專利名稱：一種地表位移實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種低成本的山體滑坡實(shí)時監(jiān)測技術(shù)，特別是針對山體滑坡導(dǎo)致地表位移的低成本實(shí)時監(jiān)測技術(shù)。
背景技術(shù)：
由于特殊的地質(zhì)構(gòu)造，山體滑坡成為我國西部地區(qū)最為廣泛的一種次生地質(zhì)災(zāi)害。山體滑坡監(jiān)測就是通過各種技術(shù)方法來預(yù)測滑坡的趨勢，是預(yù)防滑坡的主要手段。通過滑坡監(jiān)測，可以了解和掌握滑坡體的演變過程，及時捕捉滑坡災(zāi)害的特征信息，為預(yù)防滑坡提供科學(xué)依據(jù)。目前，用于滑坡監(jiān)測的技術(shù)方法，概括起來有3類1)人工測量技術(shù)；2)GPS 測量系統(tǒng)；3)地災(zāi)傳感器監(jiān)測系統(tǒng)。上述監(jiān)測技術(shù)中，人工測量要求監(jiān)測人員在現(xiàn)場完成對數(shù)據(jù)的采集，不僅自動化程度低，勞動量大，而且不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測；第2)和第3)兩種技術(shù)雖然解決了實(shí)時監(jiān)測問題，但系統(tǒng)造價高、施工難度大、維護(hù)困難，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種低成本的地表位移實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，它利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Senior Network，WSN)節(jié)點(diǎn)自定位技術(shù)，直接獲取地表位移發(fā)生信息，不僅可以完全取消地災(zāi)監(jiān)測傳感器，而且可以遠(yuǎn)程接收地災(zāi)信息，具有價格低廉、施工簡單、 運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用少等特點(diǎn)。本實(shí)用新型所述的一種地表位移實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，其包括位于滑坡現(xiàn)場的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)、無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)以及位于監(jiān)控中心的中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)(簡稱中央監(jiān)控機(jī))?，F(xiàn)場ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和中央監(jiān)控機(jī)間通過無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。在需要進(jìn)行滑坡監(jiān)測的山體上布置ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括錨節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)，其中布置在滑坡體上的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)稱為定位節(jié)點(diǎn)，布置在滑坡體周圍穩(wěn)定基巖或物體上的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)稱為錨節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置不變，且為已知。所述錨節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)利用ZigBee的自組織網(wǎng)絡(luò)通信方式，組成一個位于滑坡現(xiàn)場的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；在所述錨節(jié)點(diǎn)中指定一個為現(xiàn)場主站，現(xiàn)場主站上集成有GPRS通信模塊，通過無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心的中央監(jiān)控機(jī)進(jìn)行通信，監(jiān)控中心的中央監(jiān)控機(jī)上保存有各定位節(jié)點(diǎn)的原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)。所述中央監(jiān)控機(jī)通過對比分析定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的變化，來確定地表位移的發(fā)生，由此發(fā)出地表位移發(fā)生時間和位移量等警報(bào)信息。由于無線電波在傳播過程中的能量損耗跟傳播距離間存在著特定的關(guān)系。利用該特性，當(dāng)山體滑坡產(chǎn)生地表位移時，相應(yīng)的定位節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)間的距離就會發(fā)生變化，該距離變化必然在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中定位節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)間的通信能量損耗上反映出來；反之，如果測出定位節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)間的能量損耗值發(fā)生了變化，即可說明有地表位移發(fā)生。此時，通過計(jì)算各個定位節(jié)點(diǎn)新的坐標(biāo)位置，并遠(yuǎn)傳給監(jiān)控中心的中央監(jiān)控機(jī)。中央監(jiān)控機(jī)將定位節(jié)點(diǎn)本次定位的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)和定位時間存入數(shù)據(jù)庫，然后讀取定位節(jié)點(diǎn)的原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)跟本次位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)作比較，即可確定地表位移量，并發(fā)出地表位移發(fā)生時間和位移量等警報(bào)信息。利用上述系統(tǒng)進(jìn)行地表位移實(shí)時監(jiān)測的過程如下監(jiān)控中心的中央監(jiān)控機(jī)上保存有各定位節(jié)點(diǎn)的原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)。中央監(jiān)控機(jī)向現(xiàn)場ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)發(fā)定位指令，設(shè)置定位周期，隨后接收現(xiàn)場主站發(fā)回的定位節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。所述定位節(jié)點(diǎn)是通過運(yùn)行優(yōu)化RSSI定位算法得到自身位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并經(jīng)現(xiàn)場主站將位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控機(jī)。如中央監(jiān)控機(jī)接收到的定位節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)與其原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)一致，說明未發(fā)生地表位移，滑坡體穩(wěn)定。如中央監(jiān)控機(jī)接收到的定位節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)與其原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)不一致，說明滑坡體出現(xiàn)滑動，存在滑坡的危險(xiǎn)，此時，又分兩種情況處理1).當(dāng)定位節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)與原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)不一致且為無效定位信息(即全部為0)時，監(jiān)控計(jì)算機(jī)立即發(fā)出重復(fù)定位指令，驗(yàn)證本次定位數(shù)據(jù)的正確性。若連續(xù)至少2次驗(yàn)證依然為無效定位信息時，說明滑坡已發(fā)生，立即發(fā)出滑坡(故
障)警報(bào)。若重復(fù)定位數(shù)據(jù)恢復(fù)為原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)，則按原定位周期繼續(xù)對滑坡體進(jìn)行監(jiān)測。2)當(dāng)定位節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)與原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)不一致且為有效定位數(shù)據(jù)時，則縮短定位周期，繼續(xù)獲取定位節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)。如果定位節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)至少連續(xù)3次發(fā)生變化，立即發(fā)出滑坡警報(bào)。如果定位節(jié)點(diǎn)位置未出現(xiàn)連續(xù)變化，說明滑坡體雖有滑動，但目前暫時穩(wěn)定，此時，不發(fā)出滑坡警報(bào)，但按縮短的定位周期，繼續(xù)對滑坡體進(jìn)行監(jiān)測。由上述系統(tǒng)和方法可見，本實(shí)用新型具有如下有益效果(1)利用WSN節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，既獲取地表位移信息，又實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場信息的通信，簡單方便、易操作。(2)利用無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心的通信，在監(jiān)控中心可遠(yuǎn)程接收地災(zāi)信息。(3)不需要地表位移監(jiān)測一次儀表，現(xiàn)場不需任何布線，既降低了施工難度，又減少了工程成本。(4)采用低功耗ZigBee網(wǎng)絡(luò)，不僅節(jié)能，而且技術(shù)成熟、價格低廉。
圖1系統(tǒng)架構(gòu)圖；圖2現(xiàn)場ZigBee網(wǎng)絡(luò)；圖3定位節(jié)點(diǎn)主程序流程圖；圖4定位節(jié)點(diǎn)外部中斷服務(wù)程序流程圖；圖5定位節(jié)點(diǎn)時鐘中斷服務(wù)程序流程圖；圖6中央監(jiān)控機(jī)程序流程圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明?；卢F(xiàn)場Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置如圖2所示，1為滑坡體，2-4為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 其中，2為定位節(jié)點(diǎn)，布置在滑坡體上；3、4為錨節(jié)點(diǎn)，布置在滑坡體四周穩(wěn)定的基巖體或物體上。錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置不變，且為已知，其中4被定為現(xiàn)場主站。定位節(jié)點(diǎn)2通過運(yùn)行優(yōu)化RSSI定位算法得到自身位置坐標(biāo)，然后將位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場主站4，現(xiàn)場主站4除具有錨節(jié)點(diǎn)功能外，同時還集成有GPRS芯片，通過無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)將定位節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)方監(jiān)控中心。基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的地表位移監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，該監(jiān)測系統(tǒng)包括位于滑坡現(xiàn)場的ZigBee網(wǎng)絡(luò)和位于監(jiān)控中心的中央監(jiān)控機(jī)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控計(jì)算機(jī)間通過無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。滑坡現(xiàn)場的WSN利用ZigBee的自組織網(wǎng)絡(luò)通信方式，組成一個位于滑坡現(xiàn)場的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖3 圖5所示，現(xiàn)場ZigBee網(wǎng)絡(luò)中定位節(jié)點(diǎn)的定位方法過程如下(1)定位節(jié)點(diǎn)初始化；(2)置中斷標(biāo)志位；(3)在休眠等待狀態(tài)中，如果有中斷發(fā)生，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序執(zhí)行，執(zhí)行完畢后，自動返回主程序；.(4)根據(jù)兩個中斷標(biāo)志的三種不同狀態(tài)，識別發(fā)生中斷的種類(分別為重復(fù)定位指令、設(shè)置定位周期或定位周期到中斷)，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的處理。為得到定位節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，本實(shí)用新型提出了一種優(yōu)化RSSI算法，其步驟如下(1)設(shè)定定位周期；(2)定位時間到，定位節(jié)點(diǎn)發(fā)出定位請求，以廣播方式通知各個錨節(jié)點(diǎn)；(3)錨節(jié)點(diǎn)收到請求后，發(fā)送確認(rèn)信息返回給定位節(jié)點(diǎn)；(4)將至少6個錨節(jié)點(diǎn)按每組3個分為若干組，如錨節(jié)點(diǎn)A、B、C為一組，由方程組 (1)求各錨節(jié)點(diǎn)的模型參數(shù)，如以A點(diǎn)為例式中，dA3、分別為錨節(jié)點(diǎn)A、B和A、C之間的距離；PL表示路徑損耗值，由測試決定，單位dbm ； 為近地參考距離，通常定為lm。同理，可求得其余各錨節(jié)點(diǎn)的模型參數(shù)墳、％, i=l···!!。(5)根據(jù)公式(幻、4)確定該定位環(huán)境中的模型參數(shù)β和JT。
權(quán)利要求1. 一種地表位移實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，其包括位于滑坡現(xiàn)場的ZigBee網(wǎng)絡(luò)、無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)以及位于監(jiān)控中心的中央監(jiān)控機(jī)，現(xiàn)場ZigBee網(wǎng)絡(luò)和中央監(jiān)控機(jī)間通過無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，其特征在于所述滑坡現(xiàn)場的ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括錨節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)，其中布置在滑坡體上的節(jié)點(diǎn)稱為定位節(jié)點(diǎn)，布置在滑坡體周圍穩(wěn)定基巖或物體上的節(jié)點(diǎn)稱為錨節(jié)點(diǎn)，錨節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置不變，且為已知；所述錨節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)利用ZigBee的自組織網(wǎng)絡(luò)通信方式，組成一個位于滑坡現(xiàn)場的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；在所述錨節(jié)點(diǎn)中有一個為現(xiàn)場主站，現(xiàn)場主站上集成有GPRS通信模塊，通過無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)與位于監(jiān)控中心的中央監(jiān)控機(jī)進(jìn)行通信，中央監(jiān)控機(jī)上保存有各定位節(jié)點(diǎn)的原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)；所述中央監(jiān)控機(jī)通過對比分析定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的變化，來確定地表位移的發(fā)生，由此發(fā)出地表位移發(fā)生時間和位移量警報(bào)信息。
專利摘要一種低成本的地表位移實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，包括滑坡現(xiàn)場的ZigBee網(wǎng)絡(luò)、無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控中心的中央監(jiān)控機(jī)。在需要滑坡監(jiān)測的山體上布置ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在滑坡體上的為定位節(jié)點(diǎn)，在滑坡體周圍穩(wěn)定基巖或物體上的為錨節(jié)點(diǎn)。錨節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)利用ZigBee的自組織網(wǎng)絡(luò)通信方式組成位于滑坡現(xiàn)場的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在錨節(jié)點(diǎn)中指定一個為現(xiàn)場主站，集成有GPRS通信模塊，通過無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)與中央監(jiān)控機(jī)通信，中央監(jiān)控機(jī)上保存有各定位節(jié)點(diǎn)的原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過對比分析定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的變化，來確定地表位移的發(fā)生，由此發(fā)出地表位移發(fā)生時間和位移量等警報(bào)信息。本實(shí)用新型不僅可完全取消地災(zāi)監(jiān)測傳感器，而且可遠(yuǎn)程接收地災(zāi)信息。
文檔編號G01S11/02GK202014272SQ20112003391
公開日2011年10月19日 申請日期2011年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月31日
發(fā)明者卿曉霞, 李文田, 王波, 王誠 申請人:重慶大學(xué)