CN201277869Y - 高速公路边坡稳定性监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于无线传感器网络技术高速公路边坡稳定性监测系统，包括至少一个无线传感器节点、GPRS基站、以及监控中心，组成网络的无线传感器节点将由探头获得的边坡性能数据进行预处理后以自组多跳多路由方式将数据发送至GPRS基站，监控中心通过Internet连接至GPRS基站，获取无线传感器节点发来的数据后进行分析处理。采用本系统对高速公路边坡稳定性进行监测，能提高数据采集和传输的实时性、多样性，方便查询、分析，提高传感器数据的容错性。

Description

高速公路边坡稳定性监测系统

技术领域

本实用新型涉及高速公路边坡稳定性监测系统，更具体地，本实用新型涉及基于无线传感器网络技术的高速公路边坡稳定性监测系统。

背景技术

对于高速公路沿线的工程边坡，一般采用内部观测法，通过布置多点位移计、水位计等仪器设备进行观测，并通过光纤、光缆等载体进行数据传输；或者采用外部观测法，使用GPS或北斗卫星定位系统对位移进行监测，通过移动通信(GSM、GPRS、CDMA、3G)、Internet网络等技术组合使用的系统。

目前通用的解决方案包括如下几个：

(1)光纤光栅传感器监测系统

光纤光缆传输是有缆的边坡监测方式，通过在山坡上布设光纤光栅传感器，把测量的压力、加速度、位移、水位、应变、温度等数据传输到监控中心，实现边坡监测。

(2)无线电台通信传输系统

无线电台通信传输系统由具有远距离自动控制功能的中心控制机、译码接口机，野外采样编码控制机，电台传输系统和探头等四部分组成。一台中心控制机可控制10个以上不同地区的边坡稳定状态；一台野外采样编码控制机可控制70个探头。其控制范围取决于无线电台的功率和频率，一般可达几十至上百公里。

中心控制机能随时利用电台传输系统进行遥测，调用几十至上百公里范围内10个以上不同地区的边坡动态数据。这些边坡动态数据自动进入计算机处理，为研究人员提供大量可靠的边坡稳定性监测和评价数据。

(3)卫星定位传输系统

目前，卫星定位系统在高速公路边坡监测中发挥着越来越重要的作用。基于卫星定位系统的高速公路边坡监测系统将GPS定位技术、GSM/GPRS网络无线通信技术、嵌入式技术以及计算机技术相结合，采用崩塌传感器对突发崩塌进行监测和报警，采用GPS静态差分定位技术对滑坡位移进行动态观测，实时对监测点进行监测和报警。

完整的滑坡实时监测系统由多个监测终端和一个监测中心两部分组成。测量终端主要包括：GPS接收模块、崩塌传感器模块、无线通信模块、电源模块和主控模块。监测终端主要用于在监测中心的控制下完成GPS观测数据的采集，并将GPS观测数据通过无线方式发送给监测中心。监测中心在收到多个终端的GPS同步观测数据后，经过静态差分解算，得出各滑坡监测点与基点间的相对位置。长期监测，通过各个监测点与基点的相对位置的变化来判断各个监测点的滑动情况。以及通过埋设在监测点附近区域的多个崩塌传感器来监测山体崩塌，当突发崩塌发生时终端立即向监测中心报警，达到对突然发生的崩塌灾害的监测的目的，避免更大的损失。

但是上述各种解决系统都具有不同的缺陷：

(1)光纤光栅传感器监测系统

由于需要在被监测坡体上布设光纤光栅传感器以传输数据，所以工程量比较大，费用高，而且缆线的检修也比较复杂，维修量大。

(2)无线电台通信传输系统

随着移动通信业务的迅速发展，频率资源越来越紧张，所以得到专用频点相对比较困难。

(3)卫星定位传输技术

①点位选择的自由度较低。

为保证GPS测量的正常进行和定位精度，在GPS测量规范中对测站周围的环境作出了一系列的规定。如测站周围高度角15°以上不允许存在成片的障碍物；测站离高压线、变压器、无线电台、电视台、微波中继站等信号干扰物和强信号源有一定的距离要求(如200m-400m)；测站周围也不允许有房屋、围墙、广告牌、山坡、大面积水域等信号反射物，以避免多路径误差。但在崩滑体的变形监测中上述要求往往难以满足，因为监测点的位置通常是由地质人员根据滑坡、断层的地质构造和受力情况而定，有时又要考虑利用老的观测墩和控制点。测量人员的选择余地不大，从而使不少变形监测点的观测条件欠佳。

②整体环境对GPS观测不利

崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害往往发生在地势陡峻的山区，尤其是江河两岸和峡谷地区。在这些地区进行GPS测量时，视场往往较为狭窄，大量卫星被山坡遮挡，而且多路径误差较为严重，使GPS定位精度较正常情况差。

③同时使用GPS与GSM/GPRS的系统运营费用较高。

实用新型内容

鉴于上述现有技术中的问题，本实用新型提供了一种高速公路边坡稳定性监测系统，用于基于无线传感器网络技术进行高速公路边坡稳定性监测，该系统包括：至少一个无线传感器节点、GPRS基站、以及控制中心。其中，至少一个无线传感器节点，用于获取公路边坡的性能数据，并对性能数据进行处理以得到无线传感器节点数据，然后以自组多跳多路由方式将无线传感器节点数据发送至GPRS基站；GPRS基站，连接至至少一个无线传感器节点，用于储存和处理由至少一个无线传感器节点传来的无线传感器节点数据，通过GPRS无线通信方式将经过处理的传感器数据传送至Internet以及监控中心，进行监测处理。

根据本实用新型的一个实施例，无线传感器节点包括：数据采集模块，包括传感器和模数转换模块，用于通过传感器采集性能数据，并由模数转换模块对性能数据进行模数转换；数据处理模块，连接至数据采集模块，用于对来自数据采集模块的数据进行预处理；数据传输模块，用于向GPRS基站传输数据；以及电源模块，用于为无线传感器节点提供电源。其中，预处理包括：数据的压缩和/或融合。

根据本实用新型的另一实施例，数据传输模块包括射频模块，用于以2.4GHz的Zigbee协议发送数据。

根据本实用新型的又一实施例，至少一个无线传感器节点还包括触发节点，对预定数据项进行采集，并在所采集的数据项的值大于预定阈值的情况下，触发至少一个无线传感器节点中的其他无线传感器节点开始数据采集。

根据本实用新型的再一实施例，至少一个无线传感器节点在收到来自监控中心的采样请求的情况下，开始进行数据采集。

根据本实用新型的高速公路边坡稳定性监测系统，可以很好地解决如下技术问题：

(1)数据采集和传输的实时性、多样性、查询的方便性

本实用新型依托无线传感器网络技术，以自组多跳多路由方式，实现了对高速公路边坡地下水位、坡体相对位移、降雨量、坡体土壤含水率等影响边坡稳定性数据的实时采集和传输，并通过多传感器融合算法，构建高速公路边坡稳定性预警预报机制。系统实现了高速公路边坡稳定性相关数据采集的多样性和实时性，为边坡预警预报工作提供了基本的数据支持。

同时，监测系统利用终端节点扩展视频图像传感器，将坡体发生异常时点的信息，以事件激活方式启动视频图像传感器进行现场拍摄，再及时通过网络发送给控制终端，使得控制终端可以及时了解边坡异常状况，使高速公路管理部门真实地把握现场情况，准确并及时地确定相应的应急抢救措施和交通管制方案。

本监测系统还满足了管理层双向查询功能。能够对多点布设的倾角传感器、振动、地下水位传感器、雨量传感器等传感器数据进行实时和历史查询，给高速公路管理部门提供了数据查询的方便性；

(2)传感器数据的较高容错性

由于高速公路边坡监测工作的特殊环境，传统监测系统中的传感器经常会由于周围环境影响等原因而失效，而且维护或替换失效传感器是非常困难或者不可能的。由于无线传感器网络在软、硬件都具有很强的容错性，本实用新型可以保证监测系统具有很高的传感器数据的容错性。当网络的软、硬件出现故障时，系统能够通过自动调整或自动重构纠正错误，保证整个网络系统的正常工作。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型基于无线传感器网络技术的高速公路边坡稳定性监测系统的示意图；

图2是本实用新型的一个实施例的示意图；

图3是图2所示实施例中无线传感器节点的示意图；

图4是图2所示实施例软件执行过程的框图；

1、坡1，2、坡N，3、Zigbee通讯协议，4、GPRS，5、高速公路，6、运行管理服务器，7、数据服务器，8、命令发布终端，9、数据库，10、通信服务器，11、TCP/IP协议，12、Internet接口，13、监控中心，14、Internet，15、IP核心网，16、GPRS中继，17、传感器网络，18、传感器扩展板，19、外部传感器，102、无线传感器节点，104、GPRS基站，106、终端控制中心，202、无线传感器节点，204、中继节点，206、汇节点。

具体实施方式

图1是本实用新型基于无线传感器网络技术的高速公路边坡稳定性监测系统的示意图。

该系统包括：至少一个无线传感器节点102、GPRS基站104、以及控制中心106。其中，至少一个无线传感器节点102，用于获取公路边坡的性能数据，并对性能数据进行处理以得到无线传感器节点数据，然后以自组多跳多路由方式将无线传感器节点数据发送至GPRS基站；GPRS基站104，连接至至少一个无线传感器节点102，用于储存和处理由至少一个无线传感器节点102传来的无线传感器节点数据，通过GPRS无线通信方式将经过处理的传感器数据传送至Internet；以及监控中心106，连接至GPRS基站104，通过Internet接收来自GPRS基站104的数据，进行监测处理。

图2是本实用新型的一个实施例的示意图。

如图2所示，系统采取星型拓扑结构在被监测的多个坡体上布设监测子网，每个子网内包含5-10个节点，节点按功能划分为无线传感器节点202，中继节点204和汇节点206，其中无线传感器节点202包括外部传感器，数模转换模块和数据传输Mote模块，负责坡体物理数据的采集与传输；由于受监测区域内的植被和障碍物的遮挡，监测坡体中设置了只具备通信功能的若干中继节点204，以减小网络的通信干扰；作为簇头的汇节点206接收到由无线传感器节点202直接或由中继节点204间接自组多跳的形式传输的传感器数据，通过GPRS无线通讯技术将数据传输至远程监控终端。

图3是本实用新型的一个实施例中的无线传感器节点的示意图。

无线传感器网络节点的基本组成包括如下4个基本单元：数据采集模块(由传感器和模数转换功能模块组成)、数据处理模块(包括MCU、存储器、操作系统等)、数据传输模块(由无线通信模块组成)以及电源管理模块。

该节点包含电源模块、核心处理单元CPU模块、射频模块、A/D接口模块、传感器模块和数据存储模块；其中传感器模块包含边坡监测所需要的倾角传感器302、液位传感器304，土壤含水率传感器306、图像传感器308，通过A/D接口模块310采集至数据处理模块312，以实现数据的采集功能；数据处理模块主要实现对数据的高速处理，然后将处理后的数据存储于数据存储模块314或者通过射频模块316发送至信息中心；射频模块316主要实现对数据的收发，该模块通过SPI接口与数据处理单元模块相连接，主要用来实现远端信息中心的指令接收和监控信息的上传；电源模块由电池模块318和电源监控模块320构成，负责对节点进行电源供应和节电控制。

图4是本实用新型的一个实施例的软件执行过程的框图。

如图4所示，在网络初始化以后，先进行通信信道的选择，然后负责阈值触发的节点对周边物理环境进行数据采集，如果采集的数据超过了程序中预定的阈值，那么开始发送数据；否则丢弃当前采集数据，继续对本地环境状况进行数据采集。当接收节点接收到发送请求以后，由低功耗等待状态唤醒，进入接收数据状态，对数据进行接收，直至接收完毕。节点在发生和接收完数据后都进入相应的睡眠状态(低功耗状态)。

Claims (7)

1、一种高速公路边坡稳定性监测系统，其特征在于：基于无线传感器网络技术进行高速公路边坡稳定性监测，所述系统包括：至少一个无线传感器节点、GPRS基站、以及监控中心，其中，

所述至少一个无线传感器节点，用于获取公路边坡的性能数据，并对所述性能数据进行处理得到无线传感器节点数据，以自组多跳多路由方式将所述无线传感器节点数据发送至GPRS基站；

所述GPRS基站，连接至所述至少一个无线传感器节点，用于储存和处理由所述至少一个无线传感器节点传来的所述无线传感器节点数据，以GPRS无线通信方式经由Internet将经过处理的传感器数据传送至所述监控中心，进行监测处理。

2、根据权利要求1所述的高速公路边坡稳定性监测系统，其特征在于：所述无线传感器节点包括：

数据采集模块，包括传感器和模数转换模块，用于通过所述传感器采集性能数据，并由所述模数转换模块对所述性能数据进行模数转换；

数据处理模块，连接至所述数据采集模块，用于对来自所述数据采集模块的数据进行预处理；

数据传输模块，用于向所述GPRS基站传输数据；以及

电源模块，用于为所述无线传感器节点提供电源。

3、根据权利要求1或2所述的高速公路边坡稳定性监测系统，其特征在于：所述传感器包括以下至少一种：振动传感器、倾角传感器、液位传感器、以及图像传感器。

4、根据权利要求2所述的高速公路边坡稳定性监测系统，其特征在于：所述预处理包括：数据的压缩和/或融合。

5、根据权利要求2所述的高速公路边坡稳定性监测系统，其特征在于：所述数据传输模块包括射频模块，用于以2.4GHz的Zigbee协议发送数据。

6、根据权利要求1所述的高速公路边坡稳定性监测系统，其特征在于：所述至少一个无线传感器节点还包括触发节点，所述触发节点对预定数据项进行采集，并在所采集的数据项的值大于预定阈值的情况下，触发所述至少一个无线传感器节点中的其他无线传感器节点开始数据采集。

7、根据权利要求1所述的高速公路边坡稳定性监测系统，其特征在于：所述至少一个无线传感器节点在收到来自所述监控中心的采样请求的情况下，开始进行数据采集。

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