CN203396427U

CN203396427U - 基于物联网的泥石流临灾监测系统

Info

Publication number: CN203396427U
Application number: CN201320527490.1U
Authority: CN
Inventors: 杨裔; 杜谨泽; 邓毓博; 李彩虹; 贵向泉; 李守亮; 李廉
Original assignee: Lanzhou University
Current assignee: Lanzhou University
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2023-08-28

Abstract

本实用新型公开了一种基于物联网的泥石流临灾监测系统，包括物联网云端服务器，以及与云端服务器通信连接的气象中心，所述云端服务器通信连接无线传感网，所述无线传感网包括网络节点、土壤水分传感器、土壤内部压力传感器以及定位装置，所述土壤水分传感器、土壤内部压力传感器和定位装置检测的数据均通过网络节点传输至云端服务器。通过需要监控泥石流的地区布设无线传感网，通过无线传感网中的土壤水分传感器、土壤内部压力传感器对土壤的检测，以及定位装置对土壤移动位移的检测，以及结合气象中心采集的周围的气象数据，经过云端处理器的计算和模拟，达到了对泥石流灾害进行，实时监控且精确度高的目的。

Description

基于物联网的泥石流临灾监测系统

技术领域

本实用新型涉及泥石流检测领域，具体地，涉及一种基于物联网的泥石流临灾监测系统。

背景技术

目前，物联网的出现，实现了全球亿万种物品之间的互连，将不同行业、不同地域、不同应用、不同领域的物理实体按其内在关系紧密地关联在一起。作为崭新的综合性信息系统，物联网并不是单纯的，它包括信息的感知、传输、处理决策、服务等多个方面，呈现出自身显著的特点；物联网是一个由云端组成的一个庞大网络，随着传感器网络大规模部署，各种终端就像蓝海一样，分布到各种各样基础设施上收集信息，在通过各种网络将这些信息发送到云端进行计算和处理，经过计算和处理的信息最后到了应用层为不同的领域各种各样行的支撑服务。

物联网的关键核心技术就是无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）技术，该是二十一世纪最有影响力的二十一项技术之一、改变世界的十大技术之一和全球未来的三大高科技之一。这些美誉的接踵而至为无线传感器网络开启了广阔的发展前景和应用空间。

高效的数据融合、云计算等先进技术能够实现海量数据存储与智能高效决策，与无线传感器网络技术的有机结合将目前物联网的应用得到了更大的扩展，不仅仅限于农业，医疗，更适用于交通，环境等广泛应用，将逐步实现真正的“万物互联互通”。

我国是世界上泥石流灾害最为严重的国家之一，甘肃省尤为严重，特别是2010年发生的甘肃舟曲特大泥石流灾害造成了巨大的人员伤亡及经济损失。为了有效预防滑坡和泥石流，政府相关部门相继采取了多项措施，不断健全泥石流监测预警技术，并取得了一些成果。

在泥石流监测方面，国内科研人员已经研发出了一些针对泥石流的监测预警，

但现有的泥石流监测预警装置和系统，都存在以下弊端：监测设备单一固定，系统缺乏统一的数据管理与共享，无法进行海量数据管理，监测数据精确性与可靠度不够高，实时性较差，设备成本太高等。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种基于物联网的泥石流临灾监测系统，以实现实时监控且精确度高的优点。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于物联网的泥石流临灾监测系统，包括物联网云端服务器，以及与云端服务器通信连接的气象中心，所述云端服务器通信连接无线传感网，所述无线传感网包括网络节点、土壤水分传感器、土壤内部压力传感器以及定位装置，所述土壤水分传感器、土壤内部压力传感器和定位装置检测的数据均通过网络节点传输至云端服务器。

根据本实用新型的优选实施例，所述网络节点通过3G网络与云端服务器通信。

根据本实用新型的优选实施例，所述土壤水分传感器包括第一电源模块、第一处理器模块、第一通信模块和第一传感器模块，所述第一通信模块和第一传感器模块均与第一处理器模块电连接，所述第一电源模块为第一处理器模块、第一通信模块和第一传感器模块提供直流电源。

根据本实用新型的优选实施例，所述土壤水分传感器封装在环氧树脂纯胶体内。

根据本实用新型的优选实施例，所述土壤内部压力传感器包括第二电源模块、第二处理器模块、第二通信模块和第二传感器模块，所述第二通信模块和第二传感器模块均与第二处理器模块电连接，所述第二电源模块为第二处理器模块、第二通信模块和第二传感器模块提供直流电源。

根据本实用新型的优选实施例，所述第二传感器模块由两层衬底构成，该两层衬底的内表面均覆盖导体材料，在导体材料上覆盖对压力敏感的墨水，所述两层衬底的内表面通过粘合剂粘合在一起。

根据本实用新型的优选实施例，所述定位装置包括第三电源模块、第三处理器模块、第三通信模块和第三传感器模块，所述第三通信模块和第三传感器模块均与第三处理器模块电连接，所述第三电源模块为第三处理器模块、第三通信模块和第三传感器模块提供直流电源，所述第三传感器模块至少集成加速度传感器、方向传感器、地磁传感器和GPS。

本实用新型的技术方案具有以下有益效果：

本实用新型的技术方案，通过需要监控泥石流的地区布设无线传感网，通过无线传感网中的土壤水分传感器、土壤内部压力传感器对土壤的检测，以及定位装置对土壤移动位移的检测，以及结合气象中心采集的周围的气象数据，经过云端处理器的计算和模拟，达到了对泥石流灾害进行，实时监控且精确度高的目的。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型实施例所述的基于物联网的泥石流临灾监测系统原理示意图；

图2为本实用新型实施例所述的土壤水分传感器的原理框图；

图3为本实用新型实施例所述的土壤内部压力传感器的原理框图；

图4为本实用新型实施例所述的定位装置的原理框图；

图5为本实用新型实施例所述的位移计算示意图；

图6为本实用新型实施例所述的感知精度和节点个数对照图；

图7为本实用新型实施例所述的布网成本和节点个数的对照图；

图8为本实用新型实施例所述的定位方法的精度对照图。

结合附图，本实用新型实施例中附图标记如下：

1-网络节点；2-气象中心；3-3G基站。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，一种基于物联网的泥石流临灾监测系统，包括物联网云端服务器，以及与云端服务器通信连接的气象中心，云端服务器通信连接无线传感网，无线传感网包括网络节点、土壤水分传感器、土壤内部压力传感器以及定位装置，土壤水分传感器、土壤内部压力传感器和定位装置检测的数据均通过网络节点传输至云端服务器。

其中，网络节点通过3G网络与云端服务器通信。

如图2所示，土壤水分传感器包括第一电源模块、第一处理器模块、第一通信模块和第一传感器模块，第一通信模块和第一传感器模块均与第一处理器模块电连接，第一电源模块为第一处理器模块、第一通信模块和第一传感器模块提供直流电源。土壤水分传感器封装在环氧树脂纯胶体内。携带方便，安装、操作及维护简单。结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命。外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀。土质影响较小，应用地区广泛。测量精度高，性能可靠，土壤水分传感器的各项具体参数如表一所示，

表一、土壤水分传感器具体参数表：

。

如图3所示，土壤内部压力传感器包括第二电源模块、第二处理器模块、第二通信模块和第二传感器模块，第二通信模块和第二传感器模块均与第二处理器模块电连接，第二电源模块为第二处理器模块、第二通信模块和第二传感器模块提供直流电源。第二传感器模块由两层衬底构成，衬底可由聚脂纤维薄膜组成(高温传感器用的是聚酰亚胺)构成，第二传感器模块由两层衬底构成，该两层衬底的内表面均覆盖导体材料，在导体材料上覆盖对压力敏感的墨水，然后用粘合剂把两层衬底压在一起。压力传感器是将施加在FSR传感器薄膜区域的压力值转换成电阻值的变化，从而获得压力信息。压力越大，电阻越低。土壤内部压力传感器的各项具体参数如表二所示，

表二、土壤内部压力传感器参数表：

。

如图4所示，定位装置包括第三电源模块、第三处理器模块、第三通信模块和第三传感器模块，第三通信模块和第三传感器模块均与第三处理器模块电连接，第三电源模块为第三处理器模块、第三通信模块和第三传感器模块提供直流电源，第三传感器模块至少集成加速度传感器、方向传感器、地磁传感器和GPS。

位移的计算分为线位移的计算和角位移的计算两个部分。如图5所示，线位移和角位移的计算主要分为计算和校准过程。位移的计算主要通过积分过程来完成的。提取到的三个轴向的加速度值联合提取到的方向角度值，投影到地球空间坐标系中，再经过二次积分就得到的三个轴向的位移数值，再计算合位移就得到运动过程中的直线距离。

三轴加速度传感器得到三个相对节点面板方向上加速度的数值，由于加速度的数值的方向总是沿着节点姿态的方向，就需要利用方向传感器得到节点的姿态，方向传感器的返回值是三个角度值，这三个角度分别是节点坐标系相对于地面空间坐标系的三个方向的夹角，这三个量表征节点姿态，利用这三个量将加速度值投影到空间坐标系，然后逐个方向计算位移。

位移计算过程如下：

由三轴加速度传感器获取加速度值，分别是相对节点界面m、n、l三个方向的加速度数值、

、，在获取的时候设置获取的，采样率越高位移计算越精确，采样率暂且设置成60 microseconds（一百万分之一秒），提取一次数值。采用方向传感器获取节点姿态，得到节点界面x、y、z三个方向与地面空间坐标系之间的夹角数值，分别为

、

、

，这个采样率和加速度传感器的采样率保持一致。由此可以得到坐标变换矩阵如下：

（1）

投影计算：将加速度数值投影到地面空间坐标系中分别计算，地面空间坐标系中的加速度值为

、

、

，

(2)

位移增量计算：三个方向上的位移增量记为

、、

，

(3)

则合位移增量计算如下：

(4)

上述计算公式中起始速度

，

为传感器采样时间，

为

时间点的传感器移动速度。

采用是大约设置为采样间隔60 microseconds，这个时间间隔可由处理器获取。位移在计算的时候采用累加方式计算，即通过积分的方式得到长时间段内的位移数值，如公式所示：

(5)

上式中

初始值为0，

为

时刻之后的位移。

地磁传感器即陀螺仪，陀螺仪和方向传感器之间存在联系，陀螺仪中获得的是三个轴向的角速度，角速度与时间的乘积就是夹角增量值，利用这个关系获得节点姿态，用于投影计算。

本实用新型技术方案中各个电器件的价格如表三所示，可见本实用新型的技术方案成本低，

表三、无线传感器网络中元器件价格表：

。

表4、无线传感器网络中元器件型号表：

。

布置无线传感网是，首先综合考虑地区的人口密度、经济密度、地质构造、项目建设等情况，当敏感区域的降雨量变化较大时，部署无线传感器网络对地质灾害易发区域进行临灾监测。无线传感器网络主要包括土壤内部压力传感器节点、土壤水分传感器节点、定位装置节点、M2M网关等设备，最后将采集到的相关信息数据发送到数据处理中心，做进一步的分析处理工作，为临灾预测提供信息依据。系统将无线传感器网络监测收集到的数据结合气象监测收集到的数据存储在云端服务器，并进行计算处理，根据泥石流灾害预测模型进行分析推演，模拟出泥石流灾情并对灾情进行评估。通过网络将灾情数据、图表以及泥石流模拟视频传输到相关主管部门单位进行灾情预报，做出最终抗灾、防灾、减灾等决策。

在无线传感网上集成土壤水分传感器、土壤内部压力传感器来实时监测敏感区域的土壤内部的关键参数的变化；在泥石流发生的过程中，网络节点会随着泥石流的移动而移动，对泥石流内部参数进行实时跟踪监测并实时向外传输数据。其中定位装置上，我们集成了加速度传感器、方向传感器、地磁传感器和GPS等器件，对节点进行精确定位，并根据节点的位移来计算泥石流的流速；当泥石流即将发生以及发生初期，其内部各种参数会出现急剧变化，将产生海量的异构数据，并采用云存储、高效数据融合及高性能自治计算等手段，对监测到的数据进行高效管理，结合泥石流发生预警模型，对泥石流的爆发进行可靠精确地预测；根据处理结果对泥石流的爆发进行反演，在客户端可直接观看到数据变化情况，数据变化曲线图，模拟泥石流爆发的状况及区域，利用互联网、3G网络等与相关气象预报单位、地方政府及社会公共安全等单位进行数据组网，形成一个泥石流灾情预报网络。

在无线传感网上的监测节点上集成土壤水分传感器、土壤内部压力传感器来实时监测敏感区域的土壤内部的关键参数的变化；在泥石流发生的过程中，网络节点会随着泥石流的移动而移动，对泥石流内部参数进行实时跟踪监测并实时向外传输数据。其中监测节点的定位装置上，我们集成了加速度传感器、方向传感器、地磁传感器和GPS等器件，对节点进行精确定位，并根据节点的位移来计算泥石流的流速。

如图 6、图7所示，定义感知精度=监测面积/节点个数，布网成本=节点单价×数量+网关成本，当监测面积为100m×100m，节点个数为30时，感知精度为333.33

，布网总成本为24000元，单位面积布网成本为2.40元。相比现有的泥石流监测设备，本实用新型技术方案的传感器节点具有低成本的特性。

如图8所示，多传感器定位在小于5m范围定位误差约为10%，多传感器定位即采用加速传感器、方向传感器和地磁传感器的定位方法，适合小范围定位。GPS定位精度在5-10m之间，适合较大范围定位。两种定位方位联合使用，互相补充，可以较为精确地跟踪流速小于10m/s的泥石流。

另本实用新型所用到的软件均为现有技术，如泥石流灾害预测模型等。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于物联网的泥石流临灾监测系统，包括物联网云端服务器，下文简称云端服务器，以及与云端服务器通信连接的气象中心，其特征在于，所述云端服务器通信连接无线传感网，所述无线传感网包括网络节点、土壤水分传感器、土壤内部压力传感器以及定位装置，所述土壤水分传感器、土壤内部压力传感器和定位装置检测的数据均通过网络节点传输至云端服务器。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的泥石流临灾监测系统，其特征在于，所述网络节点通过3G网络与云端服务器通信。

3.根据权利要求1或2所述的基于物联网的泥石流临灾监测系统，其特征在于，所述土壤水分传感器包括第一电源模块、第一处理器模块、第一通信模块和第一传感器模块，所述第一通信模块和第一传感器模块均与第一处理器模块电连接，所述第一电源模块为第一处理器模块、第一通信模块和第一传感器模块提供直流电源。

4.根据权利要求3所述的基于物联网的泥石流临灾监测系统，其特征在于，所述土壤水分传感器封装在环氧树脂纯胶体内。

5.根据权利要求1或2所述的基于物联网的泥石流临灾监测系统，其特征在于，所述土壤内部压力传感器包括第二电源模块、第二处理器模块、第二通信模块和第二传感器模块，所述第二通信模块和第二传感器模块均与第二处理器模块电连接，所述第二电源模块为第二处理器模块、第二通信模块和第二传感器模块提供直流电源。

6.根据权利要求5所述的基于物联网的泥石流临灾监测系统，其特征在于，所述第二传感器模块由两层衬底构成，该两层衬底的内表面均覆盖导体材料，在导体材料上覆盖对压力敏感的墨水，所述两层衬底的内表面通过粘合剂粘合在一起。

7.根据权利要求1或2所述的基于物联网的泥石流临灾监测系统，其特征在于，所述定位装置包括第三电源模块、第三处理器模块、第三通信模块和第三传感器模块，所述第三通信模块和第三传感器模块均与第三处理器模块电连接，所述第三电源模块为第三处理器模块、第三通信模块和第三传感器模块提供直流电源，所述第三传感器模块至少集成加速度传感器、方向传感器、地磁传感器和GPS。