CN110650451B - 地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及响应灾难事件的报警器，具体为一种地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统及其使用方法。一种地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统，包括无线监测点(1)，其特征是：还包括预警点(2)和监测云(3)，无线监测点(1)包括传感器(11)、检测电路(12)、微处理器(13)、无线通信模块(14)和电源(15)；预警点(2)包括远程终端单元(21)、预警指示装置(22)和不间断电源(23)；各个无线通信模块(14)和预警点(2)的远程终端单元(21)或监测云(3)无线连接，远程终端单元(21)和监测云(3)无线连接。本发明环境适应性强，降低系统成本，监测自动化程度高。
Description
技术领域
本发明涉及响应灾难事件的报警器，具体为一种地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统及其使用方法。
背景技术
我国是一个地质灾害高发的国家，包括山体滑坡、崩塌、泥石流等多种灾害每年都造成巨大的经济与人员损失。近年来随着国家与企业的投入，自动化监测技术逐步在地灾防治中起到越来越大的作用，包括雨量、裂缝、山体形变等监测项目使得灾害预报成为可能。一般这些仪器均通过太阳能系统供电，然后通过有线的方式汇聚到现场的远程终端单元（即Remote Terminal Unit，简称RTU），再通过移动网络传输到相应的地灾监控平台。
然而，很多地灾多发地区全年光照条件较差，且地灾发生前往往伴有长时间的降水，太阳能系统容易发生馈电的情况，这样将导致仪器无法工作。同时，如果按照极端连续降雨情况配备太阳能电池，又会大幅增加成本，使得自动化监测方案无法得到大面积的推广。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，提供一种环境适应性强、降低系统成本、监测自动化程度高的警报设备，本发明公开了一种地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统及其使用方法。
本发明通过如下技术方案达到发明目的：
一种地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统，包括无线监测点，其特征是：还包括预警点和监测云，
无线监测点包括传感器、检测电路、微处理器、无线通信模块和电源，传感器、检测电路、微处理器和无线通信模块通过信号线依次连接，电源通过导线分别连接传感器、检测电路、微处理器和无线通信模块；
预警点包括远程终端单元、预警指示装置和不间断电源，远程终端单元通过信号线连接预警指示装置，不间断电源通过导线分别连接远程终端单元和预警指示装置；
各个无线监测点通过无线通信模块和预警点的远程终端单元或监测云无线连接，预警点的远程终端单元和监测云无线连接。
所述的地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统，其特征是：
无线通信模块和远程终端单元之间的无线连接选用LoRa无线传输协议，无线通信模块和监测云之间的无线连接选用NB-IoT无线传输协议，无线通信模块和智能移动终端之间的无线连接选用蓝牙无线传输协议，远程终端单元和监测云之间的无线连接选用LTE无线传输协议；
传感器包括测量降水量的水位传感器、测量岩石位移的加速度传感器、测量岩石裂缝的位移传感器和测量土壤温湿度的温湿度传感器等地质灾害监测传感器；
电源选用锂亚电池，电源内置电量管理模块；
预警指示装置包括告警扬声器和告警显示屏。
所述的地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统，其特征是：
无线通信模块包含远程通信模块和本地配置通信模块，所述的远程通信模块采用LoRa无限传输协议或NB-IoT无线传输协议以用于传输监测数据；所述的本地配置通信模块采用BLE无线传输协议以用于现场调试与配置；
检测电路包括数字电位计和比较器，数字电位计的分压抽头端连接到比较器的IN-端，各个传感器的输出电压信号（即V_Sense端）都输入到比较器的IN+端，比较器的OUT端连接到微处理器的中断输入引脚；
数字电位计的工作电流典型值为5μA/2.7V，比较器的工作电流最大值小于0.2μA/0.9～6V，数字电位计和比较器在启动后一直处于工作状态，微处理器在平时处于低功耗休眠状态，使检测电路的待机电流不大于5.2μA。
所述的地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统的使用方法，其特征是：按如下步骤依次实施：
① 配置监测云的平台账户、项目、设备等信息；
② 布置预警点的远程终端单元、预警指示装置和不间断电源，用智能移动终端（如手机）配置所连接的预警点的IP地址等参数，并查看预警点远程终端单元的状态；
③ 布置无线监测点的传感器、检测电路、微处理器、无线通信模块和电源；
④ 用智能移动终端通过蓝牙（采用BLE4.0协议）唤醒现场的无线监测点，然后进行调试，配置阈值、上传采样率、所需连接的远程终端单元的编号或IP地址等参数；
⑤ 现场的无线监测点经调试后，默认每小时采样一次数据并上传至远程终端单元或监测云（采样率可修改），若超过所设阈值，则立刻触发一次报警，并提升采样率至每十分钟一次；
⑥ 远程终端单元或监测云接收到无线监测点的报警信号后，触发内置的分析程序，通过远程终端单元驱动预警指示装置，显示或播报相应报警信息；
⑦ 报警时，远程终端单元或监测云通知同一监测区域的所有无线监测点进行加密采样；
⑧ 监测云根据报警等级，通过电子邮件、短信等形式通知用户。
5. 如权利要求4所述的地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统的使用方法，其特征是：
步骤②时：远程终端单元的状态包括SIM卡状态、信号状态、拨号上网状态、电池电量情况、与监测云的连接情况、与本地无线监测点或预警点的连接情况等，这些状态主要帮助用户调试远程终端单元，确保正常工作；
步骤⑤时：
检测电路包括数字电位计和比较器，数字电位计的分压抽头端连接到比较器的IN-端，各个传感器的输出电压信号（即V_Sense端）都输入到比较器的IN+端，比较器的OUT端连接到微处理器的中断输入引脚；
从监测云下发适当的触发门限参数给各个无线监测点，无线监测点通过微处理器的SPI接口将接收到的触发门限参数写入数字电位计，将数字电位计的分压端输出调整到预设参数值后再输入到比较器的IN-端；各个传感器输出电压信号直接输入到比较器的IN+端，当IN+端的电压低于IN-端的电压时，比较器的OUT端向微处理器输出低电平，微处理器处于休眠状态，当IN+端的电压高于IN-端的电压时，比较器的OUT端向微处理器输出高电平，使微处理器产生中断并唤醒微处理器，随后微处理器触发一次报警。
本发明提出了一种无线低功耗传感网方案，既满足预警的实时性要求，又克服了现场关照条件不足的困难，同时可以大幅降低系统的综合成本，从而进一步增强自动化监测技术在地灾预防中的作用，提升人民生命与财产的安全系数。
本发明的系统自下而上分为三个层次：地灾监测点、预警点与云端应用层。
本发明中，无线监测点设立在具体地灾发生处（如山体裂缝处），无线监测点部署各类无线监测仪器，无线监测点通过特殊硬件设计，实现极低的功耗（休眠状态下小于0.1mW），同时无线传输方面则采用如LoRa、NB-IoT（在有运营商信号覆盖的区域）等广域窄带通讯方式。因此无线监测点(1)只需配备一定容量的锂亚电池（年自放电电流小于1%，储存寿命达10年以上），就可以工作5到10年，从而满足光照不足区域长期监测的要求。具体地，无线监测点中电源为各模块提供电源，同时微处理器可通过I2C或其他接口获取电源状态，在低电量时可以发出报警。传感器负责采集监测点位的某一种或多种环境物理量，包括雨量、加速度（崩塌）、裂缝、土壤含水量等，值得注意的是，在选取传感器(11)的时候应当选用低功耗的器件。检测电路会根据微处理器设置的阈值检测传感器的输出，若超过阈值，产生一个中断信号给微处理器，微处理器收到中断信号后，启动无线通信模块，上报采集数据。
预警点一般设立在居民聚集处（一般距离无线监测点不超过5km），可以与灯杆或电线杆合用市电与安装位置，现场配有远程终端单元，可以接收LoRa无线信号传输的无线监测点的数据，并控制现场的预警指示装置（包括告警扬声器、告警显示屏等）。
监测云应用层汇总所有监测数据，包括从远程终端单元传输过来的数据，以及通过NB-IoT无线信号直接从无线监测点采集过来的数据。若监测云监测到异常报警，可通过MQTT、TCP等协议反向通知远程终端单元，触发现场预警指示装置。
本发明具有如下有益效果：
1. 便捷性：大幅简化管线、电源等物料的采购与布置施工工作，降低施工成本，提升效率；
2. 高可靠性：避免光照不足，太阳能系统失效的问题，可通过电池容量的不同配置，实现5年以上的长期监测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中无线监测点的结构示意图；
图3是本发明中检测电路的电路图。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
一种地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统，包括无线监测点1、预警点2和监测云3，如图1～图3所示，具体结构是：
无线监测点1如图2所示：无线监测点1包括传感器11、检测电路12、微处理器13、无线通信模块14和电源15，传感器11、检测电路12、微处理器13和无线通信模块14通过信号线依次连接，电源15通过导线分别连接传感器11、检测电路12、微处理器13和无线通信模块14；
预警点2包括远程终端单元21、预警指示装置22和不间断电源23，远程终端单元21通过信号线连接预警指示装置22，不间断电源23通过导线分别连接远程终端单元21和预警指示装置22；
各个无线监测点1通过无线通信模块14和预警点2的远程终端单元21或监测云3无线连接，预警点2的远程终端单元21和监测云3无线连接。
本实施例中：
无线通信模块14和远程终端单元21之间的无线连接选用LoRa无线传输协议，无线通信模块14和监测云3之间的无线连接选用NB-IoT无线传输协议，无线通信模块14和智能移动终端之间的无线连接选用蓝牙无线传输协议，远程终端单元21和监测云3之间的无线连接选用LTE无线传输协议；
传感器11包括测量降水量的水位传感器、测量岩石位移的加速度传感器、测量岩石裂缝的位移传感器和测量土壤温湿度的温湿度传感器等地质灾害监测传感器；
电源15选用锂亚电池，电源15内置电量管理模块；
预警指示装置22包括告警扬声器和告警显示屏；
无线通信模块14包含远程通信模块和本地配置通信模块，所述的远程通信模块采用LoRa无限传输协议或NB-IoT无线传输协议以用于传输监测数据；所述的本地配置通信模块采用BLE无线传输协议以用于现场调试与配置；
检测电路12如图3所示：检测电路12包括数字电位计121和比较器122，数字电位计121的分压抽头端连接到比较器122的IN-端，各个传感器11的输出电压信号（即V_Sense端）都输入到比较器122的IN+端，比较器122的OUT端连接到微处理器13的中断输入引脚；
数字电位计121选用TPL0501-100DCN型，比较器122选用TLV3691IDPF型，数字电位计121的工作电流典型值为5μA/2.7V，比较器122的工作电流最大值小于0.2μA/0.9～6V，数字电位计121和比较器122在启动后一直处于工作状态，微处理器13在平时处于低功耗休眠状态，使检测电路12的待机电流不大于5.2μA。
本实施例使用时，按如下步骤依次实施：
① 配置监测云3的平台账户、项目、设备等信息；
② 布置预警点2的远程终端单元21、预警指示装置22和不间断电源23，用智能移动终端（如手机）配置所连接的预警点2的IP地址等参数，并查看预警点2远程终端单元21的状态；
远程终端单元21的状态包括SIM卡状态、信号状态、拨号上网状态、电池电量情况、与监测云3的连接情况、与本地无线监测点1或预警点2的连接情况等，这些状态主要帮助用户调试远程终端单元21，确保正常工作；
③ 布置无线监测点1的传感器11、检测电路12、微处理器13、无线通信模块14和电源15；
④ 用智能移动终端通过蓝牙（采用BLE4.0协议）唤醒现场的无线监测点1，然后进行调试，配置阈值、上传采样率、所需连接的远程终端单元21的编号或IP地址等参数；
⑤ 现场的无线监测点1经调试后，默认每小时采样一次数据并上传至远程终端单元21或监测云3（采样率可修改），若超过所设阈值，则立刻触发一次报警，并提升采样率至每十分钟一次；
具体地说：从监测云3下发适当的触发门限参数给各个无线监测点1，无线监测点1通过微处理器13的SPI接口将接收到的触发门限参数写入数字电位计121，将数字电位计121的分压端输出调整到预设参数值后再输入到比较器122的IN-端；各个传感器11输出电压信号直接输入到比较器122的IN+端，当IN+端的电压低于IN-端的电压时，比较器122的OUT端向微处理器13输出低电平，微处理器13处于休眠状态，当IN+端的电压高于IN-端的电压时，比较器122的OUT端向微处理器13输出高电平，使微处理器13产生中断并唤醒微处理器13，随后微处理器13触发一次报警；
⑥ 远程终端单元21或监测云3接收到无线监测点1的报警信号后，触发内置的分析程序，通过远程终端单元21驱动预警指示装置22，显示或播报相应报警信息；
⑦ 报警时，远程终端单元21或监测云3通知同一监测区域的所有无线监测点1进行加密采样；
⑧ 监测云3根据报警等级，通过电子邮件、短信等形式通知用户4。
本实施例提出了一种无线低功耗传感网方案，既满足预警的实时性要求，又克服了现场关照条件不足的困难，同时可以大幅降低系统的综合成本，从而进一步增强自动化监测技术在地灾预防中的作用，提升人民生命与财产的安全系数。
本实施例的系统自下而上分为三个层次：地灾监测点、预警点与云端应用层。
本实施例中，无线监测点1设立在具体地灾发生处（如山体裂缝处），无线监测点1部署各类无线监测仪器，无线监测点1通过特殊硬件设计，实现极低的功耗（休眠状态下小于0.1mW），同时无线传输方面则采用如LoRa、NB-IoT（在有运营商信号覆盖的区域）等广域窄带通讯方式。因此无线监测点1只需配备一定容量的锂亚电池（年自放电电流小于1%，储存寿命达10年以上），就可以工作5到10年，从而满足光照不足区域长期监测的要求。具体地，无线监测点1硬件架构如图2所示，无线监测点1中电源15为各模块提供电源，同时微处理器13可通过I2C或其他接口获取电源15状态，在低电量时可以发出报警。传感器11负责采集监测点位的某一种或多种环境物理量，包括雨量、加速度（崩塌）、裂缝、土壤含水量等，值得注意的是，在选取传感器11的时候应当选用低功耗的器件。检测电路12会根据微处理器13设置的阈值检测传感器11的输出，若超过阈值，产生一个中断信号给微处理器13，微处理器13收到中断信号后，启动无线通信模块14，上报采集数据。
预警点2一般设立在居民聚集处（一般距离无线监测点不超过5km），可以与灯杆或电线杆合用市电与安装位置，现场配有远程终端单元21，可以接收LoRa无线信号传输的无线监测点1的数据，并控制现场的预警指示装置22（包括告警扬声器、告警显示屏等）。
监测云3应用层汇总所有监测数据，包括从远程终端单元21传输过来的数据，以及通过NB-IoT无线信号直接从无线监测点1采集过来的数据。若监测云3监测到异常报警，可通过MQTT、TCP等协议反向通知远程终端单元21，触发现场预警指示装置22。
Claims (5)
1.一种地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统，包括无线监测点(1)，其特征是：还包括预警点(2)和监测云(3)，
无线监测点(1)包括传感器(11)、检测电路(12)、微处理器(13)、无线通信模块(14)和电源(15)，传感器(11)、检测电路(12)、微处理器(13)和无线通信模块(14)通过信号线依次连接，电源(15)通过导线分别连接传感器(11)、检测电路(12)、微处理器(13)和无线通信模块(14)；
预警点(2)包括远程终端单元(21)、预警指示装置(22)和不间断电源(23)，远程终端单元(21)通过信号线连接预警指示装置(22)，不间断电源(23)通过导线分别连接远程终端单元(21)和预警指示装置(22)；
各个无线监测点(1)通过无线通信模块(14)和预警点(2)的远程终端单元(21)或监测云(3)无线连接，预警点(2)的远程终端单元(21)和监测云(3)无线连接；
检测电路(12)包括数字电位计(121)和比较器(122)，数字电位计(121)的分压抽头端连接到比较器(122)的IN-端，各个传感器(11)的输出电压信号都输入到比较器(122)的IN+端，比较器(122)的OUT端连接到微处理器(13)的中断输入引脚；
数字电位计(121)的工作电流典型值为5μA/2.7V，比较器(122)的工作电流最大值小于0.2μA/0.9～6V，数字电位计(121)和比较器(122)在启动后一直处于工作状态，微处理器(13)在平时处于低功耗休眠状态，使检测电路(12)的待机电流不大于5.2μA；
其中，无线监测点(1)能够根据远程终端单元(21)或监测云(3)的通知提高采样率。
2.如权利要求1所述的地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统，其特征是：无线通信模块(14)和远程终端单元(21)之间的无线连接选用LoRa无线传输协议，无线通信模块(14)和监测云(3)之间的无线连接选用NB-IoT无线传输协议，无线通信模块(14)和智能移动终端之间的无线连接选用蓝牙无线传输协议，远程终端单元(21)和监测云(3)之间的无线连接选用LTE无线传输协议；
传感器(11)包括测量降水量的水位传感器、测量岩石位移的加速度传感器、测量岩石裂缝的位移传感器和测量土壤温湿度的温湿度传感器；
电源(15)选用锂亚电池，电源(15)内置电量管理模块；
预警指示装置(22)包括告警扬声器和告警显示屏。
3.如权利要求2所述的地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统，其特征是：无线通信模块(14)包含远程通信模块和本地配置通信模块，所述的远程通信模块采用LoRa无限传输协议或NB-IoT无线传输协议以用于传输监测数据；所述的本地配置通信模块采用BLE无线传输协议以用于现场调试与配置。
4.如权利要求1至3中任意一项所述的地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统的使用方法，其特征是：
按如下步骤依次实施：
①配置监测云(3)的平台账户、项目、设备信息；
②布置预警点(2)的远程终端单元(21)、预警指示装置(22)和不间断电源(23)，用智能移动终端配置所连接的预警点(2)的IP地址参数，并查看预警点(2)远程终端单元(21)的状态；
③布置无线监测点(1)的传感器(11)、检测电路(12)、微处理器(13)、无线通信模块(14)和电源(15)；
④用智能移动终端通过蓝牙唤醒现场的无线监测点(1)，然后进行调试，配置阈值、上传采样率、所需连接的远程终端单元(21)的编号或IP地址参数；
⑤现场的无线监测点(1)经调试后，默认每小时采样一次数据并上传至远程终端单元(21)或监测云(3)，若超过所设阈值，则立刻触发一次报警，并提升采样率至每十分钟一次；
⑥远程终端单元(21)或监测云(3)接收到无线监测点(1)的报警信号后，触发内置的分析程序，通过远程终端单元(21)驱动预警指示装置(22)，显示或播报相应报警信息；
⑦报警时，远程终端单元(21)或监测云(3)通知同一监测区域的所有无线监测点(1)提高采样率；
⑧监测云(3)根据报警等级，通过电子邮件、短信通知用户(4)。
5.如权利要求4所述的地质灾害预警的无线低功耗传感网络系统的使用方法，其特征是：
步骤②时：远程终端单元(21)的状态包括SIM卡状态、信号状态、拨号上网状态、电池电量情况、与监测云(3)的连接情况、与本地无线监测点(1)或预警点(2)的连接情况；
步骤⑤时：
检测电路(12)包括数字电位计(121)和比较器(122)，数字电位计(121)的分压抽头端连接到比较器(122)的IN-端，各个传感器(11)的输出电压信号都输入到比较器(122)的IN+端，比较器(122)的OUT端连接到微处理器(13)的中断输入引脚；
从监测云(3)下发适当的触发门限参数给各个无线监测点(1)，无线监测点(1)通过微处理器(13)的SPI接口将接收到的触发门限参数写入数字电位计(121)，将数字电位计(121)的分压端输出调整到预设参数值后再输入到比较器(122)的IN-端；各个传感器(11)输出电压信号直接输入到比较器(122)的IN+端，当IN+端的电压低于IN-端的电压时，比较器(122)的OUT端向微处理器(13)输出低电平，微处理器(13)处于休眠状态，当IN+端的电压高于IN-端的电压时，比较器(122)的OUT端向微处理器(13)输出高电平，使微处理器(13)产生中断并唤醒微处理器(13)，随后微处理器(13)触发一次报警。
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