CN201508175U

CN201508175U - 高精度远程变形监测与预警系统

Info

Publication number: CN201508175U
Application number: CN2009201267495U
Authority: CN
Inventors: 张庆源
Original assignee: Chongqing Enfeisi Software Co Ltd
Current assignee: Chongqing Enfeisi Software Co Ltd
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2019-03-25

Abstract

一种对滑坡体、大桥、大坝等建筑物和变形体的变形程度进行全天候、全自动化、远程实时监测和预警的方案，该方案具有使用S3C2440硬件平台和嵌入式Linux操作系统、采用GPS定位、采用GPRS无线网络数据通讯和光纤通讯两种通讯方式、系统连续测试消除误差、可切换单/双频算法的软硬件设计的特点。其专有特性在于它是一个监测被监测体表面位移并自动预警的整体解决方案。系统自动采集数据，自动记录，自动计算，并在超出规定阀值后自动预警，发出预警信息。

Description

高精度远程变形监测与预警系统

一、技术领域

本实用新型提供了一种对滑坡体、大桥、大坝等建筑物和变形体的变形程度进行全天候、全自动化、远程实时监测和预警的方案，该方案使用S3C2440硬件平台和嵌入式Linux操作系统、采用GPS定位、采用GPRS无线网络数据通讯和光纤通讯两种通讯方式、系统连续测量消除误差、可切换单\双频算法的软硬件设计。其专有特性在于它是一个监测被监测体表面位移并自动预警的整体解决方案。系统自动采集数据，自动记录，自动计算，并在超出预定阀值后自动预警，发出预警信息。

二、背景技术

目前国内绝大部分对大坝和桥梁等变形体的变形监测都是采用传统非数字化设备(如经纬仪，全站仪)进行周期性重复测量，一般要求专人专职，需要较多的人力资源，数据处理难度大，同样也有监测不及时的问题，尤其在强烈需要进行变形监测的大风大雨气象条件下无法开展工作，存在严重的监测放空期。

国内外有许多以GPS技术为主的变形监测监控系统项目，以GPS技术为主的变形监测监控系统在国内也已经开始应用，但目前都处于实验与应用的边缘阶段，主要原因是其实时性不强，单位造价高，需投入大量人力去安装设备，部署之后的技术维护难度高。此外这些项目均存在着不能全天候实时监测、监测手段无法野外连续工作、无法自动计算、监测结果的分析需要专家参与的不足，尤其不能及时提供预警信息等最需要解决的问题。

三、发明内容

1.要解决的技术问题：

为了解决现有的变形监测监控系统对滑坡体、大桥、大坝等变形体的外部变形参量不能进行全天候实时监测，监测手段无法现场连续工作，监测结果的分析需要专家参与、无法自动计算，尤其不能及时提供预警信息等最需要解决的问题。本实用新型提供一种无需专家参与，只需简单部署就能实现的可用于现场长期监测的高精度、全天候、全自动、实时性强的监测方法。

2.技术方案：

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型主要由监测终端(数据采集前端)、数据中心和监控中心三部分构成。

本实用新型通过两个及以上的使用基于ARM 9处理器的监测终端设备对被测形变体或形变区域内某一点或几点的变形量进行采集并发送到计算机数据中心，由数据中心对数据进行处理并实现对该被监控区域的监测与预警。监测终端设备箱内电路板包括空间最上层的电源板、最下层的控制板、嵌入在控制板上的S3C2440核心板及集成了单频/双频测地型GPS接收机的转接板，通过控制板上的手动拨码开关实现不同精度的单频/双频工作模式切换，通过控制板上的GPRS模块及天线接入GPRS无线网络或通过光纤接口与数据中心进行通讯。

监测终端是本实用新型的核心设备，监测终端采用GPS天线接收GPS卫星信号进行自身定位。GPS天线将GPS信号传送给GPS模块，GPS模块解码GPS信号并形成GPS观测值(GPS Obs)，通过GPRS网络或光纤网络将GPS观测值自动传输到数据中心。数据中心自动记录接收到的GPS观测数据(GPSObs)，并将计算结果与预先设置好的预警阀值比较，如果超出了预警阀值，则自动触发预警设备，按预定程序向指定人员发出相应的预警信息。监控中心通过访问数据中心，可随时查看监控数据和报警日志，实现远程监测和预警。

一个监测项目可监测方圆六公里以内的一片区域，只设置一个监测终端设备置于稳定区域，作为GPS定位计算中的基准点，称作基准站或稳定点；一个或多个监测终端设备分布于被监控区域，在实际监测中被称为移动站或监测点，通过监测移动站(监测点)所在地点表面的相对位移，实现对该被监控区域的监测与预警。移动站和基准站的数据流程和计算过程有所不同，单频和双频算法处理数据的方法不同，计算精度不同。

一个监测项目可以采用单频监测模式或双频监测模式，这需要将监测终端设备内的手动拨码开关置向相应置位。在单频监测模式下，数据中心在获得GPS观测值(GPS Obs)后，会自动将从移动站(监测点)获得的GPS观测值与从基准站(稳定点)获得的GPS观测值比对，如果两者记录时间一致，则自动开始计算；如果两者记录时间不一致，则分别将两组数据缓存在各自的缓冲区中，直到找到同一时刻的观测值后立刻自动计算，然后将计算结果在数据中心显示或者传送至监控中心进行显示。

单频基准站和单频移动站收集本站点GPS观测值(GPS Obs)的流程完全一样，区别在于将本站点GPS观测值(GPS Obs)发送到数据中心时，由数据中心区分单频移动站观测值与单频基准站观测值，然后将单频移动站观测值与单频基准站观测值进行差分计算。

在双频监测模式下，数据中心在获得基准站差分数据(RTCM)后，自动将差分数据(RTCM)发送到移动站(监测点)；双频移动站在获得自己的GPS观测值(GPS Obs)的同时，接收数据中心转发来的差分数据(RTCM)，将两者一起进行计算，然后将计算结果GPGGARTK发送到数据中心显示，或再由数据中心转发到监控中心显示出来。

双频基准站和双频移动站收集GPS观测值的流程完全一样，它们的差别在于双频移动站还需要接收从数据中心转发过来的基准站差分数据(RTCM)，并在计算完成后将计算结果GPGGARTK发送到数据中心。

2.1.监测终端设备

监测终端设备箱内电路板包括空间最上层的电源板、最下层的控制板、嵌入在控制板上的S3C2440核心板及集成了单频/双频测地型GPS接收机的转接板，通过控制板上的手动拨码开关实现不同精度的单频/双频工作模式切换，通过控制板上的GPRS模块及天线接入GPRS无线网络或通过光纤接口与数据中心进行通讯。

监测终端设备采用一体化三防设计(防水、防潮、防雷电)，利用嵌入式系统的强实时性和强大的数据处理能力，解决监测的实时性、高精度和自动处理信息的要求。监测终端自动采集GPS数据并进行计算。监测终端上有拨码开关，通过置向相应置位(非断电情况不可改动)，可以自动转换单频/双频算法模式，设备被程序识别为单频/双频设备；再通过加载不同的基准站程序或移动站程序可分别被设置为单频基准站设备、单频移动站设备、双频基准站设备、双频移动站设备。

整个监测终端平台分为电源板和控制板两部分。电源板和控制板采用上下结构，电源板在上，控制板在下，控制板上嵌入一块基于S3C2440的嵌入式核心板。采用模块化设计，便于系统升级和系统维护。

硬件开发在S3C 2440平台基础上扩展出各种功能模块串接口以实现各种功能：GPS模块串口、GPRS模块串口、电台串口，ADSL网口，两个PC串口，一个调试串口，一个其他设备调试串口；还有光纤接口(网口)，USB主从接口，SD卡接口。

2.2.核心板设计

本实用新型的控制处理核心是基于ARM 9的嵌入式硬件平台，集成于一块嵌入在控制板的核心板上。核心板采用SAMSUNG S3C2440A微控制器，主频400MHz；内存为一个64M NAND FLASH存储器，两个64M SDRAM存储器。

2.3.控制板设计

控制板内嵌核心板，定位于机箱下方、电源板下层，通过一个2x22pin2.0mm的双排座，与电源板连接。控制板包含拨码开关，包含对外功能模块接口和所有信号处理。嵌入一块核心板，引出各功能模块的I/O 口，及其JTAG下载接口、网口、USB主从口和SD卡接口。网口为光纤接入预留，USB口为设备调试预留，SD卡记录短信报警日志；

2.4.电源板设计

电源板定位于机箱的上层，控制板上方，通过一个2x22pin2.0mm的双排座，与控制板连接。板空间高度至少5cm，包含电源处理部分和对外功能模块接口。

电源处理部分实现铅酸蓄电池输入、铅酸蓄电池电量测量。

工作电压：12V铅酸电池(内部)，220V交流电(外部)；铅酸电池(17AH 12V 18CM X 7.5CM X17CM)；铅酸电池充电器(14.2V恒压限流)。内部工作电压，12V转5V/3.3V，GPS模块5V供电，GPRS模块3.3V供电；其余部分12V供电。

对外功能模块接口有：GPS模块串口(GPS1，GPS2)，GPRS模块串口，电台串口，ADSL串口，环境监测串口，两个PC串口，一个硬件调试串口，一个其他设备的调试串口；所有串口均为RS232串口。

3.有益效果：

本实用新型的有益效果是：

高精度远程变形监测与预警系统适合对滑坡体、大坝和大桥的实时变形监测，系统实时分辨出2cm级别的变形量，对稳态变形体(例如滑坡体和大坝)，可以采用平滑的方式分辨出毫米级测量精度。采用单频算法实现实时测量平面位移精度达到±20mm，后处理精度达到±8mm；采用双频算法实现实时测量平面位移精度达到±20mm，后处理精度达到±8mm。

可扩展太阳能供电方式。通过外接太阳能供电系统，解决终端设备在无供电条件下的可持续工作问题。

利用嵌入式系统的高集成度、可裁剪性和强实时性，完成一体化设计，实现简单部署即可应用；使用有线和无线两种通讯方法，每隔几分钟便更新一次监控中心的监控数据，保证远程监控；采用长期连续观测消除系统误差对滑坡体、大桥和大坝等变形体的变形参数(变形量、变形速度、变形方位等)进行全天候、全自动、实时监测，在变形体的变形参数达到预定警告值后通过多种方式(例如声光报警、手机短信息、自动拨打报警电话、自动启动扬声器播放警报等)自动发布报警信息，保护人们的生命财产和重大经济建筑物的安全。

四、附图说明

图1单频监测实施方案

图中1.单频基准站GPS观测数据(GPS Obs)；

2.单频移动站GPS观测数据(GPS Obs)；

3.GPRS网络/有线网络通讯；

图2双频监测实施方案

图中4.双频基准站差分数据(RTCM)；

5.GPGGARTK数据；

3.GPRS网络/有线网络通讯；

图3监测终端设备示意图

太阳能板和太阳能系统为外设独立供电系统，可解决无220V市电供电情况下系统可持续工作问题。

图4电源板俯视图

图中6～8.分别为12V供电、5V供电、3.3V供电的LED显示灯；

9.2x22pin2.0mm的双排座；

10.电源处理部分；

11.电源插座；

12、13.插座GPS1和GPS2，与GPS转接板(图8)相接；

14.GPRS模块供电和信号插座GPRS；与宏电GPRS模块相接，可采用GPRS通讯方式；

15.插座BC；

16.插座ADSL；与ADSL Modem相接，可采用有线网络通讯方式；

17.插座MON；

18.调试信号插座DB；

19、20.PC机接口信号插座PC1、PC2；

21.复位键RESET_KEY；

22.定位孔6个。

23.其他设备调试串口

图5控制板俯视图

图中24.2x22pin2.0mm的双排座；

25.核心板插槽；

26.USB接口；

27.标准JTAG接口；

28.网口接口；

29.SD接口；

30.拨码开关；

31.定位孔6个。

图6监测数据传送示意图

图7核心板俯视图：

图中32.SAMSUNG S3C2440A处理器；

33.64M NAND Flash；

34、35.64M SDRAM：

36、37.两个2*20pin引脚插槽；

38定位孔四个

图8GPS转接板俯视图：

图中39.单频模块插口；

40.双频模块插口；

41、42.GPS1、GPS2插座。

五、具体实施方式

本例以单频为例，对本实用新型进行进一步说明。

本实用新型主要由数据采集前端(监测终端)、数据中心和监控中心三部分构成。下面结合附图，分别对本实用新型的监测终端设备和现场监测实施过程进行说明。

5.1监测终端设备

监测终端完成GPS的数据收集、本地存储、无线(或有线)数据传输等功能；整个监测终端平台分为电源板和控制板。电源板和控制板采用上下结构，电源板在上，控制板在下(控制板上嵌入一块基于S3C2440的核心板)，使用铜柱将电源板和核心板的定位孔分别连接并固定。

5.1.1结合附图对设备内部结构进行说明

5.1.1.1在图4电源板具体分布中：

1)2x22pin2.0mm的双排座9，与控制板(如图5)插槽24相接。

2)输入电源插座11使用3pin插座，信号是+12V、GND和大地。

3)GPS1和GPS2插座12、13，用于输出GPS供电和信号，GPS1、GPS2信号线均采用RS232电平，电源供电是+3.3V，插座采用4pin插座，这部分放在电源板的下端左侧第一、第二位置。

4)GPRS模块供电和信号插座14，信号线采用RS232电平信号，电源供电是+9V～+12V，插座采用4pin插座，这部分放在电源板的下端左侧第三位置。

5)BC插座15，用于输出电台供电和信号，信号线采用RS232电平信号，电源供电是+12V，插座采用4pin插座，这部分放在电源板的下端左侧第四位置。

6)ADSL插座16，用于输出ADSL Modem供电和信号，信号线采用RS232电平信号，电源供电是+12V，插座采用4pin插座，这部分放在电源板的下端左侧第五位置。

7)MON插座17，用于输出环境监测供电和信号，信号线采用RS232电平信号，电源供电是+12V，插座采用4pin插座，这部分放在电源板的下端左侧第六位置。

8)DB调试信号插座18，用于测试硬件部分，信号线采用RS232电平信号，插座采用3pin插座，这部分放在电源板的下端左侧第七位置。

9)PC1、PC2接口信号插座19、20，用于连接PC机测试软件部分，信号线采用RS232电平信号，插座采用3pin插座，这部分放在电源板的右侧任意位置。

10)其他设备调试串口21，用于其他设备测试串口，信号线采用RS232电平信号，插座采用4pin插座，这部分放在电源板的左侧位置；

11)6个定位孔22分布于电源板的四个边角和中间靠近上下侧边的部分，用于固定电源板和控制板，使整个板的空间高度至少5cm。

5.1.1.2在图5控制板俯视图中：

1)2x22pin2.0mm的双排座24，与电源板(如图4)插槽9相接；

2)核心板插槽25用于连接控制板(如图7)，与控制板插口36相接；

3)USB接口26用于下载根文件kernel；

4)标准JTAG接口27用于下载bootloader；

5)网口接口28用于测试网络；

6)SD接口29使用SD卡存储；用于记录系统报警日志等；

7)拨码开关30通过四选一置位转换单频/双频模式，非断电情况下置位不能改动；

5.1.1.3在图7核心板俯视图中：

1)芯片32 SAMSUNG S3C2440A微控制芯片，是开发平台的核心，主频400MHz；

2)芯片33 板载64M bytes NAND FLASH存储器；

3)芯片34、35.主存64M bytes SDRAM存储器2个；

4)引脚36、37用于连接核心板和控制板，与控制板(如图5)插槽25相连；

5.1.1.4在图8GPS转接板俯视图中：

单频模块插口、双频模块插口41、42分别插入单频GPS模块、双频GPS模块。

GPS单频模块\GPS双频模块分别插入单频模块插口39、单频模块插口40；GPS1插座41、GPS2插座42分别与电源板(如图4)上GPS1插座12、GPS2插座13相连；若将控制板(如图5)拨码开关30置于单频模式置位上，可使用单频模块进行单频算法监测；若将控制板(如图5)拨码开关置于双频模式置位上，可使用双频模块进行双频算法监测。本例采用单频算法模式，对本实用新型的现场监测过程进行说明。

5.2监测点位布局及要求

如附图6，搭建一个对滑坡体变形程度的进行实时监测和预警的项目，采用单频模式算法，设置一个稳定点(基准站)放置在稳定区域，设置两个监测点(移动站)放置在滑坡区域。

5.2.1布设1个稳定点(基准站)，稳定点(基准站)要求如下：

1)基桩要求基础稳固，最好打入基岩；

2)便于挂接设备和安装天线，同时便于安保防盗措施；

3)至少符合GPS观测点B级网布点要求：

●高度角15度内无成片障碍物；

●离高压输电线、变压器等信号干扰物200m以外；

●离无线电发射台、电视发射台等强信号源400m以外；

●距公路≥5m，距铁路≥200m；

●测站周围无信号反射物，以减少多路径误差。

4)为保证通讯及时，应尽可能采用光纤通讯方式；

5)移动站GPS天线要求水平。

5.2.2在坝体上布设2个监测点(移动站)，监测点(移动站)的要求如下：

1)任意移动站与基准站的距离不可超过6Km；

2)点位牢固，移动站基桩与坝体紧密结合在一起；

3)移动站尽可能假设在坝体的上缘变形量较敏感处(如坝体中间位置，放水口等)；

4)设备安装处便于挂接设备和安装天线，同时便于安保防盗措施；

5)至少符合GPS观测点B级网布点要求：

●高度角15度内无成片障碍物；

●离高压输电线、变压器等信号干扰物200m以外；

●离无线电发射台、电视发射台等强信号源400m以外；

●距公路≥5m，距铁路≥200m；

●测站周围无信号反射物，以减少多路径误差。

6)为保证通讯及时，应尽可能采用光纤通讯方式；

7)移动站GPS天线要求水平；

5.3现场监测实施过程

监测终端采用GPS天线接收GPS卫星信号。GPS天线将GPS信号传送给GPS模块，GPS模块解码GPS信号并形成GPS观测值(GPS Obs)，通过GPRS网络或光纤网络将GPS观测值自动传输到数据中心。数据中心自动记录接收到的GPS观测数据。

附图1是单频监测实施方案。数据中心在获得单频基准站GPS观测值(GPS Obs)1和单频移动站GPS观测数据(GPS Obs)2后，会自动将移动站设备(监测点)获得的GPS观测值(GPS Obs)2与基准站设备(稳定点)获得的GPS观测值(GPS Obs)1比对，如果两者时间一致，则自动计算；如果两者时间不一致，则分别将两组数据缓存在各自的缓冲区中，直到找到同一时刻的观测值后立刻自动计算，然后将计算结果在数据中心显示或者通过GPRS网络/有线网络3通讯传送到监控中心进行显示。

单频基准站设备和单频移动站设备的数据收集GPS观测值(GPS Obs)的流程完全一样，仅在数据中心收到GPS观测值(GPS Obs)时区别单频移动站GPS观测数据(GPS Obs)2与单频基准站GPS观测值(GPS Obs)1，然后将单频移动站GPS观测数据(GPS Obs)2与单频基准站GPS观测值(GPSObs)1进行差分计算。

数据中心将计算结果与预先设置好的预警阀值比较，如果超出了预警阀值，则自动触发预警设备，按预定程序向指定人员发出相应的预警信息。

数据中心与监控中心的网络通讯GPRS网络/有线通讯3视监测对象的特点不同，可采用有线网络(光纤网)现场组网方式或GPRS无线传输方式将监测终端设备采集的数据传输到监控中心。

附图2是双频监测实施方案。数据中心在获得基准站差分数据(RTCM)4后，自动将差分数据(RTCM)4发送到移动站设备(监测点)，移动站设备在获得自己的GPS观测值(GPS Obs)的同时，接收数据中心转发来的差分数据(RTCM)4，将两者一起进行计算，然后将计算结果GPGGARTK数据5发送到数据中心显示，或再由数据中心通过GPRS网络/有线网络通讯3转发到监控中心显示出来。

双频基准站设备和双频移动站设备的数据收集GPS观测值的流程完全一样，它们的差别在于双频移动站还需要接收从数据中心转发过来的基准站差分数据(RTCM)4，并在双频移动站计算完成后将计算结果GPGGARTK数据5发送到数据中心。

数据中心与监控中心的网络通讯3视监测对象的特点不同，可采用有线网络(光纤网)现场组网方式或GPRS无线传输方式将监测终端设备采集的数据传输到监控中心。

Claims

1.一种高精度远程变形监测与预警系统，其特征是由两个及以上的使用基于ARM 9处理器的监测终端设备对被测形变体或形变区域内某一点或几点的变形量进行采集并发送到计算机数据中心，该系统使用的监测终端设备箱内电路板包括空间最上层的电源板、最下层的控制板、嵌入在控制板上的S3C2440核心板及集成了单频/双频测地型GPS接收机的转接板，通过控制板上的手动拨码开关实现不同精度的单频/双频工作模式切换，通过控制板上的GPRS模块及天线接入GPRS无线网络或通过光纤接口与数据中心进行通讯。

2.如权利要求1所述的高精度远程变形监测与预警系统，其特征是监测终端设备箱内使用S3C2440核心板，使用三星公司SAMSUNG S3C2440A微控制芯片、板载为一个64M bytes NAND FLASH存储器、主存为两个64M bytes SDRAM存储器。

3.如权利要求1所述的高精度远程变形监测与预警系统，其特征是监测终端设备箱内使用基于单频/双频测地型GPS接收机监测形变体的形变量。

4.如权利要求1所述的高精度远程变形监测与预警系统，其特征是监测终端设备通过控制板上的GPRS模块及天线接入GPRS无线网络或通过光纤接口与数据中心进行通讯。

5.如权利要求1所述的高精度远程变形监测与预警系统，其特征是监测终端设备箱内电源板在最上层空间，包含电源处理部分和对外接口部分。

6.如权利要求1所述的高精度远程变形监测与预警系统，其特征是监测终端设备箱内控制板在电源板下层，内嵌一块S3C2440核心板。

7.如权利要求1所述的高精度远程变形监测与预警系统，其特征是监测终端设备箱内控制板上设有手动拨码开关，在断电的情况下通过置向相应置位，可实现单频/双频设备的切换。

8.如权利要求1所述的高精度远程变形监测与预警系统，其特征是监测终端设备箱内电源板上设有手动复位按键用于该设备系统硬件复位。