CN104458526B - 基于物联网的南水北调高填方段渗漏检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物联网的南水北调高填方段渗漏检测系统，包含与监测站相信号连接的ZigBee子节点采集单元、GPRS节点传输模块，电源模块，ZigBee子节点采集单元包含壳体及ZigBee模块、GPS模块、温湿度传感器模块、渗流电阻，GPS模块与ZigBee模块相通讯连接，渗流电阻和温湿度传感器模块相连接，温湿度传感器模块与ZigBee模块相通讯连接，GPS模块和ZigBee模块分别与GPRS节点传输模块相连接。本发明设计新颖、合理，可灵活地移动安装在渠道交叉建筑物上或者插入渠道坡面的土壤里，能在整体上监控高填方渠段的渗流状态，并能实现南水北调高填方渠道坡面的渗漏点，方便工作人员的作业。

Description

基于物联网的南水北调高填方段渗漏检测系统

技术领域

本发明涉及渠道渗漏检测领域，具体涉及一种基于物联网的南水北调高填方段渗漏检测系统。

背景技术

南水北调中线工程是解决华北地区水资源紧缺的关键性跨流域调水工程，自丹江口水库陶岔枢纽取水，中途穿越黄河，送水至华北平原。南水北调中线工程总渠道长约1430km，沿途地理环境复杂，工程建设和运行中将涉及到众多的前沿性工程的技术问题。其中，高填方渠段渗流监测技术是其工程技术中的关键技术之一。南水北调工程中高填方渠段分布范围广、工程地质条件复杂、填方高度大，施工原因、基础整体或局部沉降以及边坡滑坡、温度变化、冻胀、冰压力等均会造成衬砌面板开裂，防渗体被拉断造成渗 (漏)水。其特点为虽然渗漏的作用水头较小，但由于渠线较长，渗漏量依然会较大。为保证通水后渠道的安全运行，确保人民生命财产安全，需要对高填方渠段进行专项渗流监测设计。

目前，尚无针对高填方段的专项安全监测设计方案。在工程施工中，一般安装了以测压管和小量程渗压计为基础的渗流监测设备，可对渠底扬压力、监测断面上的渗透压力分布以及对浸润线、渗流量、地下水位和防渗墙防渗效果进行监测。南水北调中线工程中，一般按每500m设一个渗流监测断面进行控制，渗流监测断面优先布置在在相邻标段的接头处、有防渗墙与无防渗墙渠段接头处和渠道填筑时预留的缺口部位，每个断面设渗压计13支，测压管10个，监测室设在渠顶右侧道路外侧。然而，在已安装的渗流监测设备中，大都是振弦式渗压计和测压管，但振弦式渗压计和测压管存在综合误差大的缺陷，一般不适合于南水北调高填方段总水头和总水头变化均较小的渗流监测；并且现有的渗流监测设备一般分布在渠底或者渠道断面上，采用埋入式或半埋入式安装，不能灵活地实现可移动测量；监测断面间隔距离大，只能实现监测渠底或者渠道断面的渗流情况，不能实现监测高填方渠道坡面的渗流，更不能实现南水北调高填方渠道坡面渗漏点的具体位置。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于物联网的南水北调高填方段渗漏检测系统，满足南水北调中线工程高填方渠段渗流监测的高可靠性、简单易行、便携测量的需求，同时又保持不用开挖破坏北调中线高填方渠段工程的设计原则，利用物联网技术，将温湿度传感器、GPS以及渗漏的电流检测电路通过ZigBee进行无线射频识别，并通过GPRS无线传输至监测站，硬件部分尺寸较小，移动安装方便。

按照本发明所提供的设计方案，一种基于物联网的南水北调高填方段渗漏检测系统，包含与监测站相信号连接的ZigBee子节点采集单元、GPRS节点传输模块，电源模块，所述ZigBee子节点采集单元包含壳体及设于壳体内且与电源模块相连接的ZigBee模块、GPS模块、温湿度传感器模块、渗流电阻，GPS模块与ZigBee模块相通讯连接，渗流电阻和温湿度传感器模块相连接，温湿度传感器模块与ZigBee模块相通讯连接，GPS模块和ZigBee模块分别与GPRS节点传输模块相连接。

上述的，GPRS节点传输模块包含处理ZigBee子节点采集单元数据的单片机及用于发送数据至监测站的GPRS天线。

上述的，GPRS节点传输模块还包含有ZigBee模块、GPS模块、温湿度传感器模块、渗流电阻，GPRS节点传输模块中的GPS模块、ZigBee模块分别与单片机相连接，GPRS节点传输模块中的渗流电阻和GPRS节点传输模块中的温湿度传感器模块相连接，GPRS节点传输模块中的温湿度传感器模块与GPRS节点传输模块中的ZigBee模块相通讯连接。

优选的，所述单片机采用51单片机STC12c5a60s2芯片。

上述的，所述壳体为一端呈锥形尖部的金属保护壳。

上述的，ZigBee子节点采集单元分别分布设在检测区域的多个检测点。

本发明基于物联网的南水北调高填方段渗漏检测系统的有益效果：

本发明设计新颖、合理，首先在相邻标段的接头处、渠道交叉建筑物或者渠道填筑时预留的缺口部位为测量间隔，在渠道坡面上用ZigBee子节点采集单元实现温湿度、GPS以及渗漏电流信息数据的检测，并通过ZigBee发射天线无线传输到GPRS节点传输模块，并由单片机进行数据处理，通过GPRS天线将处理的结果数据传输至监测中心，ZigBee子节点采集单元可灵活地移动安装在渠道交叉建筑物上或者插入渠道坡面的土壤里，基本上无需破坏渠道工程，克服现有渗漏检测技术中的不足之处，可靠性高，设备简单、便携、可移动安装等，能在整体上监控高填方渠段的渗流状态，并能实现南水北调高填方渠道坡面的渗漏点，方便工作人员的作业。

附图说明：

图1为本发明基于物联网的南水北调高填方段渗漏检测系统的安装示意图；

图2为本发明的ZigBee子节点采集单元结构示意图；

图3为本发明的GPRS节点传输模块示意图；

图4为本发明的电源模块电路图；

图5为本发明的ZigBee子节点采集单元电路图；

图6为本发明的GPRS节点传输模块电路图。

具体实施方式：

图中标号1代表壳体，标号2代表电源模块，标号3代表GPS模块，标号4代表ZigBee模块，标号5代表温湿度传感器模块，标号6代表渗流电阻，标号7代表锥形尖部，标号8代表GPRS模块，标号9、10、12、13、14分别代表ZigBee子节点采集单元，标号11代表GPRS节点传输模块，标号15代表监测站。

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明，并通过优选的实施例详细说明本发明的实施方式，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例一，参见图1~6所示，一种基于物联网的南水北调高填方段渗漏检测系统，包含与监测站相信号连接的ZigBee子节点采集单元、GPRS节点传输模块，电源模块，所述ZigBee子节点采集单元包含壳体及设于壳体内且与电源模块相连接的ZigBee模块、GPS模块、温湿度传感器模块、渗流电阻，GPS模块与ZigBee模块相通讯连接，渗流电阻和温湿度传感器模块相连接，温湿度传感器模块与ZigBee模块相通讯连接，GPS模块和ZigBee模块分别与GPRS节点传输模块相连接。

上述的，GPRS节点传输模块包含处理ZigBee子节点采集单元数据的单片机及用于发送数据至监测站的GPRS天线。

上述的，GPRS节点传输模块还包含有ZigBee模块、GPS模块、温湿度传感器模块、渗流电阻，GPRS节点传输模块中的GPS模块、ZigBee模块分别与单片机相连接，GPRS节点传输模块中的渗流电阻和GPRS节点传输模块中的温湿度传感器模块相连接，GPRS节点传输模块中的温湿度传感器模块与GPRS节点传输模块中的ZigBee模块相通讯连接。GPRS节点传输模块完成温湿度信息、GPS信息和渗流信息的传输，通过单片机进行数据处理后，进行无线传输至监测站。

优选的，所述单片机采用51单片机STC12c5a60s2芯片。

上述的，所述壳体为一端呈锥形尖部的金属保护壳。金属保护壳锥形尖部可以很方便地插入到渠道坡面土壤里面或者安装在渠道交叉建筑物上，实现了便携、可移动、无损检测的功能。

上述的，ZigBee子节点采集单元分别分布设在检测区域的多个检测点。

检测原理：首先，通过ZigBee子节点采集单元得到高填方渠道坡面的温度场和湿度场的梯度分布、GPS位移变形、渗流电流场；然后，将得到的温湿度变化值、GPS位移变化值和渗流电流变化值使用数据融合的方法得到最终的高填方渠道的渗流场分布情况。

图4中，12V蓄电池经过开关按键K1控制，再经过滤波电容C5、C6后和电压转换模块U3连接，U3输出电压约9V，然后再经过电感L1、电容C7、C9以及电阻R3、R4和输入电压转换模块U4连接，U4经过电容C8、C10后输出5V电压，为单片机的AD提供基准电压；LED灯和R5连接，为电源指示灯；另外，U4转换的5V电压通过电压转换模块U1得到约4.2V电压，其为GPRS模块供电；同时，U4转换的5V电压通过电压转换模块U2转换为3.3V电压，为ZigBee模块供电。电容C1、C2为3.3V的滤波电容；电容C3、C4和电阻R1、R2为3.3V的滤波电路；J1-J5为相应的电源插口，供整个系统使用。

图5中，实现了温湿度、GPS、以及渗漏的电流等信息的检测，并通过ZigBee发射天线无线传输到GPRS节点。U1为湿温度传感器，U2为ZigBee模块，U3为GPS模块，J1为功能扩展接口，主要做调试电路用，E1为ZigBee模块U2的发射天线，E2为GPS模块U2的天线。U1的DATA管脚和U2的P12相连，U1的SCK管脚和U2的P13相连，R1和5V电源相连，为U1的DATA管脚提供电源。U2的P02和P03管脚和U3的RXD0和TXD0管脚相连。U2的P00管脚的B点通过R2和地相连，A点和12V电源相连。A点的另一端和南水北调中线工程的渠道里面的水体相连。

图6中，实现了无线接收ZigBee子节点电路采集的信息，同时也进行了温湿度、GPS、以及渗漏的电流信息的检测，并由单片机进行数据处理，最后通过GPRS天线将处理的结果数据传输至监测中心，图中，U1为增强型的51单片机STC12c5a60s2，U2为湿温度传感器，U3为与单片机串口1相连的GPRS模块，U4为与单片机串口2相连的ZigBee模块，J1为功能扩展接口，主要做调试电路用；E1为GPRS模块U3的发射天线，E2为ZigBee模块U4的天线；U1的P2.5管脚和U2的DATA管脚相连，U1的P2.6管脚和U2的SCK管脚相连，R2和5V电源相连，为U2的DATA管脚提供电源。U1的P3.0和P3.1管脚和U3的RXD0和TXD0管脚相连。U1的P3.0和P3.1管脚和U3的RXD0和TXD0管脚相连；U1的P4.2和P4.3管脚和U4的RXD1和TXD1管脚相连；U4的7管脚的B点通过R3和地相连；A点和12V电源相连；A点的另一端和南水北调中线工程的渠道里面的水体相连。

本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种基于物联网的南水北调高填方段渗漏检测系统，其特征在于：包含与监测站相信号连接的ZigBee子节点采集单元、GPRS节点传输模块，电源模块，所述ZigBee子节点采集单元包含壳体及设于壳体内且与电源模块相连接的ZigBee模块、GPS模块、温湿度传感器模块、渗流电阻，GPS模块与ZigBee模块相通讯连接，渗流电阻和温湿度传感器模块相连接，温湿度传感器模块与ZigBee模块相通讯连接，GPS模块和ZigBee模块分别与GPRS节点传输模块相连接；GPRS节点传输模块包含处理ZigBee子节点采集单元数据的单片机及用于发送数据至监测站的GPRS天线，GPRS节点传输模块还包含有ZigBee模块、GPS模块、温湿度传感器模块、渗流电阻，GPRS节点传输模块中的GPS模块、ZigBee模块分别与单片机相连接，GPRS节点传输模块中的渗流电阻和GPRS节点传输模块中的温湿度传感器模块相连接，GPRS节点传输模块中的温湿度传感器模块与GPRS节点传输模块中的ZigBee模块相通讯连接；所述壳体为一端呈锥形尖部的金属保护壳。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的南水北调高填方段渗漏检测系统，其特征在于：所述单片机采用51单片机STC12c5a60s2芯片。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的南水北调高填方段渗漏检测系统，其特征在于：ZigBee子节点采集单元分别分布设在检测区域的多个检测点。