一种基于UWB的位移监测系统及工作方法

一种基于uwb的位移监测系统及工作方法
【技术领域】
1.本发明涉及uwb(ultra wide band，超宽带)技术领域，具体涉及一种基于uwb的位移监测系统及工作方法。


背景技术：

2.超宽带技术是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，uwb技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，截获能力低，定位精度高等优点，此外，采用uwb技术，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点，同时uwb技术具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而gps只能工作在gps定位卫星的可视范围之内。与gps提供绝对地理位置不同，超宽带无线电定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级，因此将uwb定位技术运用在对于山体等自然物质的检测，对地质灾害进行预警是具有十分重要的现实意义的。
3.但是，如何根据uwb定位技术，对目标的监测区域进行相关检测，避免出现山体滑坡等地质灾害的运用，还不够方便，如何判定山体出现异常，该针对性进行何种报警，方式不明；基于此，现提供一种技术方案。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于uwb的位移监测系统及工作方法，能够克服上述的技术问题，通过对各检测分区进行划分及标识，区域化地对植被情况进行监测，是一种结构简单且容易实现的系统及方法。
5.本发明的技术方案：一种基于uwb的位移监测系统，如附图所示，其特征在于它包括图像处理模块、图像模拟模块、数据存储模块、数据处理器、报警单元、基站、分区模块和标记模块；其中，所述分区模块用于对待监测区域进行区域分割，得到由至少2个监测分区构成的监测区域；所述基站模块不少于1个，安装在每个监测分区地质结构稳定的地方，其输入端与标记模块的输出端及分区模块的输出端呈信号传输连接，其输出端依次与图像模拟模块和图像存储模块；所述数据存储模块、数据处理器模块和报警模块依次呈串联数据连接；所述图像处理模块的输入端连接图像模拟模块的输出端，其输出端与报警模块连接。
6.所述基站上配置有温度传感器和湿度传感器，用于获取监测区域中的环境温度和环境湿度。
7.所述监测分区内分别设置有基站，所述基站均部署于每个监测分区地质结构稳定的位置。
8.所述标记模块设置在每个所述监测分区中，用于进行特征标签的标记。
9.所述特征标签包括植被和裸露岩石的信息。
10.所述标记模块与基站之间通过无线方式传递信号，所述标记模块用于接受指令并发射uwb定位脉冲信号。
11.所述分区模块用于对监测区域进行区域分割，具体分割方式为：
12.步骤一：获取待监测区域信息；
13.步骤二：以固定预设面积的方式对步骤一获取到的待监测区域进行矩形监测区域标定，矩形监测区域的标定数不少于2个，要求能够覆盖整个待监测区域；
14.步骤三：对步骤二得到的矩形监测区域的边缘不规则部分进行修剪调整，即：矩形监测区域的边缘替换成与其对应的不规则区域，得到与每个矩形监测区域对应的新的边缘区域，所有的边缘区域和与其对应的矩形监测区域共同构成监测区域；
15.步骤四：将边缘区域和矩形区域标记为监测分区；
16.一种基于uwb的位移监测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：
17.s1：获取坐标信息组内的位置坐标信息；
18.s2：从步骤s1获取的位置坐标信息中任选一个位置坐标信息；
19.s3：对所选择位置坐标信息对应的位置，由位置标记模块设定时间间隔，即选择每隔p1时间获取一次位置坐标信息记录，得到坐标点di(xi，yi，zi)，其中i表示该天的第i次记录，且i＝1、2、3、4
……
；p1为预设值，具体可取值为10秒；
20.s4：在获取位置坐标信息的同时，由基站通过温度传感器和湿度传感器实时采集该基站所在监测分区的湿度信号hi和温度信号ti，且hi和ti与坐标点di一一对应；
21.s5：当i大于等于2之后，通过连续两次得到的坐标位置信息即可计算得到位移检测值li，如式(1)所示
[0022][0023]
式中，kt为修正系数，通过公式(2)计算得到：
[0024][0025]
其中，ti和hi分别表示基站所在监测分区中第i次测量的温度和湿度，t0和h0分别表示基站所在监测区域的年平均温度和年平均湿度；
[0026]
s6：根据公式(1)计算得到的li值进行警报判定，即：
[0027]
当l
i
大于等于x1，且之后连续5次均出现l
i
大于等于x1的情况，此时将启动报警单元发出三级报警；
[0028]
s7：改变位置标记模块的时间间隔，记为p2，p2为预设值，重复步骤s5，当再次出现连续5次l
i
均大于等于x1的情况，由报警单元发出二级报警；
[0029]
所述步骤s7中位置标记模块的时间间隔p2比步骤s3中的时间间隔p1小，即缩短了获取位置坐标信息的时间间隔，实施例中取值为5秒。
[0030]
s8：继续改变位置标记模块的时间间隔，记为p3，p3为预设值，重复步骤s5，当出现连续10次l
i
均大于等于5cm的情况，报警单元则发出一级报警；x1具体取值为10cm；
[0031]
所述步骤s8中位置标记模块的时间间隔p3比步骤s3中的时间间隔p1小，实施例中取值为1s。
[0032]
s9：从步骤s1获取的位置坐标信息中任选另一个位置坐标信息，重复步骤s3
‑
s8，直到对所有的位置坐标信息处理完毕；
[0033]
s10：当经过步骤s3
‑
s9后产生报警的监测分区的个数占监测分区总数的比例超过
x2时，将由报警单元发出特级警报信号。
[0034]
所述步骤s10中的x2为预设值，实施例中取35％。
[0035]
s11：将步骤s6
‑
s10得到的警报信号融合成警报信息。
[0036]
本发明的工作原理：标记模块自动获取特征标签的位置坐标信息，并将位置坐标信息上传至基站；基站接收所有的标记模块传输的位置坐标信息，得到坐标信息组，并将坐标信息组传输至数据存储模块，数据处理器模块则结合数据存储模块对坐标信息组进行计算处理，并根据计算处理结果通过报警单元进行报警，以通知管理人员。
[0037]
待监测区域分割成若干监测分区，每个监测分区中均固定连接有一个基站，所述基站均部署于每个监测分区地质结构稳定的位置，所述基站上配置有温度传感器和湿度传感器，用来记录监测区域中的环境温度和环境湿度，每个所述监测分区中设置有若干标记模块，每个标记模块标记一个特征标签，所述特征标签包括植被、裸露岩石，将检测区域进行网格化划分，每个标记模块负责检测一处特征标签，检测得到的位置坐标经基站上传至数据存储模块进行收集存储。
[0038]
通过计算得出位移检测值l
i
，当出现l
i
大于等于10cm时，且之后连续5次出现l
i
均大于等于10cm的情况，报警单元发出三级报警；随后位置标记模块的数据间隔自动缩短为5s，当再次出现连续5次l
i
均大于等于10cm的情况，由报警单元发出二级报警；随后位置标记模块的数据间隔自动缩短为1s，当出现连续10l
i
均大于等于5cm的情况，报警单元发出一级报警，通过l
i
判断裸露岩石的位移状况，当发生连续性移动时，不断缩短检测的间隔时间，采集更多的位移信息，进行判断，在监测区域处于雨季时，直接缩短位置坐标的检测间隔时间，直接进行一级报警，提高特殊状况下检测数据的有效性。
[0039]
每个所述监测分区中设置有若干标记模块通过记录特征标签中植被的位置坐标，由数据存储模块将位置坐标导入图像模拟模块，将位置坐标转化为模拟图像信息，并将模拟图像信息传输至图像处理模块，获取图像的灰度平均值、灰度最大值和灰度最小值，并分别将灰度平均值、灰度最大值和灰度最小值标记为hdp、hdd、hdx,通过公式求得xp，首先对模拟图像的有效性进行判断，再对有效图像的面积数据进行框选，比较面积变化情况，如果存在面积变化过快的情况，考虑地质灾害发生的可能性，同时进行报警。
[0040]
本发明的优越性：通过将检测区域划分成若干检测分区，再通过若干标记模块对每个检测分区上的特征标签包括植被、裸露岩石进行实时间断性检测，将每个监测间断点的位置坐标信息记录至数据存储模块，再通过数据处理模块计算出位移数据，同时考虑环境的湿度和温度情况加以修正，得到位移检测值，当位移检测值有一定风险值时，通过缩短位移记录间隔的方式，更多的采集位移信息，监测上述裸露岩石的移动状况，对可能发生的地质灾害进行预警。
【附图说明】
[0041]
图1为本发明所涉一种基于uwb的位移监测系统的整体结构框图。
【具体实施方式】
[0042]
实施例：
[0043]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0044]
如图1所示，一种基于uwb的位移监测系统，
[0045]
实施例一：该系统包括数据存储模块、数据处理器、报警单元、基站、分区模块和标记模块；
[0046]
其中，所述分区模块用于对监测区域进行区域分割，具体分割方式为：
[0047]
步骤一：获取到监测区域；
[0048]
步骤二：以固定预设面积的方式标定矩形区域，通过若干个矩形区域覆盖所有的监测区域；
[0049]
步骤三：之后对监测区域的边缘不规则区域进行修剪调整，具体方式为将矩形区域的边缘替换成对应的不规则区域，得到新的边缘区域，得到若干个由边缘区域和矩形区域构成的监测区域；
[0050]
步骤四：将边缘区域和矩形区域标记为监测分区；
[0051]
每个所述监测分区内设置有基站，所述基站均部署于每个监测分区地质结构稳定的位置，所述基站上配置有温度传感器和湿度传感器，用于获取监测区域中的环境温度和环境湿度；
[0052]
所述标记模块设置与每个所述监测分区中；每个所述标记模块用于标记一个特征标签，所述特征标签包括植被、裸露岩石，若干所述标记模块与基站通过无线方式传递信号；标记模块用于接受指令并发射uwb定位脉冲信号；
[0053]
所述标记模块自动获取特征标签的位置坐标信息，并将位置坐标信息上传至基站；所述基站接收所有的标记模块传输的位置坐标信息，得到坐标信息组；所述基站用于将坐标信息组传输至数据存储模块，所述数据存储模块接收基站传输的坐标信息组；
[0054]
所述数据处理器用于结合数据存储模块对坐标信息组进行计算处理，并根据计算处理结果通过报警单元进行报警；
[0055]
计算处理具体步骤为：
[0056]
s1：获取到坐标信息组内的所有位置坐标信息；
[0057]
s2：任选一位置坐标信息；
[0058]
s3：每隔p1时间获取一次对应的位置坐标信息，得到坐标点di(xi，yi，zi)其中i表示该天的第i次记录(i＝1、2、3、4
……
)；p1为预设值，具体可取值为10秒；
[0059]
s3：在获取位置坐标信息的同时，会通过温度传感器和湿度传感器同时获取到对应监测分区的湿度hi和温度ti，hi和ti与坐标点di一一对应；
[0060]
s4：当i大于等于2之后，通过连续两次得到的坐标位置计算得到位移检测值li：
[0061][0062]
式中，kt为修正系数，其具体取值依据下述公式计算得到：
[0063][0064]
其中ti和hi分别表示所在监测分区中第i次测量的温度和湿度，t0和h0分别表示所
在监测区域的年平均温度和平均湿度；
[0065]
s4：根据li值进行警报判定，具体警报判定的方式为：
[0066]
当出现l
i
大于等于x1时，且之后连续5次出现l
i
均大于等于x1的情况，报警单元发出三级报警；
[0067]
随后位置标记模块的数据间隔自动缩短为p2，p2为预设值，具体取值可为5秒；当再次出现连续5次l
i
均大于等于x1的情况，由报警单元发出二级报警；
[0068]
随后位置标记模块的数据间隔自动缩短为p3，p3为预设值，具体取值可为1s，当出现连续10l
i
均大于等于5cm的情况，报警单元发出一级报警；x1具体取值为10cm；
[0069]
s5：任选下一位置坐标信息，重复步骤s3
‑
s5，对所有的位置坐标信息处理完毕；
[0070]
s6：当产生任意报警的监测分区的个数占所有的监测分区数的比例超过x2时，产生特级警报；x2为预设值，具体可取百分之三十五或者其他数值；
[0071]
s7：将得到的所有警报融合成警报信息；
[0072]
所述报警单元用于根据警报信息的具体内容发出警报，以通知管理人员。
[0073]
作为本发明的另一实施例，该系统还包括与基站通信连接的图像模拟模块，所述图像模拟模块还通信连接有图像处理模块，图像处理模块与警报单元通信连接；
[0074]
每个所述监测分区中设置有若干标记模块通过记录特征标签中植被的位置坐标，由数据存储模块将位置坐标导入图像模拟模块，将位置坐标转化为模拟图像信息，并将模拟图像信息传输至图像处理模块，所述图像处理模块用于对模拟信息进行处理，具体处理方式为：
[0075]
步骤1)：获取图像的灰度平均值、灰度最大值和灰度最小值，并分别将灰度平均值、灰度最大值和灰度最小值标记为hdp、hdd、hdx；
[0076]
步骤2)：通过公式求得xp：
[0077][0078]
式中，xp表示图像评估系数值，kp为比例系数且kp＞1；
[0079]
步骤3)：当xp满足xp∈[0.85,1]时,则判定模拟图像合格，转至步骤4)；否则，判定模拟图像不合格，重新进行模拟图像信息转化，并跳转至步骤1)进行处理；
[0080]
步骤4)：每隔1s记录一次特征标签中植被的位置坐标，经由数据存储模块和图像模拟模块转化为模拟图像信息，经判断模拟图像信息合格后，框选得到模拟图像的面积为si(其中i＝1、2、3
……
)；
[0081]
步骤5)：对连续两次合格的图像信息进行如下公式计算：
[0082][0083]
式中，n表示面积变化率；
[0084]
步骤6)：进行警报判定，
[0085]
当n＞50时，报警单元发出一级报警；
[0086]
当10％≤n≤50％时，报警单元发出二级报警；
[0087]
当n＜10％时，报警单元发出二级报警；
[0088]
步骤7)：将经过前述步骤判定得到的警报形成警报信息；
[0089]
图像处理模块用于将警报信息传输到报警单元进行报警；
[0090]
作为本发明的另一实施例：实施例一中的当该监测区域处于雨季时，将位置标记模块的记录间隔调整为1s，连续5次l
i
均大于等于10cm的情况，直接进行一级报警。
[0091]
以上内容仅仅是对本发明所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。