090] 此实施例用了多项能源管理技术。平时传感器处于低功耗休眠状态,MESH网络节点除了数据中继以外也是处于休眠状态。集中器端的RTU根据雨强的增高提高对节点的唤醒频率。在图1中电源管理模块由三种信号联合管理。一个是单片机发出来的P10_ENLVTTL电平信号,另外一个是MESH模块发出的ACT LVTTL信号。ACT信号是MESH网络节点接收到集中器广播指令(比如RTU端雨量强度唤醒)、或者符合自身地址的信号才会输出。还有一个信号是由振动传感器的放大信号进行阈值比较输出的QCFBJ信号,这个阈值可以通过单片机设定后保持住。三个信号经或门和单稳联合唤醒供电管理,继而单片机供电,单片机被唤醒后输出P10_EN信号使电源管理模块保持供电。三种电源唤醒机制使传感器整体达到uA级的待机消耗。因为振动传感器阈值可以通过MESH以无线链路通知单片机以DAC的输出设置。保障了传感器可以自由调节灵敏度。在溪水山涧附近有干扰振动的地方也能正常工作。
[0091] 三轴加速度传感器由固体三轴加速度传感器构成。低功耗、微机械型加速度计,高灵敏度800mV/g。具有信号调节,一级低通滤波器,具有温度补偿,自我测试,Og-Detect检测线性自由落体。可以感知10秒以内的倾斜,最大可以测得6g的加速度。
[0092] 地声传感器有超低音频拾音器组成,可以感知10-240HZ的超低音频信号,当泥石流爆发时,大地会传导低频的振动声响,由地声传感器取得信号,送至ADC进行分析。
[0093] 振动传感器由压电振动传感和外壳构成的谐振腔构成可以感知微弱的振动冲击。传感器埋设在土层,周围的沙石在土体产生移动或者崩塌时,沙石会对传感器壳体产生振动冲击,振动通过外壳传至内部的压电传感器,信号经过滤波放大,整流,将有效值送至ADC进行采样分析处理.灵敏度:100mv/g。频率:5-3000HZ。
[0094] 传感器在制造出来时,电池都是封装在外壳内部,为了不消耗电源,电池的主回路由一个常闭磁控开关(图3#7)控制,未装入现场以前在塑料外壳顶部贴上一块磁铁,让供电电路断开。装入现场后,磁铁取走,传感器电路闭合,开始供电。
[0095] 传感器的供电范围是0.65V-5V的供电设计。因此当电池电压低至0.65V。电路仍能够正常工作。保证了传感器的生存期。
[0096] 参见图1,图1中连接接收地声信号和接收振动信号的信号调理及放大电路包括滤波器及放大器。传感系统必须检测电源的状态,又不能因为电源阻抗及取样分压的阻抗的变化,影响电源状态测量的精度,因此引入电源监测接口【对应电池电压检测电路】将电源接入,通过电压变换及运放射随器,形成高阻取样送往ADC其中一个通道。图中所有ADC都是MCU内部的。
[0097] (10)比较器用来比较振动信号的强度,决定受控电源及某些接受受控电源馈电的电路是否启动。
[0098] DC/DC 变换器从 0.6V-5V 变换成 3.3V。
[0099] 各基于无线自组网泥石流监测预警传感装置的埋设地点、地质风化层不一样,因而信号强度也不一样,阈值可调。

Claims (6)

1.一种基于无线自组网泥石流监测预警传感装置,其特征在于,包括MCU、电池、三轴加速度传感器、地声传感器、振动传感器、电池电压检测电路、MESH网络控制器; 所述的三轴加速度传感器、地声传感器、振动传感器、电池电压检测电路均通过A/D转换器与MCU的输入接口相连,MESH网络控制器与MCU相连; 所述的泥石流监测预警传感装置还包括DC/DC模块、电源管理器、比较器和D/A转换器;D/A转换器的输入端接MCU的一个数据输出接口 ;电池通过DC/DC模块与电源管理器的电能输入接口相连,比较器的输出端、MCU的一个输出端以及MESH网络控制器的ACT信号输出端均与电源管理器连接;电源管理器的电源输出接口与MCU的电源接口相连; 比较器的两个输入端分别接D/A转换器的输出端和振动传感器的输出信号;或比较器的两个输入端分别接D/A转换器的输出端和地声传感器的输出信号。
2.根据权利要求1所述的泥石流监测预警传感装置,其特征在于,地声传感器、振动传感器与A/D转换器的输入端之间设有信号调理及放大电路;在电池电压检测电路与A/D转换器的输入端之间设有阻抗变换和信号调理电路。
3.根据权利要求2所述的泥石流监测预警传感装置,其特征在于,还包括备用电源、太阳能电池和充电控制器;DC/DC模块的电源输入侧与备用电源连接; 太阳能电池通过充电控制器为电池充电。
4.根据权利要求1所述的泥石流监测预警传感装置,其特征在于,所述的三轴加速度传感器(12)、地声传感器(11)、振动传感器(10)和电池均位于由外管和外管盖(I)形成的空腔内;MESH网络控制器中的天线固定在外管侧壁上;所述的空腔内设有由2个固定环(4)固定的内管(3),电池(14)置于内管中;内管顶部设有一个固定架(13),三轴加速度传感器(12)、地声传感器(11)和振动传感器(10)均固定在固定架上;电池的外壁粘贴有发泡橡胶条(5)。
5.一种泥石流监测预警传感监测系统,其特征在于,包括RTU和多个如权利要求1-4任一项所述的泥石流监测预警传感装置,每一个泥石流监测预警传感装置作为一个MESH网络节点,RTU中集成有用于数据收集的集中器,RTU通过集中器与所有的泥石流监测预警传感装置无线通信连接。
6.一种泥石流监测预警传感监测方法,其特征在于,由一个RTU和多个泥石流监测预警传感装置组成MESH网络,泥石流监测预警传感装置用于采集现场数据并将现场数据通过MESH网络控制器发送给RTU;所述的现场数据包括振动数据、加速度数据、地声数据和电池电压数据; RTU通过集成的集中器以无线方式收集泥石流监测预警传感装置发出的现场数据,并通过集中器发出指令以控制所述的泥石流监测预警传感装置; RTU对收集的现场数据进行分析处理,每一个传感器都运行单独设定阈值和权重,在设定时间范围内所有传感器权重的积分超过设定阈值时则启动报警,实现对泥石流灾害的实时监测和预警; 所述的泥石流监测预警传感装置包括MCU、电池、三轴加速度传感器、地声传感器、振动传感器、电池电压检测电路和MESH网络控制器;所述的三轴加速度传感器、地声传感器、振动传感器、电池电压检测电路均通过A/D转换器与MCU的输入接口相连,MESH网络控制器与MCU相连; 所述的泥石流监测预警传感装置还包括DC/DC模块、电源管理器、比较器和D/A转换器;D/A转换器的输入端接MCU的一个数据输出接口 ; 电池通过DC/DC模块与电源管理器的电能输入接口相连,比较器的输出端、MCU的一个输出端即使能信号(EN)输出端以及MESH网络控制器的ACT信号输出端均与电源管理器连接;电源管理器的电源输出接口与MCU的电源接口相连; 比较器的两个输入端分别接D/A转换器的输出端和振动传感器的输出信号; 电源管理器由三种信号联合控制,第一个是MCU发出来的使能信号(EN),第二个是MESH网络控制器发出的ACT信号;ACT信号在MESH网络控制器接收到集中器广播指令、或者符合自身地址的信号才会输出;第3个信号是由振动传感器的放大信号进行阈值比较输出的QCFBJ信号,三个信号经或门和单稳联合唤醒电源管理器的供电管理单元从而为MCU供电,MCU被唤醒后输出使能信号使电源管理器保持供电,完成数据采集和通信传输后通过电源管理器关闭MCU电源以降低待机能耗; 地声传感器、振动传感器与A/D转换器的输入端之间设有信号调理及放大电路;在电池电压检测电路与A/D转换器的输入端之间设有阻抗变换和信号调理电路; 所述的泥石流监测预警传感装置还包括备用电源、太阳能电池和充电控制器;DC/DC模块的电源输入侧与备用电源连接; 太阳能电池通过充电控制器为电池充电; 所述的三轴加速度传感器(12)、地声传感器(11)、振动传感器(10)和电池均位于由外管和外管盖(I)形成的空腔内;MESH网络控制器中的天线固定在外管侧壁上;所述的空腔内设有由2个固定环(4)固定的内管(3),电池(14)置于内管中;内管顶部设有一个固定架(13),三轴加速度传感器(12)、地声传感器(11)和振动传感器(10)均固定在固定架上。
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