CN201936016U - 一种滑坡监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种滑坡监测装置，该装置由数个采集节点、基站、监控主机和PC机组成；采集节点由传感器、信号调理电路、ZICM2410芯片，电源变换电路、电池组成，传感器、信号调理电路、ZICM2410芯片依次连接，电池经电源变换电路分别为以上各电路供电，传感器为位移传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、倾斜度传感器；基站包括ZICM2410芯片、GSM模块和电源电路组成，电源电路由锂离子电池组、DC-DC变换器组成，ZICM2410芯片、GSM模块依次连接，锂离子电池组经DC-DC变换器提供ZICM2410芯片、GSM模块的供电，基站负责接收各采集节点的信息并经GSM网络以短信的方式发送至监控主机。本实用新型高集成度使采集节点和基站体积小、功耗低、可靠性高而成本又较低。

Description

一种滑坡监测装置

技术领域

本实用新型涉及滑坡监测技术领域，特别涉及一种低功耗的滑坡监测装置。

背景技术

对滑坡的监测是一种常用的地质灾害监测手段。对滑坡的监测重点是滑坡本身的变形，其最大特点在于：一是滑坡变形缓慢，有的几个小时、几天、甚至几个月才有变化；二是滑坡与降水有密切关系；三是一般没有市电接入；四是滑坡现场各采集节点之间，采集节点与基站之间有一定的距离，基站与监控主机距离遥远。

目前的监测方法主要包括：

一、人工不定期监测，这种方法需要专业人员携带检测仪器到现场进行，工作效率低而且无法完成时间密集的采集，更难以察觉滑坡的微小相对变化和滑坡深部的土壤温度、土壤湿度变化。

二、半自动监测，有线连接各监测点，采集的信息暂存于监测存储设备中，人工定期去监测现场读取滑坡信息。这种方法不能及时获取滑坡信息，且有线布线费时、费力、经济性差。

三、美国Crossbow公司利用无线传感器网络组建的滑坡监测系统。滑坡现场的每个采集节点连接一个液位传感器和一个倾斜度传感器。采集节点内部由单独的微处理器和单独的驻留了Zigbee协议的收发芯片组合而成。它的基站和 一个网关无线连接，网关又和PC机相连，利用GPRS网络将滑坡信息传递至远端。该滑坡监测系统虽然利用了先进的无线传感器网络，但仅限于监测滑坡深部的液位和倾斜度，采集节点-基站-网关-GPRS也可以简化，最大的问题是价格昂贵，难以大量使用，不便于推广。

实用新型内容

本实用新型公开了一种滑坡监测装置，该装置可实现无人值守、远距离监测滑坡变化，并由于其低功耗而能保持长效性，由于其低价位而利于大量使用。

为了达到上述效果，本实用新型采用如下技术方案：一种滑坡监测装置，该装置由数个采集节点、基站、监控主机和PC机组成；

采集节点由位移传感器、土壤温度、土壤湿度传感器、倾斜度传感器，信号调理电路、ZICM2410芯片，电源变换电路、电池组成，传感器、信号调理电路、ZICM2410芯片依次连接，电池经电源变换电路分别为以上各电路供电；

位移传感器将位移量转换为电压信号；

土壤温度为热敏电阻型传感器、土壤湿度为湿敏电阻型传感器，它们埋在滑坡内，以观测降雨期间土壤温度、土壤湿度，它们分别将土壤温度、土壤湿度转换为与之相应的电压信号；

倾斜度为微电子机械型传感器，它埋于滑坡内，以监测滑坡变形，它将倾斜度转换为串行数字量；

基站由ZICM2410芯片、GSM模块和电源电路组成。电源电路由锂离子电池组、DC-DC变换器组成，ZICM2410芯片、GSM模块依次连接，锂离子电池组经DC-DC变换器提供ZICM2410芯片、GSM模块的供电，基站负责接收各 采集节点的信息并经GSM网络以短信的方式发送至监控主机。

由ZICM2410芯片，定时接通三种传感器及相应信号调理电路的电源，并对三种传感器信号进行模数转换，再将滑坡信息发送至基站；在非采集时段ZICM2410芯片处于微功耗状态，以节能和延长电池使用时间；

采集节点间、采集节点与基站间自动组成遵守Zigbee协议的无线传感器网络；基站与监控主机通过GSM网络通信；土壤温度、土壤湿度传感器为ES1101型；倾斜度传感器为SCA100T。

本实用新型的有益效果是：

一、本实用新型构建了以ZICM2410芯片为核心的无线传感器网络，并应用到滑坡监测上，采集节点间以及采集节点与基站间无需布线；

二、微电子机械系统传感器的出现，使得可以监测倾斜度的微小变化，本监测装置使用了这种传感器，使得倾斜度的测量精度达0.1°；

三、本实用新型可深入滑坡深部测量土壤温度、土壤湿度；

四、本实用新型中的基站和远程监测主机经GSM网通信，省略了网关；

五、本实用新型中的各采集节点和基站均使用了高集成度、低功耗、低价位的ZICM2410芯片，提高了设备的可靠性，使采集节点的成本仅为进口采集节点的十分之一左右；

六、本实用新型中的采集节点采用了低功耗的ZICM2410芯片，定时接通传感器与信号调理电路，定时发送信息。上述过程仅耗时1秒，而采集的间隔为1小时，因此使节点耗电仅为mW级，功耗大为降低。

附图说明

图1为本实用新型系统结构框图；

图2为采集节点结构框图；

图3为采集节点工作模式示意图；

图4为倾斜度传感器测量角度的示意图；

图5为位移传感器及信号调理电路原理图；

图6为土壤温度传感器及信号调理电路原理图；

图7为土壤湿度传感器及信号调理电路原理图；

图8为倾斜度传感器电路原理图；

图9为采集节点主电路原理图；

图10为采集节点电源电路原理图；

图11为基站结构框图；

图12为基站GSM模块电路原理图；

图13为基站串口电平转换电路原理图；

图14为监控主机结构框图；

图15为采集节点程序流程图；

具体实施方式

为了使本实用新型更容易被理解，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

参阅图1，一种滑坡监测装置，该装置由多个采集节点、一个基站、一个监控主机和一台PC机组成。多个采集节点组成无线传感器网络，简称WSN，以传递采集的滑坡位移、土壤温度、土壤湿度、倾斜度信息。基站利用GSM网络 以短信的方式将信息传输至监控主机。监控主机通过RS-232将滑坡信息传输到PC机。

参阅图2，采集节点由传感器、信号调理电路、集成了单片机和远程数据收发电路的ZICM2410芯片及电源模块组成。倾斜度传感器将采集到信息以数字信号的方式串行送入ZICM2410芯片，其余三种传感器分别与信号调理电路、ZICM2410芯片依次连接。电源模块分别为四种传感器、信号调理电路、ZICM2410芯片供电。

参阅图3，为了降低采集节点的平均工作电流，延长工作时间，采集节点采用了间歇式工作方式，即在需要某模块工作时才开启电源为其供电，否则关闭电源，以节省电能，即实行工作至停机循环控制。t1时间段为采集节点工作时段，t2为休眠时段，t1与t2之和记为一个工作周期T。采集节点在人工开机后，开始执行工作时段程序，在t1内完成滑坡信号的数据采集与发送，随后进入休眠时段。而现代电子技术完全可以保证t1较小，一般在1秒钟以内；而根据滑坡变形的特点，t2取值为1小时，显然有t1＜＜t2，而采集节点在休眠时段的工作电流在μA级，这样就使采集节点具有极低的平均电流，延长了采集节点的工作时间。

参阅图4，片状的倾斜度传感器SCA100T水平放置，当滑坡变形时，其内部的电子机械系统可将图中所示X、Y两个轴向的角度转换为与角度对应的串行数字量输出，SCA100T的测量范围是0～90°，测量精度0.1°。

参阅图5，电阻型拉杆式位移传感器量程：0～700mm，满量程等效电阻：10kΩ，线性度：±0.05％。位移传感器将位移变化转换为电阻值变化。在采集期间+5VS电源又将电阻值转换为电压信号。此位移信号经连接器J10送到信号调理 运算放大器LM358的输入端，LM358输出的信号由R19衰减、C31滤波后(ACH0)，送至ZICM2410芯片内的ADC，进行模数转换；

参阅图6，温度传感器内部为一热敏电阻，其测量范围：-40～+70℃，精度：±0.2％。温度传感器的电阻经J11连接器，到信号调理运放的输入端。运放输出的信号由R21衰减、C33滤波后(ACH2)，送ZICM2410芯片内的ADC，进行模数转换；

参阅图7，土壤湿度传感器内部为一湿敏电阻，其测量范围：0～100％，精度：±2％。土壤湿度传感器的电阻经J12连接器，到信号调理运放的输入端。运放输出的信号由R20衰减、C32滤波后(ACH1)，送ZICM2410芯片内的ADC，进行模数转换；

参阅图8，倾斜度传感器CSA100T将串行数字量，由J9连接器经电缆输送至ZICM2410芯片；

参阅图9，位移传感器的输出ACH0连至ZICM2410芯片ADC的输入端ACH0。湿度传感器的输出ACH1连至ZICM2410芯片ADC的输入端ACH1。温度传感器的输出ACH2连至ZICM2410芯片ADC的输入端ACH2。

倾斜度传感器的片选端CS连至ZICM2410的P13端，串行时钟端SCK连至ZICM2410芯片的P14端，串行数据输入端DIN连至ZICM2410芯片的P17端，串行数据输出端DOUT连至ZICM2410芯片的P16端。

采集节点的核心芯片是ZICM2410芯片，它遵从Zigbee规范和IEEE802.15.4标准。由一个含有基带modem的射频收发器、硬连线的MAC和内嵌8051内核组成。其高集成度和低功耗特性很适合本实用新型使用。

参阅图10，采集节点中的SW1为电源开关，电池为3.6V锂离子聚合物电 池。VIN经TPS61222升压DC-DC模块升高至+5V。VIN又经TPS63031降压DC-DC模块降低至VDD＝3.3V，为ZICM2410芯片供电。LED1为电源接通的LED指示灯。Q1为IRFZ44N型N沟道VMOS，ZICM2410芯片的引脚P3_4(P34_PWR)控制它仅在需要采集、发送滑坡信息时，接通各传感器和调理电路，以节约功耗。

参阅图11，基站由ZICM2410芯片，GSM模块，SIM卡，GSM调试接口以及电源电路组成。ZICM2410芯片、GSM模块、GSM调试接口依次连接。SIM卡和GSM模块相连。电源电路分别为ZICM2410芯片、GSM模块、GSM调试接口供电。基站的ZICM2410芯片除了三个ADC输入不连接外，其余的接法与采集节点中的ZICM2410芯片相同。

参阅图12，基站中ZICM2410芯片的串口引脚P3_1(P31_TXD0)、P3_0(P30_RXD0)与GSM模块GC864的串口相连，CONTROL控制GC864的通断。GC864的引脚SIMVCC(SIM_VCC)、SIMRST(SIM_RST)、SIMCLK(SIM_CLK)、SIMRIO(SIM_DATA)、SIMIN(GND)与手机卡SIM-UIM芯片相应引脚相连。K2为GC864的复位开关。Q3、LED3构成电源指示电路，Q2、LED2为GC864工作状态指示电路，GC864工作时LED2闪烁。

参阅图13，MAX3232为TTL/RS-232电平转换器，通过它使ZICM2410芯片经J2与PC机通信，以便对ZICM2410芯片编程、调试和固化。

参阅图14，监控主机由GSM模块、电平转换电路、串口、监控主机电源电路组成。GSM模块、电平转换电路、串口依次连接，监控主机电源电路分别为GSM模块、电平转换电路供电。电平转换电路将基站传送来的滑坡信息经串口、RS-232电缆送往PC机。

PC机软件系统包括实时显示界面与后台管理数据库两部分，实时显示界面查看当前时刻的滑坡信息，也可以通过后台管理数据库查看历史滑坡信息。

参阅图15，采集节点上电，ZICM2410芯片中的单片机初始化，初始化包括：设置单片机工作时钟，配置各IO口，配置定时器，设置ADC工作模式，设置串口，设置为32768Hz时钟频率下的低功耗模式并接着启动定时器。判断是否到1小时。若未到1小时，则等待；如已到1小时，则接通各传感器及调理电路的电源，ZICM2410芯片内单片机的ADC分别对位移传感器、温度传感器、土壤湿度传感器的模拟输入电压进行模数转换。通过P16读入倾斜度值。上述四个数字量经过标度变换产生相应的位移值、温度值、土壤湿度值和倾斜度值。紧接着将上述四个值以数据包的形式由ZICM2410芯片内的无线收发模块发往基站。发送结束，命令模块重新进入低功耗模式。此后又回到1小时时间到否的循环点。

Claims (4)

1.一种滑坡监测装置，其特征在于：该装置由数个采集节点、基站、监控主机和PC机组成；

采集节点由传感器、信号调理电路、ZICM2410芯片，电源变换电路、电池组成，传感器、信号调理电路、ZICM2410芯片依次连接，电池经电源变换电路分别为以上各电路供电，传感器为位移传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、倾斜度传感器；

其中，位移传感器将位移量转换为电压信号；

土壤温度为热敏电阻型传感器、土壤湿度为湿敏电阻型传感器，埋在滑坡内，以观测降雨期间土壤温度、土壤湿度，并分别将土壤温度、土壤湿度转换为与之相应的电压信号；

倾斜度为微电子机械型传感器，埋于滑坡内，以监测滑坡变形，并将倾斜度转换为串行数字量；

基站包括ZICM2410芯片、GSM模块和电源电路，电源电路由锂离子电池组、DC-DC变换器组成，ZICM2410芯片、GSM模块依次连接，锂离子电池组经DC-DC变换器提供ZICM2410芯片、GSM模块的供电，基站负责接收各采集节点的信息并经GSM网络以短信的方式发送至监控主机。

2.根据权利要求1所述一种滑坡监测装置，其特征在于：由ZICM2410芯片定时接通三种传感器及相应信号调理电路的电源，并对三种传感器信号进行模数转换，再将信息发送至基站；在非采集时段ZICM2410芯片处于微功耗状态。

3.根据权利要求1所述一种滑坡监测装置，其特征在于：所述基站与监控主机通过GSM网络通信。

4.根据权利要求1所述一种滑坡监测装置，其特征在于：土壤温度、土壤湿度传感器为ES1101型；倾斜度传感器为SCA100T。

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