CN103727911B - 基于mems阵列的组装式深部位移监测设备及系统 - Google Patents

基于mems阵列的组装式深部位移监测设备及系统 Download PDF

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刘晓宇
王兴昆
侯岳峰
丁志林
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Abstract

本发明涉及一种基于MEMS阵列的组装式深部位移监测设备,包括MEMS倾角传感器阵列、多个倾角传感器固定工件、多个数据线连接板和多个连接管件。该设备采用组装式沉孔,将尚处于地表之上的部分与其他部分进行组装连接后再继续沉孔,倾角传感器固定工件连接在两个或多个连接管件之间;多个倾角传感器通过所述数据导线相连接构成MEMS倾角传感器阵列,多个MEMS倾角传感器的测量数据用以通过计算来获得深部位移监测结果。本发明的监测系统在集成已有监测方法优点的基础上,引入MEMS倾角传感器阵列,由测量管件自由组装构成的深部位移监测设备及其配套施工工艺,实现了滑坡体深部位移监测的低成本、高精度、大量程、自动化、标准化安装。

Description

基于MEMS阵列的组装式深部位移监测设备及系统
技术领域
[0001]本发明涉及地质灾害监测及灾害提前预报领域,尤其涉及滑坡滑动面确定及深部 钻孔微变形、大变形的无线自动化测量领域,具体地涉及一种基于MEMS阵列的组装式深部 位移监测设备及系统。
背景技术
[0002]我国地质灾害呈现逐年递增的趋势,地质灾害已成为制约地方社会经济可持续发 展的重要因素。云南省地处我国西南边陲,是我国的地质灾害大省,滑坡灾害不仅发生在人 为工程的公路沿线,村庄、城镇也为滑坡灾害的多发区。因此,开发低成本、高精度、自动化 的岩土变形监测装置具有重要意义,并有着很广阔的市场应用前景。
[0003]就边坡监测而言,深部位移监测是获取滑坡体变形特征及演化过程最直接、最有 效的手段之一。然而,目前国内采用的深部变形监测设备都存在不足之处,而同类型的国外 设备又价格昂贵不利于大面积使用。
[0004]在滑坡深部位移监测中,传统的测量方法常采用多点位移计或滑动式测斜仪来监 测边坡深部变形,多点位移计是在岩土体钻孔后,在孔内不同深度布设测点固定锚头,与锚 头连接的测杆(测杆外用护管与灌浆水泥沙浆隔开)上装设位移读数装置,通过位移读数装 置来测量沿钻孔轴线上的不同深度的测点位移变化;而滑动式测斜仪则是在钻孔内沉放测 斜管,利用手拉滑动式测斜伩在测斜管导轨上下定长定点测量钻孔内部倾斜位移,从而掌 握钻孔内部的形变情况。然而,无论是多点位移计还是测斜仪都有自身的缺陷:多点位移计 在同一钻孔安装数量有限、且量程有限;测斜仪本身测量精度很高,但是随着滑坡不断的演 化变形,钻孔内的测斜管或被错断或被挤压变形,此时滑动式测斜仪就不能沉入钻孔中进 行测量。两种设备都能够准确掌握滑坡演化前期变化趋势,但随着滑坡变形的不断增大,两 种设备便逐渐失去了测量功能。
[0005]同类型国外产品的测量方式及使用效果非常的好,也能够满足三维大位移的测量 需求。该设备主要以单位长度为测量单元,以柔性关节相连每个测量单元,从而实现大位移 测量。该设备的另一个特点就是能够实现仪器设备的重复使用。该设备的具体使用方法为: 根据现场滑坡监测打钻的详勘情况,定制相应钻孔深度的监测设备,在实际安装时首先沉 放PVC辅助管材,再将整体的测量装置沉放于PVC管材内部,在测量装置与PVC管材之间填放 流沙充满整个PVC管材间隙,再在PVC管材与整个钻孔间隙处回填水泥砂浆,以使整个测量 设备达到固定的状态。然而,该国外监测设备每米的价格接近万元,一个钻孔的监测价值要 在几十万元,对于我国这样一个特殊的人文地理环境,该种贵族式的监测方式不能进行大 面积推广使用;虽然该监测装置能够实现重复使用,但是滑坡灾害的演化是一个漫长的过 程,对于滑坡灾害的预警及研究不是一个短期的过程,该设备的重复使用功能因此会被弱 化。再者,该设备现场安装工艺复杂且安装人员要求也相对较高,不适合我国这样的国情。 [0006]综上所述,研发一种物美价廉且能够实时捕捉监测滑坡体内部的不同深度岩土体 的当前状态、破坏形态、预测滑坡体未来发展趋势的设备是适应我国地质灾害发展趋势的 必然。该设备不仅需要能够满足测量精度、测量原理的需求,也能够在恶劣的工程条件下准 确把握滑坡灾害前期及后期变形规律,对于我国这样一个人文地理特殊的地质灾害大国有 着特殊的意义,而这样的监测设备也必将是深部位移监测设备研发的发展趋势。
发明内容
[0007]本发明的目的是提供一种能够克服上述缺陷的基于MEMS阵列的组装式深部位移 检测设备及系统。具体地说,主要是提供一种针对现有的深部变形监测手段(如滑动式测斜 仪、拉线式深部位移测量仪等)的技术革新或技术取代。
[0008] 在第一方面,本发明提供了一种基于MEMS阵列的组装式深部位移监测设备,包括 微机电系统MEMS倾角传感器阵列、多个倾角传感器固定工件、多个数据线连接板、多个连接 管件和岩基锚固器,其中:所述MEMS倾角传感器阵列由多个MEMS倾角传感器组成,每个MEMS 倾角传感器固定在一个倾角传感器固定工件内部,所述MEMS倾角传感器固定工件的两端具 有与所述数据线连接板和所述连接管件进行连接的接口,所述数据线连接板安装在所述连 接管件的内壁,所述数据线连接板的内部有数据导线;所述基于MEMS阵列的组装式深部位 移监测设备采用组装式沉孔,将尚处于地表之上的部分与其他部分进行组装连接后再继续 沉孔,所述倾角传感器固定工件连接在两个或多个连接管件之间;所述多个倾角传感器通 过所述数据导线相连接构成所述MEMS倾角传感器阵列,所述MEMS倾角传感器阵列中多个 MEMS倾角传感器的测量数据用以通过计算来获得深部位移监测结果;以及所述基岩锚固器 安装在一个连接管件的最底部并且该连接管件在所述组装式沉孔的过程中第一个进行沉 孔,在基岩锚固器沉入孔底接触基岩时,通过垂向阻力与基岩进行锚固。
[0009] 优选地,该设备还包括:多个柔性关节,每个柔性关节的两端具有与所述数据线连 接板和所述连接管件进行连接的接口,所述柔性关节在所述组装式沉孔中连接在两个或多 个连接管件之间,充当所述连接管件的变形位移吸能单元。
[0010] 优选地,该设备还包括:拉线式位移传感装置,其包括角位移传感器和拉线,所述 角位移传感器位于钻孔地表,所述拉线的一端连接所述角位移传感器,另一端与所述基岩 锚固器连接,当大位移错动发生时,随着拉线的拉伸,角位移传感器产生相应的位移数据。
[0011] 优选地,所述连接管件内壁上具有用于滑动式测斜仪的两两相对的测量导轨。
[0012] 优选地,所述MEMS倾角传感器内嵌微处理器,用于进行数据采集、协议整合、数据 处理和总线接口。
[0013] 优选地,所述数据线连接板采用倒槽的方式与所述连接管件的内壁插接,所述倾 角传感器固定工件与所述数据线连接板和连接管件采用扣接方式连接,扣接后具有防水功 能。
[0014] 在第二方面,本发明提供了一种基于MEMS阵列的组装式深部位移监测系统,包括 基于MEMS阵列的组装式深部位移监测设备、数据收发装置和信息处理平台,其中:所述数据 收发装置通过所述数据导线与所述多个MEMS倾角传感器相连接,用于采集来自所述MEMS倾 角传感器阵列的感测数据,对所述感测数据进行模数转换后传输给所述信息处理平台;所 述信息处理平台,用于将所述数据收发装置传输的数据录入数据库并进行分析,并且根据 分析结构向所述数据收发装置发送指令。
[0015] 优选地,该系统还包括:安装操作平台,用于所述基于MEMS阵列的组装式深部位移 监测设备的安装施工,能够在沉孔过程中对所述连接管件进行卡死和放松,自动记录沉孔 的管件长度以及所述MEMS倾角传感器的数量。
[0016] 优选地,所述数据收发装置和所述信息处理平台之间的数据传输采用无线传输方 式。
[0017] 本发明的监测设备及系统在集成已有监测方法优点的基础上,引入MEMS加速度传 感器阵列,研发由测量管件单元自由组装构成的深部位移监测设备及其配套施工工艺技 术,该设备以多段柔性关节作为深部位移变形吸能单元,实现了滑坡体深部位移低成本、高 精度、大量程、自动化、标准化安装。
附图说明
[0018]图1是根据本发明实施例的基于MEMS阵列的组装式深部位移监测设备的爆炸图。
具体实施方式
[0019]下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0020]本发明的组装式深部位移监测系统包括:组装式深部位移监测设备、数据收发设 备、信息处理平台和安装操作平台。组装式深部位移监测设备包括:MEMS倾角传感器阵列、 倾角传感器固定工件、数据线连接板、连接管件、柔性关节、拉线式位移传感装置、基岩锚固 器。
[0021]下面,首先介绍组装式深部位移监测装置的各组成部分及其功能。
[0022] 微机电系统(Micro electro mechanical Systems,MEMS)倾角传感器阵列主要依 靠阵列式MEMS岩土传感技术。MEMS倾角传感器阵列由多个倾角传感器测量单元组成。例如, 可以将形状为边长5cm的正方体的倾角传感器通过环状塑料板安装在传感器固定工件上, 从而形成倾角传感器测量单元。如非特别指出,下文中的传感器指的是MEMS倾角传感器阵 列中的倾角传感器。该倾角传感器测量单元根据钻孔不同测深的需求,布设在钻孔内的不 同深度处。MEMS倾角传感器阵列中的多个倾角传感器定时测量多个被测点的三维倾角变 化,以用于分析固定点的岩土变形状况。这样,当边坡产生位移变化时,通过对位于倾斜管 各段处的多个MEMS倾角传感器传感器的测量数据进行积分求和,便可获得边坡所测深度范 围内的倾斜偏转量。借助于MEMS阵列布置的空间方位与预设坐标系的相对位置关系,通过 空间几何解算,可以获得MEMS的倾向及走向数据。MEMS倾角传感器内嵌微处理器,每个微处 理器负责传感器的数据采集,多协议整合,数据处理以及总线接口功能,从而将传感器的数 据整理整合给数据传输装置。
[0023]倾角传感器固定工件是用于安装固定MEMS传感器的工件。该工件的材料可以采用 工程塑料,例如以开模注塑成型的方式形成非标工件。在倾角传感器固定工件将传感器的 电路进行注胶封装的基础上,预留了传感器的通讯线路连接端口 /通讯端口,该通讯端口可 以与数据线连接板及连接管件扣接,几者扣接后具有防水功能。倾角传感器固定工件是本 发明的组装式深部位移检测系统系统的重要的辅助工件之一。
[0024]数据线连接板用于将不同测深的传感器通过数据线进行连接。数据线连接板可以 为工程塑料注塑工件,其内部可容纳例如4芯的数据导线,其端部设计有标准的、类似航空 插头的防水插针,以便将数据线连接板各段以及数据线连接板和传感器插接。数据线连接 板被固定在连接关键的内壁上,例如可以通过倒槽的形式与连接管件内壁插接。
[0025]连接管件可以为工程塑料开模注塑工件,用于为数据线连接板提供固定载体,同 时还用于连接倾角传感器固定工件和柔性关节。如上所述,如果连接管件和数据线连接板 的固定形式采用倒槽插接,则连接管件内壁应具有与数据线连接板对应的卡槽。另外,连接 管件还可以起传统的滑动式测斜仪测斜管的作用,在这种情况下,连接管件内壁还有滑动 式测斜仪两两相对的测量导轨。
[0026]柔性关节作为测量管件/连接管件的变形位移吸收单元而存在,其用于连接在两 段连接管件之间。柔性关节需要满足抗拉抗压的特性,而且在水平方向上需要具有一定的 旋转柔性,这样能够使带有倾角传感器测量单元的连接管件在受外力挤压过程中不会变形 或断裂,从而更准确的利用倾角传感器。进一步,通过测量单位长度内连接管件的倾斜变化 量,进而反演周围岩土体的变化量。
[0027] 在本发明的一个实施例中,组装式深部位移监测系统还包括拉线式位移传感装 置,该装置由角位移传感器和拉线组成,拉线可以采用强度大的钢丝绳。当滑坡大的滑带成 形时会产生大的位移错动,错动量可达米级,这种大位移错动可能造成深部位移监测系统 中测量设备的部分损坏或部分损毁。在这种情况下,拉线式位移传感系统却一直能够正常 运转,其测量原理如下。在本发明的连接管件的外部,从钻孔底部(基岩处)至上部(钻孔地 表)布设有一道套有保护套的钢丝绳,钢丝绳的顶部/地表端通过滑轮连接角位移传感器, 其顶部/基岩端与基岩锚固器连接。这样,当滑带大位移错动时,被测土体会拉动钢丝绳伸 长。随着钢丝绳的拉伸,角位移传感器会产生相应的位移数据。应当指出,拉线式位移传感 的方式在前期微变形及中期米量级以下的变形测量中精度相对较差,且测量方向仅为一 维。然而,在滑坡产生米量级以上滑移时,拉线式位移传感系统保证了本发明的装置依然能 够捕捉到测量数据。
[0028] 基岩锚固器是组装式深部位移监测装置与基岩锚固的工件。一般来说,传统的测 量是将测量管直接放入钻孔中,通过混泥土灌浆实现设备与基岩的固结。但是,由于在实际 工程过程中由于钻孔底部常含有地下水等原因,不能实现完全固定。本发明的基岩锚固件 可以为爪状钢件,该装置安装在连接管件最接近基岩的一段的最底部。在沉孔的过程中,基 岩锚固件的爪钩闭合,当其沉入孔底遇见孔底底板时,受到垂向阻力时,该爪钩炸开与基岩 形成锚固。这样,本发明的组装式深部位移监测装置可以与基岩锚固在一起,不会受到例如 钻孔底部地下水等原因的困扰,从而不存在传统固结方式的缺陷。
[0029] 图1是根据本发明实施例的基于MEMS阵列的组装式深部位移监测设备的爆炸图。 [0030] 如图1所示,1_1、1-2、1_3为连接管件,2为柔性关节、3为MEMS倾角传感器单元,4为 数据线连接板。图1中还存在未标注的其他部分,它们是设备上述各部分在进行连接时需要 的外套、垫圈、锁母、卡环等,由于不是本发明的重点,因此不再赘述。
[0031] 接下来,介绍本发明的组装式深部位移监测系统的其他部分。
[0032] 数据收发装置,其通过数据线连接板中的数据线与ffiMS倾角传感器相连,用于采 集来自传感器阵列的感测数据并且将感测数据传输给信息处理平台。为了完整获得岩土体 内部参数,本发明采用工业总线结构,埋入地下的多个MEMS传感器将整理整合后的感测数 据同步传输给数据收发装置。由于进行深部位移监测的监测地点往往是复杂的野外环境, 普通的有线数据连接将受到很大的限制。优选地,本发明的数据收发装置可以采用高性能 单片机,并且采用无线传输方式发射监测数据。在野外无人值守的环境下,数据收发装置实 时接收由传感器测量到的各个数据值,并通过A/D转换将其转换为数字信号,然后利用诸如 GSM/GPRS/射频等方式定时将采集到的监测数据无线传输到远端的信息处理平台。
[0033] 信息处理平台可位于各级地质灾害管理中心,其可以是一台服务器或服务器组。 智能信息平台在接收到数据收发装置发送的监测数据后,将监测点的现场数据录入数据 库,对数据进行整理分析,通过例如B/S之类的构架进行网络发布。如果整理分析后的数据 表现出连续位移变化的特征,则信息处理平台的系统可以预设定规则将一系列指令发回数 据收发装置。例如,智能信息平台做出监测频率变化的指令,并且以GSM短信的形式将指令 发送给现场监测的单片机,以增密监测频率,防止关键时期的数据缺失。
[0034] 安装操作平台用于在监测地对深部位移监测设备进行现场安装施工,其有别于传 统的现场施工工艺。目前,现有的深部钻孔安装施工艺复杂,且对现场操作安装人员的技术 要求水平过高,设备安装时产生的误差难以避免,从而影响数据的真实性及可靠性。因此, 智能化的安装操作平台会降低现场安装人员造成的误差,从操作原理上提高设备的数据真 实性及可靠性。根据本发明的安装操作平台的主要功能包括连接管件卡死/放松、自主记 录,安装指引以及存储显示等。具体地,安装操作平台对于沉入钻孔内的管件长度有详细的 数据记录,对于沉入钻孔内的传感器数量及所在位置有详细的数据记录,对于测斜装置的 安装测量方位有正确的指引记录功能,并且采用智能的显示平台及存储平台,从而防止由 于人工记录造成的记录疏忽。另外,安装操作平台上可以装配有用于缠绕拉线式位移传感 装置的钢丝绳的线轴。
[0035] 下面,详细描述根据本发明的基于MEMS阵列的组装式深部位移监测系统的安装过 程的示例,在本示例中,本发明的组装式深部位移监测设备采用组装式沉孔。
[0036] 1)在工厂将MEMS倾角传感器安装固定于倾角传感器固定工件内部;
[0037] 2)在工厂将数据线连接板与连接管件内壁的插槽进行插接;
[0038] 3)现场将基岩锚固器于第一段连接管件进行扣接;
[0039] 4)将安装平台固定于钻孔地表;
[0040] 5)将缠绕在操作平台线轴上带有保护套的钢丝绳与基岩锚固器进行连接;
[0041] 6)完成准备工作后开始设备沉孔,将连接有基岩锚固器、钢丝绳的第一段连接管 件沉入钻孔,待管件沉入钻孔一定深度时,使用安装平台卡死装置将整个管件卡死;
[0042] 7)此时连接管件约有半米裸露在地表,这时将柔性关节的一端与连接管件进行扣 接;
[0043] 8)完成扣接后将另一根连接管件与已安装的柔性关节再进行扣接,完成连接后, 打开操作平台卡死,继续沉孔;
[0044] 9)待连接管件又剩半米的时候,卡死该装置,将安装有ffiMS传感器的倾角传感器 固定工件与此时卡死状态下的连接管件端部进行扣接;
[0045] 10)取另一根带有数据线连接板的连接管件与传感器固定工件进行连接,该连接 过程需要将传感器与数据线之间的连接插针进行扣接;
[0046] 11)连接完成后利用操作平台进行传感器通讯测试,确保传感器通讯正常再沉孔;
[0047] 12)依此类推的进行安装沉孔,安装时根据不同深度布设传感器的数量进行连接 安装,此安装过程被安装操作平台智能化的信息记录(沉孔米数,传感器数量,传感器位置 等相关信息)
[0048] 13)完成布设安装后测试整个传感器阵列系统是否正常;
[0049] 14)确认正常后,将连接管件与钻孔壁之间的空隙进行混泥土灌浆;
[0050] 15)完成灌浆后,将钢丝绳与角位移传感器进行连接,并将所有传感器的通讯线与 数据收发设备进行连接;
[0051] 16)现场人工发射数据与远程的信息处理平台进行联合测试;
[0052] 17)安装操作平台带有液晶显示屏及操作系统,该系统可以通过诸如GPRS之类的 移动网络对信息处理平台的数据库进行访问,以查看现场发射的数据是否已录入数据库;
[0053] I8)数据远程测试正常后,移走操作平台,在地表建立监测设备的太阳能供电系 统;
[0054] 19)本套设备同时具有使用滑动式测斜仪的功能,定期可使用滑动式测斜仪进行 测量,用于数据校核和设备验证;
[0055] 20)完成设备安装后,远程查看数据库运行是否正常,定期对前后台设备进行维 护。
[0056]专业人员应该还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的 单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬 件和软件的可互换性,在上述说明中己经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。 这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。 专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现 不应认为超出本发明的范围。
[0057]结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的 软件模块,或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器 (R0M)、电可编程R0M、电可擦除可编程R0M、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域 内所公知的任意其它形式的存储介质中。
[0058]以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步 详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明 的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含 在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1. 一种基于MEMS阵列的组装式深部位移监测设备,包括微机电系统MEMS倾角传感器阵 列、多个倾角传感器固定工件、多个数据线连接板、多个连接管件和基岩锚固器,其中: 所述MEMS倾角传感器阵列由多个MEMS倾角传感器组成,每个MEMS倾角传感器固定在一 个倾角传感器固定工件内部,所述MEMS倾角传感器固定工件的两端具有与所述数据线连接 板和所述连接管件进行连接的接口,所述数据线连接板安装在所述连接管件的内壁,所述 数据线连接板的内部有数据导线; 所述基于MEMS阵列的组装式深部位移监测设备采用组装式沉孔,将尚处于地表之上的 部分与其他部分进行组装连接后再继续沉孔,所述倾角传感器固定工件连接在两个或多个 连接管件之间; 所述多个倾角传感器通过所述数据导线相连接构成所述MEMS倾角传感器阵列,所述 MEMS倾角传感器阵列中多个MEMS倾角传感器的测量数据用以通过计算来获得深部位移监 测结果;以及 所述基岩锚固器安装在一个连接管件的最底部并且该连接管件在所述组装式沉孔的 过程中第一个进行沉孔,在基岩锚固器沉入孔底接触基岩时,通过垂向阻力与基岩进行锚 固。
2. 根据权利要求1所述的设备,还包括: 多个柔性关节,每个柔性关节的两端具有与所述数据线连接板和所述连接管件进行连 接的接口,所述柔性关节在所述组装式沉孔中连接在两个或多个连接管件之间,充当所述 连接管件的变形位移吸能单元。
3. 根据权利要求1所述的设备,还包括: 拉线式位移传感装置,其包括角位移传感器和拉线,所述角位移传感器位于钻孔地表, 所述拉线的一端连接所述角位移传感器,另一端与所述基岩锚固器连接,当大位移错动发 生时,随着拉线的拉伸,角位移传感器产生相应的位移数据。
4. 根据权利要求1所述的设备,其中,所述连接管件内壁上具有用于滑动式测斜仪的两 两相对的测量导轨。
5. 根据权利要求1所述的设备,其中,所述ffiMS倾角传感器内嵌微处理器,用于进行数 据采集、协议整合、数据处理和总线接口。
6. 根据权利要求1所述的设备,其中,所述数据线连接板采用倒槽的方式与所述连接管 件的内壁插接,所述倾角传感器固定工件与所述数据线连接板和连接管件采用扣接方式连 接,扣接后具有防水功能。
7. —种基于MEMS阵列的组装式深部位移监测系统,包括数据收发装置和信息处理平台 和如权利要求1-6之一所述的基于MEMS阵列的组装式深部位移监测设备,其中: 所述数据收发装置通过所述数据导线与所述多个MEMS倾角传感器相连接,用于采集来 自所述MEMS倾角传感器阵列的感测数据,对所述感测数据进行模数转换后传输给所述信息 处理平台; 所述信息处理平台,用于将所述数据收发装置传输的数据录入数据库并进行分析,并 且根据分析结构向所述数据收发装置发送指令。
8. 根据权利要求7所述的系统,还包括: 安装操作平台,用于所述基于MEMS阵列的组装式深部位移监测设备的安装施工,能够 在沉孔过程中对所述连接管件进行卡死和放松,自动记录沉孔的管件长度以及所述MEMS倾 角传感器的数量。
9.根据权利要求7所述的系统,其中,所述数据收发装置和所述信息处理平台之间的数 据传输采用无线传输方式。
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