CN104574832A - 一种无线传感器网络地质灾害监测预警系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线传感器网络地质灾害监测预警系统和方法，包括传感器数据采集节点、传感器数据汇聚网关以及数据处理服务器：所述传感器数据采集节点包括传感器模块、数据监测模块、节点无线收发模块以及电源管理模块；所述传感器数据汇聚网关包括网关无线收发模块、数据处理模块、命令解析模块、系统监控模块、网关移动通信模块以及电源管理模块；所述数据处理服务器包括服务器移动通信模块、数据库、数据处理后台、网页可视化平台、短信推送平台及手机app平台。本发明还提供一种无线传感器网络地质灾害监测预警方法。本发明利用多源数据融合技术，使监测与预警的衔接更合理、科学，提高了对于监测任务的预警预报能力、可靠性及准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种预警系统和方法，特别是一种地质灾害监测预警系统和方法。
背景技术
目前，我国地质灾害复杂多样,灾害频繁,是世界上地质灾害最严重的国家之一。近年来,关于滑坡、泥石流类灾害的研究是行业研究的重点。其中单一传感器已经很广泛的运用与地质灾害监测和矿山监测，但其总体投入费用、维护费用太高；而且单传感器的预警效果不是十分理想。
发明内容
为了克服现有技术中的缺陷，解决上述技术问题，本发明提供一种实用经济的无线传感器网络地质灾害监测预警系统和方法。
本发明提供一种无线传感器网络地质灾害监测预警系统，包括传感器数据采集节点、传感器数据汇聚网关以及数据处理服务器，所述传感器数据采集节点均通过无线网络与传感器数据汇聚网关相连接。
所述传感器数据采集节点包括传感器模块、数据监测模块、节点无线收发模块以及电源管理模块，所述数据监测模块包括微处理器以及储存器。
所述传感器模块包括斜率传感器、加速度传感器、温度传感器以及拓展传感器。
所述传感器数据汇聚网关包括网关无线收发模块、数据处理模块、命令解析模块、系统监控模块、网关移动通信模块以及电源管理模块。
所述数据处理服务器包括服务器移动通信模块、数据库、数据处理后台、网页可视化平台、短信推送平台及手机app平台。
一种无线传感器网络地质灾害监测预警方法，其特征在于，包括：
传感器模块采集数据；
数据监测模块整合及筛选所述采集数据；
节点无线收发模块与网关无线收发模块通信，向传感器数据汇聚网关传输由所述数据监测模块上传的数据以及接收网关控制命令；
网关无线收发模块汇集网络中所有节点的数据，以及负责与数据处理模块、命令解析模块以及系统监控模块进行命令接收或传输数据；
数据处理模块、命令解析模块以及系统监控模块将处理或得到的数据经网关移动通信模块与服务器移动通信模块的通信上传至数据库；
传感器数据处理服务器通过实时监听IP端口，接收所述网关移动通信模块的数据，将数据储存数据库中，并进行相关的数据预处理，同时根据需要进行命令控制操作，将命令传输给所述传感器数据汇聚网关，并可通过所述传感器数据汇聚网关向所述传感器数据采集节点发出控制命令，经数据预处理后生成相应的决策和估计，若超过系统设定的预警阀值，网页可视化平台、短信推送平台及手机app平台自动发布实时预警预报信号。
所述节点无线收发模块还与其他节点进行通信，交换控制消息和收发采集数据。
所述预警阀值在系统初始状态为预设值，在系统监测过程中，所述预警阈值可由历史监测数据根据算法自动调整。
所述数据处理模块将网关无线收发模块接收的数据转换成网络协议发送至网关移动通信模块；所述命令解析模块可以解析网关移动通信模块接收的来自传感器数据处理服务器的命令，并做出对应的操作；所述系统监控模块对传感器数据采集节点进行监控，调整网络情况以及向服务器发送调整信息。
本发明的有益效果：
本发明在同一个监测节点上，配置了多源传感器，实现系统的高度整合。通过硬件融合设计与测试，各传感器之间协同工作；然后利用系统配套软件进行数据分析、可视化处理，最终通过网络服务将信息发布至客户终端，从而达成监测预警的目标。本发明采用多跳式自组织网络，因此自愈性强，意味着数据的失效率和丢失率几乎为零。本发明采用内接模块、外接模块的分层设计，可在很小的系统节点盒管理数种物理量、几十个信号量。因此系统的扩展性能好，适用范围广。本发明利用多源数据融合技术，使监测与预警的衔接更合理、科学。提高了对于监测任务的预警预报能力、可靠性、及准确性。
附图说明
图1为一种无线传感器网络地质灾害监测预警系统示意图
图2为一种无线传感器网络地质灾害监测预警方法流程图
具体实施方式
下文将结合附图详细描述本发明的实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，他们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
如图1所示，本发明提供一种无线传感器网络地质灾害监测预警系统，包括传感器数据采集节点100、传感器数据汇聚网关200以及数据处理服务器300，所述传感器数据采集节点100均通过无线网络与传感器数据汇聚网关200相连接。
所述传感器数据采集节点100包括传感器模块101、数据监测模块102、节点无线收发模块103以及电源管理模块104，所述数据监测模块102包括微处理器以及储存器。
所述传感器模块101包括斜率传感器、加速度传感器、温度传感器以及拓展传感器。
所述传感器数据汇聚网关200包括网关无线收发模块201、数据处理模块202、命令解析模块203、系统监控模块204、网关移动通信模块205以及电源管理模块206。
所述数据处理服务器300包括服务器移动通信模块301、数据库302、数据处理后台303、网页可视化平台304、短信推送平台307及手机app平台308。
如图2所示，一种无线传感器网络地质灾害监测预警方法，其特征在于，包括：
传感器模块101采集数据；
数据监测模块102整合及筛选所述采集数据；
节点无线收发模块103与网关无线收发模块201通信，向传感器数据汇聚网关200传输由所述数据监测模块102上传的数据以及接收网关控制命令；
网关无线收发模块201汇集网络中所有节点的数据，以及负责与数据处理模块202、命令解析模块203以及系统监控模块204进行命令接收或传输数据；
数据处理模块202、命令解析模块203以及系统监控模块204将处理或得到的数据经网关移动通信模块205与服务器移动通信模块301的通信上传至数据库302；
传感器数据处理服务器300通过实时监听IP端口，接收所述网关移动通信模块205的数据，将数据储存数据库302中，并进行相关的数据预处理，同时根据需要进行命令控制操作，将命令传输给所述传感器数据汇聚网关200，并可通过所述传感器数据汇聚网关200向所述传感器数据采集节点100发出控制命令，经数据预处理后生成相应的决策和估计，若超过系统设定的预警阀值，网页可视化平台304、短信推送平台307及手机app平台308自动发布实时预警预报信号。
所述节点无线收发模块103还与其他节点进行通信，交换控制消息和收发采集数据。
所述预警阀值在系统初始状态为预设值，在系统监测过程中，所述预警阈值可由历史监测数据根据算法自动调整。
所述数据处理模块202将网关无线收发模块201接收的数据转换成网络协议发送至网关移动通信模块205；所述命令解析模块203可以解析网关移动通信模块205接收的来自传感器数据处理服务器300的命令，并做出对应的操作；所述系统监控模块204对传感器数据采集节点100进行监控，调整网络情况以及向服务器发送调整信息。
具体实施例
一：背景
杭州凤凰创意园坐落在转塘凤凰山脚下，其前身是转塘双流水泥厂，建于上世纪70年代已关停近10年。现在，老厂房变身成了时尚的LOFT，起名为“凤凰·创意国际园”重新得到开发和利用，引来众多企业入驻，为杭州的经济建设注入了一份新力量。但园区四面环山，地势较低，且杭州阴雨天气较多，所处山体遭到开发破坏，属于地质灾害敏感地带，对园区的环境造成着潜在的威胁。
二：系统概述
在凤凰创意园在园区存在潜在威胁的地带一共布了6个节点，一个PM2.5传感器，一个雨量计。每个节点能够采集地表位移，加速度，倾角，温湿度等地质环境信息。
1：信息采集
信息采集指地质灾害监测数据的采集，该监测终端配备了多种传感器，可实时的对地表位移、大气压强、雨量、加速度、倾角及地表温湿度进行监测。各种智能传感器负责采集灾变体在时空域的变形信息和诱发因素信息，传感器根据灾变体所需的信息进行选择，针对创意园区的地形、地质等特点，采集终端使用的传感器主要包括：
三轴加速度传感器：对地质体进行微分辨率上动态监测，可以获取高精度的动态响应(1mm/s2)。
温湿度传感器：监测地表温湿度的变化。
雨量计：降雨是引发地质灾害的一大主要因素，灾变点的实际降雨量是地质灾害监测预警的必备内容。雨量计表征值可以与孔隙水压、地下水位表征值建立数学相关模型。
位移传感器：位移计可以直观的监测裂缝的变化，精度达到0.01mm，带温度补偿，能监测到裂缝的细微变化，同时位移计也是滑坡的辅助监测传感器。
倾角传感器：主要应用于滑坡的监测，可以测量二维的角度变化，精确到0.01度，带温度补偿。可以直观的监测滑坡各个位置的细微变化，对滑坡的预警提供准确数据。
拓展传感器：孔隙水压计、地下水位计，是地表下监测信息，是导致地质灾害发生的诱导因素的表征物理量。此类型传感器需要在目标体施工钻孔、沿钻孔埋设，可以观测深部信息，对滑坡预警提供准确数据。
空气质量传感器/PM2.5：监测PM2.5。
以上传感器中，三轴加速度、温湿度、倾角等为微型传感器；位移、雨量与PM2.5采用常规传感器产品。在采集端集成了上述所有微型传感器、位移传感器，数据采集模块统一发送数据给中心，雨量计和空气质量传感器独立发送数据给中心平台。
2：通信网络
由于地质灾害监测所处的地质环境一般都比较恶劣，无法布置有线的信息采集终端，本系统使用了无线传感网络，无线传感器网络是由部署在监测区域内大量节点无线收发模块103组成，以无线通信方式形成的一个多跳自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内监测对象的信息，并发送给传感器数据处理服务器300。基于此，系统建立基于XBee-PRO的digimesh无线传感器网络，选用Max Stream公司与ZigBee兼容的以Freescale MC13193芯片为核心的XBee-PRO模块，设计传感器数据采集节点100，组建了一个合理有效的数字化、信息化、智能化的地质灾害监测系统。此系统的应用于地质灾害监测中，提高了监测数据的准确性、稳定性和可靠性。无线传感器网络中的节点所述电源管理模块104采用太阳能蓄电池供电，对于在外部环境的节点来说，对蓄电池的更换是非常困难，所以减少节点的功耗延长其工作寿命成为无线传感器网络软硬件设计中的核心问题，因此，系统中的无线网络应用了digimesh网络协议中的同睡同醒策略，使得节点的能量损耗大大降低，通过软硬件的有力结合，可以使得节点的使用寿命达到2-3年。在整个系统中，传感器数据汇聚网关200处于传感器数据采集节点100的上层，是节点无线收发模块103的数据出口。传感器数据汇聚网关200主要完成接收传感器数据采集节点100的数据，并根据实际需要对数据进行再处理以及通过不同的传输方式与数据处理服务器300进行通信。网关采用CDMA的传输方式与数据处理服务器300进行通信。
3：数据处理服务器300
数据处理服务器300作为系统控制和管理的核心，负责将从传感器数据采集节点100接收到的数据进行存储、处理、分析、统计、显示，并根据实际需要对监测目标的状态进行查询、监测等。我方将设计一种合理、可行、有效的数据信息管理系统，数据处理服务器300由数据库302、数据处理后台303和WEBGIS平台组成。
3.1：数据库302
数据库302用来存储所有监测点的数据信息，监测数据包括地表位移、雨量、加速度、倾角、温湿度及空气质量的监测数据。
3.2：WEBGIS平台
终端产品提供基于WEBGIS技术的地理空间信息数据库，使监测及管理能通过计算机图形操作界面，对整个监测覆盖区的地质灾害情况进行直观的了解。提供基础地质信息、地质灾害隐患点基础信息录入、查询、维护等功能，并以网络图形化的方式进行展现，便于灾前、灾时的监测、巡防、应急、求援等工作的开展。通过内部Web方式，发布经专业人员确认的地质灾害隐患点的监测信息，预报预警信息。通过公网Web方式，利用网页可视化平台304以及短信推送平台307自动发布大众需要知情的地质体健康状态以及空气质量状态。
本发明在同一个监测节点上，配置了多源传感器，实现系统的高度整合。通过硬件融合设计与测试，各传感器之间协同工作；然后利用系统配套软件进行数据分析、可视化处理，最终通过网络服务将信息发布至客户终端，从而达成监测预警的目标。本发明采用多跳式自组织网络，因此自愈性强，意味着数据的失效率和丢失率几乎为零。本发明采用内接模块、外接模块的分层设计，可在很小的系统节点盒管理数种物理量、几十个信号量。因此系统的扩展性能好，适用范围广。所述预警阀值在系统初始状态为预设值，可在系统监测过程中，由历史监测数据根据算法自动调整。本发明利用多源数据融合技术，使监测与预警的衔接更合理、科学。提高了对于监测任务的预警预报能力、可靠性、及准确性。
本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (9)
1.一种无线传感器网络地质灾害监测预警系统，其特征在于，包括传感器数据采集节点(100)、传感器数据汇聚网关(200)以及数据处理服务器(300)，所述传感器数据采集节点(100)均通过无线网络与传感器数据汇聚网关(200)相连接。
2.如权利要求1所述的一种无线传感器网络地质灾害监测预警系统，其特征在于，所述传感器数据采集节点(100)包括传感器模块(101)、数据监测模块(102)、节点无线收发模块(103)以及电源管理模块(104)，所述数据监测模块(102)包括微处理器以及储存器。
3.如权利要求2所述的一种无线传感器网络地质灾害监测预警系统，其特征在于，所述传感器模块(101)包括斜率传感器、加速度传感器、温度传感器以及拓展传感器。
4.如权利要求1所述的一种无线传感器网络地质灾害监测预警系统，其特征在于，所述传感器数据汇聚网关(200)包括网关无线收发模块(201)、数据处理模块(202)、命令解析模块(203)、系统监控模块(204)、网关移动通信模块(205)以及电源管理模块(206)。
5.如权利要求1所述的一种无线传感器网络地质灾害监测预警系统，其特征在于，所述数据处理服务器(300)包括服务器移动通信模块(301)、数据库(302)、数据处理后台(303)、网页可视化平台(304)、短信推送平台(307)及手机app平台(308)。
6.一种无线传感器网络地质灾害监测预警方法，其特征在于，包括：
传感器模块(101)采集数据；
数据监测模块(102)整合及筛选所述采集数据；
节点无线收发模块(103)与网关无线收发模块(201)通信，向传感器数据汇聚网关(200)传输由所述数据监测模块(102)上传的数据以及接收网关控制命令；
网关无线收发模块(201)汇集网络中所有节点的数据，以及负责与数据处理模块(202)、命令解析模块(203)以及系统监控模块(204)进行命令接收或传输数据；
数据处理模块(202)、命令解析模块(203)以及系统监控模块(204)将处理或得到的数据经网关移动通信模块(205)与服务器移动通信模块(301)的通信上传至数据库(302)；
传感器数据处理服务器(300)通过实时监听IP端口，接收所述网关移动通信模块(205)的数据，将数据储存数据库(302)中，并进行相关的数据预处理，同时根据需要进行命令控制操作，将命令传输给所述传感器数据汇聚网关(200)，并可通过所述传感器数据汇聚网关(200)向所述传感器数据采集节点(100)发出控制命令，经数据预处理后生成相应的决策和估计，若超过系统设定的预警阀值，网页可视化平台(304)、短信推送平台(307)及手机app平台(308)自动发布实时预警预报信号。
7.如权利要求6所述的一种无线传感器网络地质灾害监测预警方法，其特征在于，所述节点无线收发模块(103)还与其他节点进行通信，交换控制消息和收发采集数据。
8.如权利要求6所述的一种无线传感器网络地质灾害监测预警方法，其特征在于，所述预警阀值在系统初始状态为预设值，在系统监测过程中，所述预警阈值可由历史监测数据根据算法自动调整。
9.如权利要求6所述的一种无线传感器网络地质灾害监测预警方法，其特征在于，所述数据处理模块(202)将网关无线收发模块(201)接收的数据转换成网络协议发送至网关移动通信模块(205)；所述命令解析模块(203)可以解析网关移动通信模块(205)接收的来自传感器数据处理服务器(300)的命令，并做出对应的操作；所述系统监控模块(204)对传感器数据采集节点(100)进行监控，调整网络情况以及向服务器发送调整信息。
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