CN112258823A - 基于nb-iot的露天矿滑坡灾害远程监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于NB‑IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统，包括振弦式传感器、测量电路、供电系统、通信系统、上位机监测系统，通过传感器采集应力数据，然后通过测量电路进行信号的处理，并通过通信系统上传到上位机监测系统，上位机监控系统对是否出现滑坡现象进行预警提示，所述通信系统采用NB‑IOT通信模块实现无线信号的传输，可以有效提高数据传输的速度，及时通过监控界面进行预警提示，起到及时监测的目的，供电系统中选用太阳能作为供电能源，可以有效避免偏远地区供电受限导致设备不能使用的问题。

Description

基于NB-IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统

技术领域

本发明涉及露天矿安全监测技术领域，具体涉及一种基于NB-IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统。

背景技术

斜坡上的岩体或土体，由于在岩体重力、水及振动力或其他因素的影响作用下，沿着滑动面所作的整体下滑运动，称之为是滑坡，滑坡灾害发生的结果是，倾倒或滑动产生的大量岩土堆积物，引起的交通中断、村镇埋没、江河堵塞、水库淤积、甚至酿成巨大的地质灾害。近些年来，我国经济快速发展，对煤炭资源的索取越来越多，而我国大部分煤矿进入深部开采区，高陡边坡问题威胁着开采的顺利进行，如何对边坡进行有效的监测，成为露天矿山安全生产面临的重要问题。

目前，现有技术中对于滑坡现象的预测设备性能比较单一，自动化不强，仅仅停留在传感器采集应力信息的阶段，但是采集的信息未能及时发送给管理人员，信息发送延迟，导致管理人员未能及时发出预警信息，面对突发灾害的瞬时爆发特点，如果信息传输的速度跟不上灾害发生的速度，即使能监测到滑坡现象将要发生，同样会导致巨大灾害的发生，为此，提高信息监测的有效性，提高信息传输的快速性是预测工作的重中之重。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于NB-IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统，通过安装在边坡底部的应力传感器监测边坡内部应力的变化，实现对滑坡的及时预警，所述远程监测系统，包括振弦式传感器、测量电路、供电系统、通信系统、上位机监测系统，振弦式传感器与测量电路电连接，测量电路与通信系统电连接，通信系统与上位机监测系统无线连接，供电系统与测量电路电连接；

所述振弦式传感器用于采集安装在露天矿上锚索的应力数据；

所述测量电路用于激发传感器，并将传感器采集的应力数据转换为数字量信号，提取数字量信号中的频率值，将频率值转化为应力值，然后传输给通信系统；

所述通信系统用于将接收到的应力值无线传输给上位机监测系统；

所述上位机监测系统用于实现人机信息交互，包括实时显示应力值、对露天矿是否出现滑坡现象进行预警提示、设置控制指令，所述控制指令包括传感器的采样时间间隔、供电系统的测量电压值、上位机监测系统所用服务器的IP地址；

所述供电系统用于对远程监测系统进行供电。

所述供电系统包括太阳能电池板、太阳能控制器、12V铅酸蓄电池，太阳能控制器分别与12铅酸蓄电池、太阳能电池板电连接，12V铅酸蓄电池与微处理器电连接，微处理器采集12V铅酸蓄电池的电压值，并通过上位机监测系统进行显示；

太阳能电池板用于收集太阳能，并将太阳能转换为电能，对12V铅酸蓄电池进行充电；

12V铅酸蓄电池用于存储太阳能控制器转换得到的电能；

太阳能控制器用于根据供电系统的预设电压值判断是否对12V铅酸蓄电池进行充电，以及是否对测量系统进行供电；当12V铅酸蓄电池的电压值小于太阳能控制器设定的预设电压值时，控制器通过太阳能电池板对12V铅酸蓄电池进行充电，当12V铅酸蓄电池的电压值大于等于预设电压值时，控制器12V铅酸蓄电池停止充电。

所述测量电路包括电源电路、放大电路、滤波电路、波形整形电路、微处理器、激励电路，放大电路与滤波电路电连接，滤波电路与波形整形电路电连接，波形整形电路与微处理器电连接，微处理器与激励电路电连接，振弦式传感器分别接入放大电路的输入端与激励电路的输出端，电源电路与供电系统中的12V铅酸蓄电池电连接，12V铅酸蓄电池通过电源电路分别对放大电路、滤波电路、波形整形电路、微处理器进行供电；

放大电路用于对采集到的应力数据进行放大处理；

滤波电路用于对放大处理后的信号进行滤波处理；

波形整形电路用于对滤波后的电压信号进行整形，并转换为数字量信号；

微处理器用于对整形处理后的数字量信号测量频率，得到单位时间内的脉冲个数，然后将单位时间内的脉冲个数按照响应公式转换为应力值；

激励电路用于产生高于H伏的瞬时高压来激励传感器，H的取值根据传感器实际需要的最小激励电压确定。

所述通信系统包括NB-IOT通信模块、物联网卡，物联网卡通过卡槽插装在NB-IOT模块上，NB-IOT通信模块与测量电路中的微处理器电连接，测量电路中的电源电路对NB-IOT通信模块进行供电；

NB-IOT通信模块用于实现微处理器与上位机监测系统的信息交互，将微处理器计算得到的应力值发送给上位机监测系统，并将上位机监测系统的控制指令发送给微处理器；

物联网卡用于提供NB-IOT通信模块无线通信的专用号段。

进一步地，通过上位机监测系统对露天矿是否出现爬坡现象进行预警提示，具体表述为：

S1：上位机监测系统根据预设时间段内接收的压力值自动生成应力-时间特性曲线；

S2：求取每相同时间间隔内对应应力-时间特性曲线的斜率值S_i；

S3：通过上位机监测系统设置预设阈值S；

S4：当S_i≤S时，表示露天矿在第i个时间间隔内并未出现滑坡现象，当S_i＞S时，预示露天矿在第i个时间间隔内将要出现滑坡现象，需要进行预警提示。

所述响应公式具体表述为：

X＝K(F*F-f*f-A)

式中，X表示微处理器输出的应力值，K表示传感器的系数K值，F表示传感器的初始频率值，f表示微处理器测量得到的单位时间内的脉冲个数，A表示传感器的A值。

本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于NB-IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统，通过传感器采集边坡内部滑动面的应力信息，采用NB-IOT(窄带物联网)通信模块进行无线信息的传输，NB-IOT通信模块具有速率快、成本低、功耗低、架构优的特点，采用NB-IOT通信模块传输应力数据，可以有效提高数据传输的速度，及时通过监控界面进行预警提示，起到及时监测的目的；供电系统采用太阳能进行供电，可以适用于常规能源供电受限的偏远地区，而且供电系统中配备有12V铅酸蓄电池电池，对太阳能转换后的电量进行存储，防止设备因供电不足无法应用的问题。

附图说明

图1为本发明中基于NB-IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统框图。

图2为本发明中传感器的安装示意图。

图3为本发明实施方式中基于NB-IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统的电气原理图。

图4为本发明实施方式中的测量点的部分实验数据图，其中图(a)表示实验数据曲线图，图(b)表示具体实验数据图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对发明做进一步说明。

如图1所示，一种基于NB-IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统，包括振弦式传感器、测量电路、供电系统、通信系统、上位机监测系统，振弦式传感器与测量电路电连接，测量电路与通信系统电连接，通信系统与上位机监测系统无线连接，供电系统与测量电路电连接；

所述振弦式传感器用于采集安装在露天矿上锚索的应力数据，其中振弦式传感器的安装示意图如图2所示，其中α表示斜坡的倾斜角度值，θ表示锚索的安装角度值；

所述测量电路用于激发传感器，并将传感器采集的应力数据转换为数字量信号，提取数字量信号中的频率值，并将频率值转化为应力值，然后传输给通信系统；

所述通信系统用于将接收到的应力值无线传输给上位机监测系统；

所述上位机监测系统用于实现人机信息交互，包括实时显示应力值、对露天矿是否出现滑坡现象进行预警提示、设置控制指令，所述控制指令包括传感器的采样时间间隔、供电系统的测量电压值、上位机监测系统所用服务器的IP地址；上位机监控系统采用C++编程实现。

通过上位机监测系统对露天矿是否出现爬坡现象进行预警提示，具体表述为：

S1：上位机监测系统根据预设时间段内接收的压力值自动生成应力-时间特性曲线；

S2：求取每相同时间间隔内对应应力-时间特性曲线的斜率值S_i；

S3：通过上位机监测系统设置预设阈值S；

S4：当S_i≤S时，表示露天矿在第i个时间间隔内并未出现滑坡现象，当S_i＞S时，预示露天矿在第i个时间间隔内将要出现滑坡现象，需要进行预警提示。

所述供电系统用于对远程监测系统进行供电。

所述供电系统包括太阳能电池板、太阳能控制器、12V铅酸蓄电池，太阳能控制器分别与12铅酸蓄电池、太阳能电池板电连接，12V铅酸蓄电池与微处理器电连接，微处理器采集12V铅酸蓄电池的电压值，并通过上位机监测系统进行显示；

太阳能电池板用于收集太阳能，并将太阳能转换为电能，对12V铅酸蓄电池进行充电；

12V铅酸蓄电池用于存储太阳能控制器转换得到的电能；

太阳能控制器用于根据供电系统的预设电压值判断是否对12V铅酸蓄电池进行充电，以及是否对测量系统进行供电；当12V铅酸蓄电池的电压值小于太阳能控制器设定的预设电压值时，控制器通过太阳能电池板对12V铅酸蓄电池进行充电，当12V铅酸蓄电池当前的电压值大于等于预设电压值时，控制器12V铅酸蓄电池停止充电。

所述测量电路包括电源电路、放大电路、滤波电路、波形整形电路、微处理器、激励电路，放大电路与滤波电路电连接，滤波电路与波形整形电路电连接，波形整形电路与微处理器电连接，微处理器与激励电路电连接，振弦式传感器分别接入放大电路的输入端与激励电路的输出端，电源电路与供电系统中的12V铅酸蓄电池电连接，12V铅酸蓄电池通过电源电路分别对放大电路、滤波电路、波形整形电路、微处理器进行供电；

放大电路用于对采集到的应力数据进行放大处理；

滤波电路用于对放大处理后的信号进行滤波处理，通过滤波电路输出电压信号；

波形整形电路用于对滤波后的电压信号进行整形，并转换为数字量信号；

微处理器用于对整形处理后的数字量信号测量频率，得到单位时间内的脉冲个数，然后将单位时间内的脉冲个数按照响应公式转换为应力值；

所述响应公式具体表述为：

X＝K(F*F-f*f-A)

式中，X表示微处理器输出的应力值，K表示传感器的系数K值，F表示传感器的初始频率值，f表示微处理器测量得到的单位时间内的脉冲个数，A表示传感器的A值，型号为JXL-3的振弦式传感器的K值为0.0005455，A值为32518。

激励电路用于产生高于H伏的瞬时高压来激励传感器，H的取值根据传感器实际需要的最小激励电压确定。

所述通信系统包括NB-IOT通信模块、物联网卡，物联网卡通过卡槽插装在NB-IOT模块上，NB-IOT通信模块与测量电路中的微处理器电连接，测量电路中的电源电路对NB-IOT通信模块进行供电；

NB-IOT通信模块用于实现微处理器与上位机监测系统的信息交互，将微处理器计算得到的应力值发送给上位机监测系统，并将上位机监测系统的控制指令发送给微处理器；

物联网卡用于提供NB-IOT通信模块无线通信的专用号段。

本实施方式中所用元器件的具体型号如下：太阳能控制器为SOLSUM 6.6B，振弦式传感器型号为JXL-3，微处理器型号为STM32F107VCT6，NB-IOB通信模块型号为BC95-B5，具体电气原理图如图3所示，由于振弦传感器依次输出三路响应信号，然后经过三路放大电路对三路响应信号分别进行放大处理，输出三路放大后的响应信号至模拟开关切换电路，通过微处理器控制模拟开关切换电路接通第j路放大后的响应信号至滤波电路，其中j＝1,2,3，由于振弦传感器需要依次输出三路响应信号，所以需要微处理器分时生成三路触发信号接通三路激励电路，通过三路激励电路触发振弦式传感器依次响应；其中电源电路提供给模拟切换电路、滤波电路、整形电路、NB-IOT通信模块的工作电压均为5V，提供给微处理器的工作电压为3.3V，上位机监测系统程序采用C#编写，获得的一测量点(该测量点标记为017-XLT-1200)的部分实验数据如图4所示，其中图(a)为某一时间段内生成的曲线图，其中图(b)给出了部分的具体实验数据。

Claims (6)

1.一种基于NB-IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统，其特征在于，包括振弦式传感器、测量电路、供电系统、通信系统、上位机监测系统，振弦式传感器与测量电路电连接，测量电路与通信系统电连接，通信系统与上位机监测系统无线连接，供电系统与测量电路电连接；

所述振弦式传感器用于采集安装在露天矿上锚索的应力数据；

所述测量电路用于激发传感器，并将传感器采集的应力数据转换为数字量信号，提取数字量信号中的频率值，将频率值转化为应力值，然后传输给通信系统；

所述通信系统用于将接收到的应力值无线传输给上位机监测系统；

所述上位机监测系统用于实现人机信息交互，包括实时显示应力值、对露天矿是否出现滑坡现象进行预警提示、设置控制指令，所述控制指令包括传感器的采样时间间隔、供电系统的测量电压值、上位机监测系统所用服务器的IP地址；

所述供电系统用于对远程监测系统进行供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统，其特征在于，所述供电系统包括太阳能电池板、太阳能控制器、12V铅酸蓄电池，太阳能控制器分别与12铅酸蓄电池、太阳能电池板电连接，12V铅酸蓄电池与微处理器电连接，微处理器采集12V铅酸蓄电池的电压值，并通过上位机监测系统进行显示；

太阳能电池板用于收集太阳能，并将太阳能转换为电能，对12V铅酸蓄电池进行充电；

12V铅酸蓄电池用于存储太阳能控制器转换得到的电能；

太阳能控制器用于根据供电系统的预设电压值判断是否对12V铅酸蓄电池进行充电，以及是否对测量系统进行供电；当12V铅酸蓄电池的电压值小于太阳能控制器设定的预设电压值时，控制器通过太阳能电池板对12V铅酸蓄电池进行充电，当12V铅酸蓄电池的电压值大于等于预设电压值时，控制器对12V铅酸蓄电池停止充电。

3.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统，其特征在于，所述测量电路包括电源电路、放大电路、滤波电路、波形整形电路、微处理器、激励电路，放大电路与滤波电路电连接，滤波电路与波形整形电路电连接，波形整形电路与微处理器电连接，微处理器与激励电路电连接，振弦式传感器分别接入放大电路的输入端与激励电路的输出端，电源电路与供电系统中的12V铅酸蓄电池电连接，12V铅酸蓄电池通过电源电路分别对放大电路、滤波电路、波形整形电路、微处理器进行供电；

放大电路用于对采集到的应力数据进行放大处理；

滤波电路用于对放大处理后的信号进行滤波处理；

波形整形电路用于对滤波后的电压信号进行整形，并转换为数字量信号；

微处理器用于对整形处理后的数字量信号测量频率，得到单位时间内的脉冲个数，然后将单位时间内的脉冲个数按照响应公式转换为应力值；

激励电路用于产生高于H伏的瞬时高压来激励传感器，H的取值根据传感器实际需要的最小激励电压确定。

4.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统，其特征在于，所述通信系统包括NB-IOT通信模块、物联网卡，物联网卡通过卡槽插装在NB-IOT模块上，NB-IOT通信模块与测量电路中的微处理器电连接，测量电路中的电源电路对NB-IOT通信模块进行供电；

NB-IOT通信模块用于实现微处理器与上位机监测系统的信息交互，将微处理器计算得到的应力值发送给上位机监测系统，并将上位机监测系统的控制指令发送给微处理器；

物联网卡用于提供NB-IOT通信模块无线通信的专用号段。

5.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统，其特征在于，通过上位机监测系统对露天矿是否出现爬坡现象进行预警提示，具体表述为：

S1：上位机监测系统根据预设时间段内接收的压力值自动生成应力-时间特性曲线；

S2：求取每相同时间间隔内对应应力-时间特性曲线的斜率值S_i；

S3：通过上位机监测系统设置预设阈值S；

S4：当S_i≤S时，表示露天矿在第i个时间间隔内并未出现滑坡现象，当S_i＞S时，预示露天矿在第i个时间间隔内将要出现滑坡现象，需要进行预警提示。

6.根据权利要求3所述的一种基于NB-IOT的露天矿滑坡灾害远程监测系统，其特征在于，所述响应公式具体表述为：

X＝K(F*F-f*f-A)

式中，X表示微处理器输出的应力值，K表示传感器的系数K值，F表示传感器的初始频率值，f表示微处理器测量得到的单位时间内的脉冲个数，A表示传感器的A值。

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