CN110689688A - 基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明旨在为无网络信号覆盖区的铁路沿线，提供了一种基于北斗通讯的无人值守的滑坡实时监测方案。该系统由监测网络、主站、监控平台、移动终端组成，其中主站和监测网络都配备了太阳能供电模块。各监测网络，基于LoRa(Long Range Radio，远距离无线电)构建传感网络，用于监测滑坡体特征指标：雨量、振动、位移和地压；各主站通过LoRa接收来自监测网络的采集数据，并通过北斗卫星短报文通讯方式传输至监控平台；监控平台负责处理、存储数据和预/报警决策，并将处理后的数据传输至移动终端，将预/报警决策结果传输至相应主站，再经主站传输至对应监测网络，实现预/报警。

Description

基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统

技术领域

本发明涉及一种基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统，属于物联网技术领域。

背景技术

铁路是中国国民经济的一条大动脉，是一种快捷又经济的交通与运输方式，确保铁路运行的安全尤为重要。

早在1980年，中国成昆铁路铁西车站即发生过一场堪称中国铁路史上最严重的滑坡灾害“铁西滑坡”。滑坡导致铁路被掩埋长达160米，中断行车40天，造成的经济损失仅工程治理费就达2300万元。然而，铁路线路上滑坡易发区域往往是无人居住区和无通讯网络覆盖区域，具有难发现、难判断和难预警等特点，导致滑坡发生后极难对其快速做出反应。而如今，铁路干线通车频率较高，一旦滑坡发生，极有可能造成重大损失，甚至危害乘客及铁路工作人员生命安全。因此，引入铁路沿线滑坡监测能极大增强铁路运行安全的保障。

发明内容

本发明提供了一种基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统，解决了无法实现对铁路沿线滑坡的实时预警/报警的技术问题，为保障铁路安全运营提供了有效的手段和方法。

为实现上述目的，本发明专利的技术方案为：

一种基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统，包括监测网络、主站、监控平台和移动终端，监测网络与主站一一对应，每个监测网络将一块区域的滑坡体特征指标通过主站传输至监控平台，监控平台再传输至移动终端。

优选地，所述监测网络由若干分站组成，负责监测滑坡体特征指标：雨量、振动、位移和地压，并通过LoRa(Long Range Radio，远距离无线电)将采集到的滑坡体特征指标数据无线传输至主站。

优选地，其中分站由传感器模块、MCU(微控制单元)分站主控系统、LoRa、预警/报警器模块、电源管理模块及太阳能供电模块组成。

优选地，其中分站中传感器模块由振动传感器、拉绳式位移传感器、地压传感器以及雨量传感器组成，所述振动传感器、拉绳式位移传感器、地压传感器以及雨量传感器分别监测滑坡体振动特征指标、位移特征指标、地压特征指标以及雨量特征指标。

优选地，其中分站中MCU分站主控系统控制传感器模块监测滑坡体信息，控制LoRa的收、发特征指标数据以及控制LoRa的组网策略，并转发预/报警决策结果至预警/报警器模块。

上述的组网策略根据LoRa远距离可互相稳定通讯的功能，使监测网络中每个分站都可成为通讯节点，传输来自其他分站采集到的滑坡体特征指标数据或本身传感器模块采集到的特征指标数据，同时临近主站的分站还可与主站通讯，扩展了监测网络的监测范围和与主站的通讯距离，使主站可远离滑坡体，即使滑坡发生也不受影响。

优选地，其中分站中LoRa将分站监测到的滑坡体特征指标传输至主站，同时接收主站传来的预/报警决策结果。

优选地，其中分站中预警/报警器模块由广播、警灯、警笛、驱动模块、MCU报警主控系统及太阳能供电模块组成，由MCU报警主控系统接收来自MCU分站主控系统转发的预/报警决策结果，并根据结果控制广播、警灯和警笛进行声、光预/报警，所述太阳能供电模块中太阳能电池经稳压电路之后输出5V和12V电压分别给MCU报警主控系统和驱动模块供电，驱动模块又分别给广播、警灯和警笛供电。

优选地，其中分站中电源管理模块负责优化传感器模块、LoRa、预警/报警器模块的耗电量，使分站更节能。

优选地，其中分站中太阳能供电模块为分站提供电能，由稳压电路、太阳能电池组成，稳压电路将太阳能电池输出电压稳定在5V，为MCU分站主控系统供电，MCU分站主控系统为传感器模块和LoRa供电，使分站可长期在野外无人值守的工作。

优选地，所述主站由北斗系统一、太阳能供电模块和LoRa组成，负责接收来自监测网络采集的滑坡体特征指标数据，并使用北斗卫星短报文通讯技术，通过卫星将特征指标数据实时传输至远程监控平台。

优选地，其中主站中北斗系统一由北斗模块和MCU主站主控系统组成，MCU主站主控系统控制LoRa接收来自监测网络采集的滑坡体特征指标数据，并转发至北斗模块，再由北斗模块发送特征指标数据至监控平台，同时北斗模块接收监控平台的预/报警决策结果。

优选地，其中主站中LoRa负责接收来自监测网络采集的滑坡体特征指标数据和转发预/报警决策结果至监测网络，受MCU主站主控系统控制。

优选地，其中主站中太阳能供电模块由稳压电路、太阳能电池组成，稳压电路将太阳能电池输出电压稳压至5V后给北斗系统一供电，使主站可长期在野外无人值守的工作。

优选地，所述监控平台由北斗系统二、监控中心、稳压电路和220V电源组成，负责处理和存储来自北斗系统一上传的滑坡体特征指标，以及做出相应的预/报警决策；监控平台可将处理后的数据传输至移动终端，并将预/报警决策结果传输至相应主站，再由主站传输至监测网络中相应分站做出预警或实时报警行为；

优选地，其中监控平台中北斗系统二由MCU监控平台主控系统和北斗模块组成，MCU监控平台主控系统控制北斗模块接收来自主站发送的滑坡体特征指标数据，北斗模块接收特征指标数据后，MCU监控平台主控系统将特征指标数据传输至监控中心，监控中心预/报警决策后，MCU监控平台主控系统会控制北斗模块将预/报警决策结果传输至主站。

优选地，其中监控平台中监控中心由监测系统和数据库组成，监测系统接收来自MCU监控平台主控系统的滑坡体特征指标数据，并处理和保存至数据库，同时将特征指标数据可视化，呈现给监控人员观看和分析，同时监测系统处理数据之后，确定预/报警决策，生成预/报警决策结果，预/报警决策结果通过MCU监控平台主控系统→北斗模块→主站→监测网络，并由监测网络中分站的MCU分站主控系统转发预/报警决策结果至预警/报警器模块，由预警/报警器模块发出相应的预/报警，同时，监控中心向移动终端发送预/报警决策结果信息。

优选地，所述移动终端包括但不限于手机和便携式电脑，用于对滑坡体实时特征指标数据和滑坡体历史特征指标数据的查阅。

该系统不限于铁路沿线滑坡监测，也可用于公路、水库和矿山等场合的其它地质灾害监测。

本发明的有益效果为：

1、本发明主站、监控平台之间采用北斗卫星的短报文传讯功能通讯，相比GSM、GPRS，即使无网络信号区也能正常通讯，解决了偏远铁路沿线地区滑坡体特征指标数据不能传输问题。

2、本发明监测网络、主站、监控平台、移动终端均为无线通讯，所述监测网络由多个分站组成，分站之间采用可远距离稳定通讯的LoRa无线通讯，避免了因为部分分站被掩埋或损毁，导致无法通讯的隐患；所述监测网络、主站之间采用LoRa无线通讯，使所述主站可以远离监测区域，即使滑坡发生，主站也完全不受影响，另主站采用太阳能供电，实现了铁路沿线无人值守滑坡监测；所述监控中心设有人员值守，所述监控平台可自我判断滑坡并进行预/报警，同时可辅助监控人员判断，进一步提高了报警的准确性。

综上所述，本发明专利提供的一种基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统能有效的实时监测包括无信号区域铁路沿线滑坡，并准确的预、报警，且使用成本低，整个系统仅有所述监测网络可能受滑坡影响导致损坏，可持续使用。

附图说明：

图1为本发明系统主框图。

图2为本发明监测网络框图。

图3为本发明主站框图。

图4为本发明监控平台框图。

图5为本发明分站框图。

图6为本发明预警/报警器模块框图。

图7为本发明系统一种单块区域滑坡监测实施例。

图8为本发明一应用实例分站安装方式。

附图标记：1-监测网络；2-主站；3-监控平台；4-移动终端；5-分站；6-太阳能供电模块；7-稳压电路；8-太阳能电池；9-北斗系统一；10-MCU主站主控系统；11-北斗模块；12-振动传感器；13-雨量传感器；14-拉绳式位移传感器；15-地压传感器；16-LoRa；17-MCU分站主控系统；18-预警/报警器模块；19-太阳能供电模块；20-太阳能电池；21-稳压电路；22-电源管理模块；23-传感器模块；24-MCU监控平台主控系统；25-北斗模块；26-220V电源；27-监控中心；28-监测系统；29-监控人员；30-稳压电路；31-北斗系统二；32-广播；33-警灯；34-警笛；35-驱动模块；36-太阳能供电模块；37-稳压电路；38-太阳能电池；39-LoRa；40-MCU报警主控系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明专进行详细说明。

实施例1

结合附图7，说明一种单块区域滑坡监测实施例；

单块区域滑坡监测由一个监测网络1，一个主站2，一个监控平台3，一个移动平台4组成，所述监测网络1由多个分站5组成，分站5应该遍布滑坡体，监测区域尽量覆盖滑坡体，主站2安装在远离滑坡体处，防止受到滑坡的影响，如图7所示。监测网络1用于实时的采集滑坡体特征指标数据并采用LoRa(Long Range Radio，远距离无线电)通信方式将所述滑坡体特征指标数据传输到主站2；所述主站2实时的通过北斗卫星的短报文传讯功能，将所述滑坡体特征指标数据无线传输至监控平台3；所述移动终端4用于对实时滑坡体特征指标数据、历史信息的查阅。

实施例2

进一步地，在实施例1的基础上，结合附图8说明一种分站5的安装方式；

所述分站5中各子模块采用有线方式连接，故安装不宜太分散，如图8所示，振动传感器12、拉伸式位移传感器14、LoRa16和MCU分站主控系统17集中安装在防水盒里，地压传感器15安装在一空心钢管里，将钢管深埋土里可测量地压，同时作为防水盒的支座。雨量传感器13和预警/报警模块18安装在另一空心钢管上，并离地面较远距离，便于预警/报警模块18将预警/报警信号传播的更远，同时防止下雨时地面溅水增大雨量传感器13的测量误差。特别的，该空心管与地面接触处开一小孔，太阳能供电模块19通过小孔用导线从钢管内部给雨量传感器13和预警/报警模块18供电，分站5中其余子模块的供电导线均埋于土里。

实施例3

进一步地，在实施例2的基础上，结合附图2、附图5说明一种分站5的工作方式；

所述监测网络1由若干分站5组成，如附图2所示，用于监测滑坡体特征指标：雨量、振动、位移和地压，并负责预/报警。

所述分站5由传感器模块23、MCU(微控制单元)分站主控系统17、LoRa16、预警/报警器模块18、电源管理模块22以及太阳能供电模块19组成，如附图5所示；

所述分站5中传感器模块23由振动传感器12、拉绳式位移传感器14、地压传感器15以及雨量传感器13组成，所述振动传感器12、拉绳式位移传感器14、地压传感器15以及雨量传感器13分别监测滑坡体振动特征指标、位移特征指标、地压特征指标以及雨量特征指标；

所述分站5中MCU分站主控系统17控制传感器模块23监测滑坡体信息，控制LoRa16的收、发特征指标数据以及控制LoRa16的组网策略，并转发预/报警决策结果至预警/报警器模块18；

所述分站5中LoRa16将分站5监测到的滑坡体特征指标传输至主站2，同时接收主站2传来的预/报警决策结果；

所述分站5中预警/报警器模块18负责声、光预报警，由MCU报警主控系统40控制；

所述分站5中电源管理模块22负责优化传感器模块23和LoRa16使用电量，使分站5更节能；

所述分站5中太阳能供电模块19包括太阳能电池20和稳压电路21，为分站5提供电能，稳压电路21将太阳能电池20输出电压稳定在5V，为MCU分站主控系统17供电，MCU分站主控系统为传感器模块23和LoRa16供电，使分站5可长期在野外无人值守的工作；

所述组网策略根据LoRa16在远距离可互相稳定通讯的功能，使监测网络1中每个分站5都可成为通讯节点，传输来自其他分站采集到的滑坡体特征指标数据或本身传感器模块23采集到的特征指标数据，同时临近主站2的分站5还可与主站2通讯，扩展了监测网络1的监测范围和与主站2的通讯距离，使主站2可远离滑坡体，即使滑坡发生也不受影响。

上述中，MCU分站主控系统17型号为STC12C5A60S2；LoRa16型号为ATK-LORA-01；振动传感器12型号为SW-18015P；拉绳式位移传感器14型号为WFS，品牌为Fiaye；地压传感器15型号为NA4-60，品牌为Mavin；雨量传感器13型号为VMS-YL-PL-3003；太阳能电池20型号为12V12AH20HR。

实施例4

进一步，在实施例3的基础上，结合附图3，说明一种主站2的工作方式；

所述主站2由北斗系统一9、太阳能供电模块6和LoRa39组成，负责接收来自监测网络1采集到的滑坡体特征指标数据，并使用北斗卫星短报文通讯技术，将滑坡体特征指标数据实时传输至远程监控平台3；

所述主站2中北斗系统一9由北斗模块11和MCU主站主控系统10组成，MCU主站主控系统10控制LoRa39接收来自监测网络1采集的滑坡体特征指标数据，并转发至北斗模块11，再由北斗模块11发送特征指标数据至监控平台3，同时北斗模块11接收监控平台3的预/报警决策结果；

所述太阳能供电模块6由稳压电路7和太阳能电池8组成，稳压电路7将太阳能电池8输出电压稳压至5V后给北斗系统一9供电，使主站2可长期在野外无人值守的工作；

上述中，北斗模块11型号为BZ-RD100标准版；MCU主站主控系统11型号为STC12C5A60S2；LoRa39型号为ATK-LORA-01；太阳能电池8型号为12V12AH20HR。

实施例5

进一步，在实施例4的基础上，结合附图4，说明一种监控平台3的工作方式；

所述监控平台3中北斗系统二31由MCU监控平台主控系统24和北斗模块25组成，MCU监控平台主控系统24控制北斗模块25接收来自主站2发送的滑坡体特征指标数据，北斗模块25接收完特征指标数据后，MCU监控平台主控系统24将特征指标数据传输至监控中心27，特别的，监控中心27预/报警决策后，MCU监控平台主控系统24会控制北斗模25块将预/报警决策结果传输至相应主站2；

所述监控中心27由监测系统28和数据库29组成，监测系统28接收来自MCU监控平台主控系统24的滑坡体特征指标数据，并处理和保存至数据库29，同时将特征指标数据可视化，呈现给监控人员观看和分析，同时监测系统28处理数据之后，会开始预/报警决策，决策完成会生成预/报警决策结果，预/报警决策结果通过MCU监控平台主控系统24→北斗模块25→主站2→监测网络1，并由监测网络1中分站5的MCU分站主控系统17转发预/报警决策结果至预警/报警器模块18，由预警/报警器模块18发出相应的预/报警，同时，监控中心27向移动终端4发送预/报警决策结果信息；

上述中，北斗模块25型号为BZ-RD200；MCU监控平台主控系统24型号为STC12C5A60S2。

实施例6

进一步，在实施例5的基础上，结合附图6，说明一种预警/报警器模块18的工作方式；

所述预警/报警器模块18由广播32、警灯33、警笛34、驱动模块35、MCU报警主控系统40以及太阳能供电模块35组成，由MCU报警主控系统40接收来自MCU分站主控系统17转发的预/报警决策结果，并根据结果控制广播32、警灯33和警笛34进行声、光预/报警，所述太阳能供电模块35中太阳能电池38经稳压电路37之后输出5V和12V电压分别给MCU报警主控系统和驱动模块35供电，驱动模块35又分别给广播32、警灯33和警笛34供电；

上述中，广播32型号为KP-LB01，品牌为可普；警灯33型号为LTE-1101J，品牌为Kbaoele；警笛34型号为AD103，品牌为VEXG；驱动模块35型号为37000156300，品牌为TELESKY；MCU报警主控系统40型号为STC12C5A60S2。

实施例7

进一步，在实施例1的基础上，结合附图5，说明一种分站5中传感器模块23的扩展方式；

所述分站5中传感器模块23具有功能扩展接口，不限于采用振动传感器12、拉绳式位移传感器14、地压传感器15以及雨量传感器13，也可采用其它传感器，例如可加监测水文的传感器监测水库、河流，加入红外传感器监测森林火灾。

实施例8

进一步，在以上实施例的基础上结合图1，说明多块区域滑坡监测；

一种基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统，包括监测网络1、主站2、监控平台3、移动终端4，监测网络1与主站2一一对应，每个监测网络1将一块区域的滑坡体特征指标通过主站2传输至监控平台3，监控平台3再传输至移动终端4，多对监测网络1和主站2可负责多块区域，如图1所示。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明专利作了详尽的描述，但在本发明专利基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是轻而易举的。因此，在不偏离本发明专利精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明专利要求保护的范围。

Claims (9)

1.基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统，其特征为：包括监测网络、主站、监控平台和移动终端，监测网络与主站一一对应，每个监测网络将一块区域的滑坡体特征指标通过主站传输至监控平台，监控平台再传输至移动终端。

2.如权利要求1所述的基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统，其特征为：所述监测网络由若干分站组成，负责监测滑坡体特征指标：雨量、振动、位移和地压，并通过LoRa将采集到的滑坡体特征指标数据无线传输至主站。

3.如权利要求2所述的基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统，其特征为：其中分站由传感器模块、MCU分站主控系统、LoRa、预警/报警器模块、电源管理模块及太阳能供电模块组成。

4.如权利要求3所述的基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统，其特征为：还至少包括以下技术特征之一：

其中分站中传感器模块由振动传感器、拉绳式位移传感器、地压传感器以及雨量传感器组成，所述振动传感器、拉绳式位移传感器、地压传感器以及雨量传感器分别监测滑坡体振动特征指标、位移特征指标、地压特征指标以及雨量特征指标；

其中分站中MCU分站主控系统控制传感器模块监测滑坡体信息，控制LoRa的收、发特征指标数据以及控制LoRa的组网策略，并转发预/报警决策结果至预警/报警器模块；

其中分站中LoRa将分站监测到的滑坡体特征指标传输至主站，同时接收主站传来的预/报警决策结果；

其中分站中预警/报警器模块由广播、警灯、警笛、驱动模块、MCU报警主控系统及太阳能供电模块组成，由MCU报警主控系统接收来自MCU分站主控系统转发的预/报警决策结果，并根据结果控制广播、警灯和警笛进行声、光预/报警，所述太阳能供电模块中太阳能电池经稳压电路之后输出5V和12V电压分别给MCU报警主控系统和驱动模块供电，驱动模块又分别给广播、警灯和警笛供电；

其中分站中太阳能供电模块为分站提供电能，由稳压电路、太阳能电池组成，稳压电路将太阳能电池输出电压稳定在5V，为MCU分站主控系统供电，MCU分站主控系统为传感器模块和LoRa供电。

5.如权利要求1所述的基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统，其特征为：所述主站由北斗系统一、太阳能供电模块和LoRa组成，负责接收来自监测网络采集的滑坡体特征指标数据，并使用北斗卫星短报文通讯技术，通过卫星将特征指标数据实时传输至远程监控平台。

6.如权利要求5所述的基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统，其特征为：还至少包括以下技术特征之一：

其中主站中北斗系统一由北斗模块和MCU主站主控系统组成，MCU主站主控系统控制LoRa接收来自监测网络采集的滑坡体特征指标数据，并转发至北斗模块，再由北斗模块发送特征指标数据至监控平台，同时北斗模块接收监控平台的预/报警决策结果；

其中主站中LoRa负责接收来自监测网络采集的滑坡体特征指标数据和转发预/报警决策结果至监测网络，受MCU主站主控系统控制。

其中主站中太阳能供电模块由稳压电路、太阳能电池组成，稳压电路将太阳能电池输出电压稳压至5V后给北斗系统一供电。

7.如权利要求1所述的基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统，其特征为：所述监控平台由北斗系统二、监控中心、稳压电路和220V电源组成，负责处理和存储来自北斗系统一上传的滑坡体特征指标，以及做出相应的预/报警决策；监控平台可将处理后的数据传输至移动终端，并将预/报警决策结果传输至相应主站，再由主站传输至监测网络中相应分站做出预警或实时报警行为。

8.如权利要求7所述的基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统，其特征为：还至少包括以下技术特征之一：

其中监控平台中北斗系统二由MCU监控平台主控系统和北斗模块组成，MCU监控平台主控系统控制北斗模块接收来自主站发送的滑坡体特征指标数据，北斗模块接收特征指标数据后，MCU监控平台主控系统将特征指标数据传输至监控中心，监控中心预/报警决策后，MCU监控平台主控系统会控制北斗模块将预/报警决策结果传输至主站；

其中监控平台中监控中心由监测系统和数据库组成，监测系统接收来自MCU监控平台主控系统的滑坡体特征指标数据，并处理和保存至数据库，同时将特征指标数据可视化，呈现给监控人员观看和分析，同时监测系统处理数据之后，确定预/报警决策，生成预/报警决策结果，预/报警决策结果通过MCU监控平台主控系统→北斗模块→主站→监测网络，并由监测网络中分站的MCU分站主控系统转发预/报警决策结果至预警/报警器模块，由预警/报警器模块发出相应的预/ 报警，同时，监控中心向移动终端发送预/报警决策结果信息。

9.如权利要求1所述的基于北斗通讯的铁路沿线滑坡实时监测系统，其特征为：所述移动终端包括但不限于手机和便携式电脑，用于对滑坡体实时特征指标数据和滑坡体历史特征指标数据的查阅。

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