CN113470320A - 地质层振动预警无线远程智能监测系统及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的地质层振动预警无线远程智能监测系统及预警方法，监测系统包括探头部分和主控部分，探头部分的微处理器与地震波检测模块、土质含水量检测模块、地层振动等级检测模块、地层冻土融化监测模块、探头无线传输模块连接，连接起来的这部分组成一个探头，整个系统共需要五个探头；主控部分的MCU主控中心与显示屏、报警装置、主控无线传输模块连接；探头无线传输模块和主控无线传输模块通过无线方式连接。本监测系统安装方便、操作简单，可实时自动监测地震波、振动等级、冻土融化和环境温湿度各项地质参数，采集的数据全面精准，无需人员值守。本预警方法可定量描述地质灾害发生的可能性和强弱程度，精准度高，抗干扰能力强，预警效率高。

Description

地质层振动预警无线远程智能监测系统及预警方法

技术领域

本发明涉及地震监测领域，具体涉及一种地质层振动预警无线远程智能监测系统及预警方法。

背景技术

地质灾害往往具有突发性和灾难性，其在地质层振动预警较短的时间内迅速发生，具有较大的破坏性。

目前，在现有的地质层、环境参数检测技术中，监测技术落后，检测的地质层相关参数不够全面，仅检测地层的振动，而不对地震波、土质含水量和地层冻土等环境参数进行监测，易受干扰，准确度低，没有东西南北中多个检测点对数据进行整合分析，监测范围小，在地质灾害来临之前，无法做出准确的判断。

因此需要对地质层相关参数进行全面检测，提高预警系统的准确性。

发明内容

本发明提供一种地质层振动预警无线远程智能监测系统及预警方法，以提升地质层振动预警准确度。

实现本发明目的的技术方案是：

一种地质层振动预警无线远程智能监测系统，包括探头部分和主控部分；

所述探头部分包括：

地震波检测模块，用于地震波数据采集，并传输到微处理器；

土质含水量检测模块，用于地层土壤含水量数据采集，并传输到微处理器；

地层振动等级检测模块，用于地质层振动等级数据采集，并传输到微处理器；

地层冻土融化监测模块，用于地层冻土融化数据采集，并传输到微处理器；

微处理器，用于对所述检测模块、监测模块输出的数据进行整合，模数转换，数据压缩；

探头无线传输模块，用于数据的发送和接收；

所述微处理器与地震波检测模块、土质含水量检测模块、地层振动等级检测模块、地层冻土融化监测模块、探头无线传输模块连接，连接起来的这部分组成一个探头，整个系统共需要五个探头；

所述主控部分包括：

MCU主控中心，用于对接收的数据进行分析处理，发送预警命令；

显示屏，用于显示数据；

报警装置，用于地质层灾害将要来临时进行预警；

主控无线传输模块，用于数据的发送和接收；

所述MCU主控中心与显示屏、报警装置、主控无线传输模块连接；

所述探头无线传输模块和主控无线传输模块通过无线方式连接。

进一步地，五个探头分东、南、西、北和中央五个点安装，探头无线传输模块天线向上，探头探针插入土地表面下150-300mm，主控部分就近安装，主控部分与探头部分之间最大距离不超过3km。

进一步地，探头与探头之间的最大距离不超过6km，最小距离不小于1km。

进一步地，所述地层冻土融化监测模块包含两个部分，一个部分监测土质含水量，采用功率检波器来监测土质含水量变化；另一个部分监测温度变化，采用温度传感器用于采集温度数据，两者将采集到的变化电压值传输到微处理器。

一种地质层振动预警无线远程智能监测预警方法，包括上述的地质层振动预警无线远程智能监测系统，所述预警方法包括以下步骤：

微处理器通过对土质含水量检测模块、地震波检测模块、地层冻土融化监测模块和地层振动等级检测模块的数据进行采集，对采集到的数据进行整合，由模拟信号转换为数字信号；

将数字信号通过探头无线传输模块和主控无线传输模块传到MCU主控中心；

MCU主控中心根据设置好的阈值进行判断，是否有地层振动；

MCU主控中心再对数据进行分析处理，数据通过显示屏进行显示；

当采集到的数据达到设置的报警阈值时，报警装置进行报警提示；

MCU主控中心通过对比各个探头之间的数值，即可得出地震的方向；若5个探头接收到的信号强度相同，则地震源就正好在中央探头所在地。

在没有发生地震时，地震波检测模块发送到微处理器的电压为0V；发生1级地震时，地震波检测模块发送的电压为0.5V；2级地震时发送的电压为1V；以此类推，最高可以检测10级地震，发生10级地震时地震波检测模块发送的电压为5V；系统等级M设置：1≤M<3级为微震，3≤M<4.5级为有感地震，4.5≤M<6级为中强震，6≤M<7级为强震，7≤M级为强震，当MCU主控中心检测到3≤M时，报警装置发出警报提醒。

在没有发生地震时，地层振动等级检测模块发送到微处理器的电压为0V；发生1级地震时，地层振动等级检测模块发送到微处理器的电压为0.5V；2级地震时发送的电压为1V，以此类推，最高可以检测10级地震。

在冻土环境中发生地震时，当土壤含水量突然升高2%且温度上升1℃时，则有可能发生一级地震，当土壤含水量突然升高4%且温度上升2℃时，则有可能发生二级地震，以此类推，最高可检测10级地震。

MCU主控中心通过土质含水量检测模块及地层冻土融化监测模块采集到的土壤情况数据进行分析，判断该地区是否有发生山体滑坡的可能，当土壤含水量达到85%以上，则判断该地区有发生山体滑坡的可能，通过报警装置发出相应的提示。

单个探头因外力造成的突发数值过大，则判定为单个装置故障，MCU主控中心发出提醒查验修复信号。

本监测系统的优点是：安装方便、操作简单，可实时自动监测地震波、振动等级、冻土融化和环境温湿度各项地质参数，采集的数据全面精准，无需人员值守。

本预警方法的优点是：该方法综合考虑了地震波、土质含水量、地层振动、地层冻土等多项与地质灾害发生时有关的指标，可实现定量描述地质灾害发生的可能性和强弱程度，精准度高，抗干扰能力强，预警效率高，实用性强。

附图说明

图1为实施例中地质层振动预警无线远程智能监测系统的电路方框示意图；

图2为探头及主控部分安装位置示意图。

图中，1.探头部分 1-1.微处理器 1-2.地震波检测模块 1-3.土质含水量检测模块 1-4.地层振动等级检测模块 1-5.地层冻土融化监测模块 1-6.探头无线传输模块 2.主控部分 2-1.MCU主控中心 2-2.显示屏 2-3.报警装置 2-4.主控无线传输模块 11.第一探头 12第二探头 13.第三探头 14.第四探头 15.第五探头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1所示，一种地质层振动预警无线远程智能监测系统，包括探头部分1和主控部分2；

所述探头部分1包括：

地震波检测模块1-2，用于地震波数据采集，并传输到微处理器1-1；

土质含水量检测模块1-3，用于地层土壤含水量数据采集，并传输到微处理器1-1；

地层振动等级检测模块1-4，用于地质层振动等级数据采集，并传输到微处理器1-1；

地层冻土融化监测模块1-5，用于地层冻土融化数据采集，并传输到微处理器1-1；

微处理器1-1，用于对所述检测模块、监测模块输出的数据进行整合，模数转换，数据压缩；

探头无线传输模块1-6，用于数据的发送和接收；

所述微处理器1-1与地震波检测模块1-2、土质含水量检测模块1-3、地层振动等级检测模块1-4、地层冻土融化监测模块1-5、探头无线传输模块1-6连接，连接起来的这部分组成一个探头，整个系统共需要五个探头；

所述主控部分2包括：

MCU主控中心2-1，用于对接收的数据进行分析处理，发送预警命令；

显示屏2-2，用于显示数据；

报警装置2-3，用于地质层灾害将要来临时进行预警；

主控无线传输模块2-4，用于数据的发送和接收；

所述MCU主控中心2-1与显示屏2-2、报警装置2-3、主控无线传输模块2-4连接；

所述探头无线传输模块1-6和主控无线传输模块2-4通过无线方式连接。

如图2所示，五个探头分东、南、西、北和中央五个点安装，即第一探头11安装在东部方向，第二探头12安装在南部方向，第三探头13安装在西部方向，第四探头14安装在北部方向，第五探头15安装在四个探头的中央，探头无线传输模块1-6天线向上，探头探针插入土地表面下150-300mm，主控部分就近安装，主控部分与探头部分之间最大距离不超过3km。

探头与探头之间的最大距离不超过6km，最小距离不小于1km。

所述地层冻土融化监测模块1-5包含两个部分，一个部分监测土质含水量，采用功率检波器来监测土质含水量变化；另一个部分监测温度变化，采用温度传感器用于采集温度数据，两者将采集到的变化电压值传输到微处理器1-1。

本系统使用锂电池供电，并使用太阳能板对锂电池进行充电，以满足本系统不间断监测的需求，也无需专业人员频繁维护，简单易用。

所述微处理器1-1采用型号为STC12C5A60S2的单片机。

MCU主控中心2-1采用STM32F103RBT6作为核心处理控制器。

显示屏2-2用于显示振动等级、方位、温湿度等相关数据，可采用LCD显示屏。

一种地质层振动预警无线远程智能监测预警方法，包括所述的地质层振动预警无线远程智能监测系统，所述预警方法包括以下步骤：

微处理器1-1通过对土质含水量检测模块1-3、地震波检测模块1-2、地层冻土融化监测模块1-5和地层振动等级检测模块1-4的数据进行采集，对采集到的数据进行整合，由模拟信号转换为数字信号；

将数字信号压缩后通过探头无线传输模块1-6和主控无线传输模块2-4传到MCU主控中心2-1；

MCU主控中心2-1根据设置好的阈值进行判断，是否有地层振动；

MCU主控中心2-1再对数据进行分析处理，数据通过显示屏2-2进行显示；

当采集到的数据达到设置的报警阈值时，报警装置2-3进行报警提示；

MCU主控中心2-1通过对比各个探头之间的数值，即可得出地震的方向；若5个探头接收到的信号强度相同，则地震源就正好在中央探头所在地。

例如，当地震发生在整个系统的南部方向时，安装在南部方向的第二探头12会率先接收到振动信号，并且信号强度会比安装在其他方向探头接收到的信号强，MCU主控中心2-1通过对比各个探头之间的数值，即可得出地震的方向；若5个探头接收到的信号强度相同，那么地震源就正好在第五探头15所在的中央部位。

所述地震波检测模块1-2以型号为LTC5507的功率检波器作为该模块的核心，将地震波转换为电压，当有地震波出现时，形成电位差，模块将采集到的变化电压值通过型号为AD623的放大器进行放大并传输到微处理器1-1；在没有发生地震时，地震波检测模块1-2发送到微处理器1-1的电压为0V；发生1级地震时，地震波检测模块1-2发送的电压为0.5V；2级地震时发送的电压为1V；以此类推，最高可以检测10级地震，发生10级地震时地震波检测模块1-2发送的电压为5V；系统等级M设置：1≤M<3级为微震，3≤M<4.5级为有感地震，4.5≤M<6级为中强震，6≤M<7级为强震，7≤M级为强震，当MCU主控中心2-1检测到3≤M时，报警装置2-3发出警报提醒。

地震会导致土壤之间间隙增大，从而导致土壤中含水量的变化，进而引起土壤介电常数的变化，通过所述土质含水量检测模块1-3的探针检测到土壤介电常数的变化，功率检波器将介电常数的变化转化为电压的变化，通过放大器将差分电压进行放大并传输到微处理器1-1，MCU主控中心2-1可以选择土壤类别，包括沙土、黏土、黄土和湿土。以黄土为例，假设在没有发生地震时，土质含水量检测模块1-3检测出土壤的含水量为当时实际的含水量，一般情况下，黄土的含水量都会大于20%，当土壤含水量突然降低2%时，则有可能发生1级地震，当土壤含水量突然降低4%时，则有可能发生2级地震，以此类推，最高可以检测10级地震，其他类型的土壤则用相对应的变化量进行预警。

所述地层振动等级检测模块1-4采用型号为SW-58010P的振动开关作为振动传感器，将采集到的变化电压值传输到微处理器1-1，振动传感器可以将振动强度转换为电压，当有强烈振动发生时产生相应电压，地层振动等级检测模块1-4将采集到的变化电压值通过放大器进行放大并传输到微处理器1-1。在没有发生地震时，地层振动等级检测模块1-4发送到微处理器1-1的电压为0V；发生1级地震时，地层振动等级检测模块1-4发送到微处理器1-1的电压为0.5V；2级地震时发送的电压为1V，以此类推，最高可以检测10级地震。

所述地层冻土融化监测模块1-5包含两个部分，一个部分监测土质含水量，采用型号为LTC5507的功率检波器来监测土质含水量变化；另一个部分监测温度变化，采用温度传感器用于采集温度数据，两者将采集到的变化电压值通过型号为AD623的放大器进行放大并传输到微处理器1-1。当地层冻土融化监测模块1-5采集到土质含水量低于20%、且温度传感器采集到温度低于0℃时，则判断地层冻土融化监测模块1-5探头当前所处环境为冻土，MCU主控中心2-1进行灯光提示。在冻土环境下，土壤含水量低于土质含水量检测模块的检测范围，判断地震等级的方法与非冻土环境时不一样，微处理器会暂时关闭土质含水量检测模块的功能，直到冻土融化监测模块判断出冻土已经融化，才会重新启动土质含水量检测模块的功能。在冻土环境中发生地震时，地层含水量和温度会略微升高，当土壤含水量突然升高2%且温度上升1℃时，则有可能发生一级地震，当土壤含水量突然升高4%且温度上升2℃时，则有可能发生二级地震，以此类推，最高可检测10级地震。

MCU主控中心2-1通过土质含水量检测模块1-3及地层冻土融化监测模块1-5采集到的土壤情况数据进行分析，判断该地区是否有发生山体滑坡的可能，当土壤含水量达到85%以上，则判断该地区有发生山体滑坡的可能，通过报警装置2-3发出相应的提示。

单个探头因外力造成的突发数值过大，则判定为单个装置故障，MCU主控中心2-1发出提醒查验修复信号。

MCU主控中心2-1还可通过主控无线传输模块2-4和探头无线传输模块1-6对本装置的一些等级参数等进行修改。

为了避免人为和建筑施工的干扰，在安装有地质层工作区间、环境参数检测智能无线传感监测装置的区域，用无人机或者卫星观察附近是否有较大的建筑施工现场，避免装置受到大型施工震动或人为影响，产生误报。

例如：在本系统的东部方向不远处发生了一次6级地震，那么安装在东部方向的第一探头11应首先接收到地震波信号并同时向主控部分2发送此时采集到的土质含水量、地震波强度，振动等级以及冻土情况等信息，其余探头也应在之后不到1s的时间内接收到相似的地震波信号并发送相应信息，西部方向的第三探头13最晚接收到。MCU主控中心2-1根据接收到各个探头发送信号的时间差判断出地震源在东部方向，并且各个探头检测到的地震波大小相似，误差不超过10%，那么MCU主控中心2-1就以东部方向的第一探头11发送的信号为基础，与MCU主控中心2-1设置好的参数进行对比，若土质含水量、地震波强度，振动等级以及冻土情况四个参数的变化情况都达到6级地震标准，则MCU主控中心2-1判断为6级地震；若四个参数中的任意一个未达到设置的参数要求，则不能判断为地震。

以上公开的本发明的优选实施例，只是帮助阐述本发明，不限制本发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (10)

1.一种地质层振动预警无线远程智能监测系统，其特征在于，包括探头部分和主控部分；

所述探头部分包括：

地震波检测模块，用于地震波数据采集，并传输到微处理器；

土质含水量检测模块，用于地层土壤含水量数据采集，并传输到微处理器；

地层振动等级检测模块，用于地质层振动等级数据采集，并传输到微处理器；

地层冻土融化监测模块，用于地层冻土融化数据采集，并传输到微处理器；

微处理器，用于对所述检测模块、监测模块输出的数据进行整合，模数转换，数据压缩；

探头无线传输模块，用于数据的发送和接收；

所述微处理器与地震波检测模块、土质含水量检测模块、地层振动等级检测模块、地层冻土融化监测模块、探头无线传输模块连接，连接起来的这部分组成一个探头，整个系统共需要五个探头；

所述主控部分包括：

MCU主控中心，用于对接收的数据进行分析处理，发送预警命令；

显示屏，用于显示数据；

报警装置，用于地质层灾害将要来临时进行预警；

主控无线传输模块，用于数据的发送和接收；

所述MCU主控中心与显示屏、报警装置、主控无线传输模块连接；

所述探头无线传输模块和主控无线传输模块通过无线方式连接。

2.根据权利要求1所述的地质层振动预警无线远程智能监测系统，其特征在于，五个探头分东、南、西、北和中央五个点安装，探头无线传输模块天线向上，探头探针插入土地表面下150-300mm，主控部分就近安装，主控部分与探头部分之间最大距离不超过3km。

3.根据权利要求1所述的地质层振动预警无线远程智能监测系统，其特征在于，探头与探头之间的最大距离不超过6km，最小距离不小于1km。

4.根据权利要求1所述的地质层振动预警无线远程智能监测系统，其特征在于，所述地层冻土融化监测模块包含两个部分，一个部分监测土质含水量，采用功率检波器来监测土质含水量变化；另一个部分监测温度变化，采用温度传感器用于采集温度数据，两者将采集到的变化电压值传输到微处理器。

5.一种地质层振动预警无线远程智能监测预警方法，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的地质层振动预警无线远程智能监测系统， 所述预警方法包括以下步骤：

微处理器通过对土质含水量检测模块、地震波检测模块、地层冻土融化监测模块和地层振动等级检测模块的数据进行采集，对采集到的数据进行整合，由模拟信号转换为数字信号；

将数字信号通过探头无线传输模块和主控无线传输模块传到MCU主控中心；

MCU主控中心根据设置好的阈值进行判断，是否有地层振动；

MCU主控中心再对数据进行分析处理，数据通过显示屏进行显示；

当采集到的数据达到设置的报警阈值时，报警装置进行报警提示；

MCU主控中心通过对比各个探头之间的数值，即可得出地震的方向；若5个探头接收到的信号强度相同，则地震源就正好在中央探头所在地。

6.根据权利要求5所述的地质层振动预警无线远程智能监测预警方法，其特征在于，在没有发生地震时，地震波检测模块发送到微处理器的电压为0V；发生1级地震时，地震波检测模块发送的电压为0.5V；2级地震时发送的电压为1V；以此类推，最高可以检测10级地震，发生10级地震时地震波检测模块发送的电压为5V；系统等级M设置：1≤M<3级为微震，3≤M<4.5级为有感地震，4.5≤M<6级为中强震，6≤M<7级为强震，7≤M级为强震，当MCU主控中心检测到3≤M时，报警装置发出警报提醒。

7.根据权利要求5所述的地质层振动预警无线远程智能监测预警方法，其特征在于，在没有发生地震时，地层振动等级检测模块发送到微处理器1-1的电压为0V；发生1级地震时，地层振动等级检测模块发送到微处理器1-1的电压为0.5V；2级地震时发送的电压为1V，以此类推，最高可以检测10级地震。

8.根据权利要求5所述的地质层振动预警无线远程智能监测预警方法，其特征在于，在冻土环境中发生地震时，当土壤含水量突然升高2%且温度上升1℃时，则有可能发生一级地震，当土壤含水量突然升高4%且温度上升2℃时，则有可能发生二级地震，以此类推，最高可检测10级地震。

9.根据权利要求5所述的地质层振动预警无线远程智能监测预警方法，其特征在于，MCU主控中心通过土质含水量检测模块及地层冻土融化监测模块采集到的土壤情况数据进行分析，判断该地区是否有发生山体滑坡的可能，当土壤含水量达到85%以上，则判断该地区有发生山体滑坡的可能，通过报警装置2-3发出相应的提示。

10.根据权利要求5所述的地质层振动预警无线远程智能监测预警方法，其特征在于，单个探头因外力造成的突发数值过大，则判定为单个装置故障，MCU主控中心发出提醒查验修复信号。

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