一种地质灾害监测系统的制作方法

专利名称：一种地质灾害监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于物联网的地质灾害监测系统，特别是一种在无线传感器网络技术基础上搭建的一个灾前监测预警一体化的智能系统平台。
背景技术：
我国地域广袤，地势地形多种多样，地质灾害时有发生。国土资源部统计表明，去年全国共发生地质灾害30670起，造成人员伤亡的382起，致使2246人死亡、669人失踪、534人受伤，其中滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害是导致人员伤亡和直接经济损失严重的主要原因。随着地质灾害防治工作的深入开展，地质灾害气象预警预报工作也亟待推广，因而开展关于地质灾害的监测预警工作就显得十分关键。此外，地质灾害监测还有一个重要的目的:具体了解和掌握灾害发生前地表状态的变化过程，及时捕捉灾害发生的特征信息，做出正确的分析评价，从而为易受灾地区的地质灾害治理工程提供可靠资料和科学依据，同时，监测结果也是检验灾害治理工程效果的尺度。因此，监测既是地质灾害预警信息获取的一种有效手段，又是地质灾害调查、研究和防治工程的重要组成部分。针对危岩、塌方、滑坡、地面沉降、地裂缝、泥石流，甚至地震等地质灾害问题，传统的方法是人工监测，通过携带监测仪器现场测试的方式对异动信号进行收集，获取地质灾害发生前的相关信息。但是，由于地质灾害发生的偶然性，以及部分地区恶劣的地形环境等因素，传统的人工监测方式无法及时有效地反映当前的监测情况，也就不能准确地预防自然灾害。因此，建立实时的自动化智能监测预警系统是十分必要的。近年来，物联网技术的不断发展成为了很多技术领域成熟的催化剂。伴随着国内外新的研究计划的实施，更为广泛的研究群体的出现，与物联网相关的技术将会成为研究的热点。基于物联网的地质灾害监测系统的研究过程中包含了物联网、分布式数据存储、数据融合与决策、地质灾害监测等多项当今热门领域的核心技术，这使得本发明具有技术方面的科学性和前瞻性。另一方面，国内目前关于物联网环境监测处于一个崭新的阶段，势必今后会有更进一步的发展空间，因此，本专利发明成果很有可能在新阶段的地质灾害监测工作及相关技术的应用中发挥一定的促进作用。基于物联网的监测系统中采用无线传感器网络作为通信载体，无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。传感器网络具有大规模、自组织、动态性、可靠性、以数据为中心等特点，这对于在未知环境中进行监测工作是十分有利的。目前，低功耗设计、多跳自组织网络的路由协议设计、建立以数据为中心的传感器网络等技术是无线传感器网络在物联网领域研究的重点。系统中的探测节点是随机部署的，具有一定的分布性，范围比较广泛，因此各节点采集的数据采用物理分散、逻辑整体的分布式存储。各地的计算机由数据通信网络相联系，降低了数据传输代价，提高了系统的可靠性，局部系统发生故障，其他部分还可继续工作。数据采集入库后据具有异构性，无法直接进行决策，需 要首先对其进行挖掘，建立相应的关联关系，以便后续的决策应用，这里需要应用到一系列的领域知识。通过数据融合将多个传感器检测的信息与人工观测事实进行科学、合理的综合处理.可以提高状态监测和故障诊断智能化程度。检测模型是灾害预警的一个核心要素，数据挖掘分析需要有检测模型作为参考，将数据库中的环境数据和模型的参考数据进行比对，做出预警决策，这里应用到一系列的专家知识。检测模型的获得是需要反复进行试验总结的，而且对于模型的不断完善可以得到更为一般的、具有普适性的检测模型。

发明内容
本发明的目的在于提供一种提高防灾减灾的科技能力的地质灾害监测系统。本发明的目的是这样实现的:地质灾害监测系统，包括控制端基站、终端模块、控制模块、监测分析模块，终端模块包括布放在采集区域的传感器，终端模块与控制端基站进行无线数据通信，监听控制端基站发来的控制命令，采集地质状况的信息；控制模块选择采集数据的传感器组播地址，对传感器进行初始化，控制传感器的采集时间间隔和数据发送时间间隔，发送让传感器终端开始或停止采集和传输数据的工作命令；监测模块将控制端的基站接收到的数据存入数据库。传感器可以包括六轴加速度传感器、温度传感器、光照传感器、角加速度传感器。终端模块还可以包括Zigbee2.4GHz无线通信模块以及装有可充电锂电池的供电模块。 本发明的有益效果在于:地质灾害监测系统是一个智能的地质灾害监测系统平台，具有一体化监测，快速布放的优点。终端探测器采用无线传感器网络的物联网技术实现特殊地段地质灾害的实时监测是一种技术上的进步，本发明低功耗、低成本、分布式、无线性、网络的自组织性，而具有更强的抗破坏能力，因而可以在基础通信设施可能被毁坏的情况下，完成一定的通信任务。


图1地质灾害监测系统模块图；图2地质灾害监测系统功能图；图3地质灾害监测系统设备连接示意图；图4地质灾害监测系统终端布放容器示意图；图5地质灾害监测系统终端硬件工程实物图；图6地质灾害监测系统控制端软件运行图；图7地质灾害监测系统监控端软件运行图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步描述本发明采用无线传感器网络技术实现特殊地段地质灾害的实时监测是一种技术上的进步。由于无线传感器网络本身的低功耗、低成本、分布式、无线性、网络的自组织性，而具有较强的抗破坏能力，因而可以在基础通信设施可能被毁坏的情况下，完成一定的通信任务。因此，把无线传感器网络技术应用到特殊地带的滑坡、泥石流、地震等自然灾害监测预警中，利用各种传感器实时采集信息，通过无线的方式将信息传输给控制中心，能够解决布设有线监测系统的缺陷，而且适用于卫星网络信号无法覆盖的偏远山区的自然灾害监测。与此同时，无线传感器网络对该系统的技术支持也进一步体现出了物联网技术在环境监测领域的深入推广和越来越广泛的应用。地质灾害监测系统的主要功能是通过传感器终端采集地表特征数据(温度，光照，各个方向加速度等)，将采集回的数据存入数据库并进行可视化分析，实时地获知某一区域的地质形态变化情况，通过与地质灾害监测模型，做出判断或预警。该系统采用无线传感器作为数据采集节点，通过若干节点形成的无线传感器网络进行数据通信，实现数据的动态采集、发送、接收、入库等功能，数据监测分析结合了数据库技术和数据可视化等技术，在网络接入层可以按多种网络接入方式接入，在监测区域大量布放监测点以提高监测密度，充分体现了物联网技术的融入与使用。地质灾害监测系统主要包含三个基本模块:终端模块、控制模块、监测分析模块。主要功能流程为传感器终端布放完成后开始采集数据，与基站进行无线通信从而将采集到的各项数据发送回来，完成数据的采集和发送，系统将采集到的数据实时入库，系统的监测模块根据数据库中的实时数据，进行各项数据信息的可视化集成，直观反映出节点所处位置的地貌状态变化，同时，数据统计模块可以统计回放数据库中的历史数据等。终端模块设计终端模块由硬件系统和软件系统共两部分组成。硬件系统是由若干个传感终端组成的，这些终端具有采集、存储和无线通信等功能。传感终端搭载的各类用于实时采集周围环境数据的传感器，如六轴加·速度传感器、温度传感器、光照传感器、角加速度传感器等，另外配备有Zigbee2.4GHz无线通信模块以及装有可充电锂电池的供电模块。这些硬件模块通过集成电路设计被集成在一块完整的电路板上。主板我们选择了 AVRmegal68-20PU微控制器板，因为AVRmegal68-20PU微控制器应用能力很高，并且价格低廉，性价比很高，利于产品的大规模生产和产品的推广，同时其外围丰富的接口能够合理的联机外围模块，其低功耗的特性能是产品的使用周期更长。有专用的配套语言，这使得开发更方便，使以后的维护和更新更容易。终端模块的软件系统，主要是通过集成IDE进行嵌入式开发的。首先在IDE下进行功能控制的编码工作，然后调试正常后将代码烧入硬件系统。这里要尽量保证代码的简洁和效率，因为终端系统硬件是一个简单的单片机系统，存储能力有限，程序过于繁琐也不利于后期的升级开发。程序必须合理定义微控制主板上的数字输入输出接口，模拟输入输出接口，并能够实现各个模块的功能，同时保证模块之间的正常运作并互不干扰。软件系统代码负责实现的主要功能有:(I)命令监听:通过软件来控制终端实时监听控制端基站发来的各类控制命令，如初始化、采集、发送、休眠等。监听端口和控制端的命令发送端口要相同，而且命令监听端口是始终打开的，随时接收控制端的命令。(2)负责组网:
当节点拓扑结构初始化或发生变化时，负责组网工作，形成可以通信的传感器网络，其中还包括具体的路由协议以及一些网络管理策略的实现。因此，每个终端节点在通信时要由软件控制打开若干个端口用于监听命令或发送数据。(3)数据采集:传感终端在采集点进行地质状况的信息采集，软件控制各传感器的采集动作，采集工作的参数和命令由控制模块发出。(4)数据传输:与计算机控制端连接的基站进行无线数据通信。接收来自控制端的命令信息，同时将采集到的数据信息传输回去。由于数据量较大，在数据传输过程中采用类似于UDP的不可靠交付方式，这样可以保证数据的实时性。控制模块设计控制模块主要是通过软件来实现，运行在计算机端，通过与计算机连接的基站控制终端节点行为，它是由用户来直接操作和管理的。主要实现的功能包括终端节点的探测、初始化、组播地址的选择、数据发送控制等，这些功能通过系统的控制模块来体现，下面介绍控制模块的功能结构:( I)节点探测初始化:控制模块通过与计算机连 接的基站来控制远端的终端节点，连接基站后，启动控制端程序，可以通过发送广播命令来探测周围的传感器节点，同时显示探测到节点的MAC地址信息并初始化它们。(2)组播选择:探测到的所有节点中，可能要选择一部分节点进行采集工作，通过组播选择功能，可以按需求选择若干(或是全部)探测到的节点进行采集传输。 (3)采集传输参数设定:控制端可以通过设定参数来控制节点的采集时间间隔和数据发送时间间隔。为保证收到的数据具有有效性，一般我们建议发送时间间隔大于采集时间间隔。(4)发送控制命令当初始化和一系列的参数设定工作完成后，控制端便可发送命令让传感器终端节点开始(或停止)采集和传输数据的工作。(5)数据返回显示:控制端提供简单的数据显示功能，与监测模块的数据显示目的不同，主要是为了确定各节点的工作状态是否正常。监测模块设计监测模块主要负责将传感终端采集并传输回来的数据存入数据库同时进行可视化显示，从而可以直观地了解到当前数据采集点的地貌变化情况。监测模块通过软件来实现，运行在计算机端，直接和用户进行交互，提供二维的数据绘图以及分析，可以根据需要查看不同节点的数据信息，另外还提供历史数据查询的操作。(I)数据入库:监测模块负责将控制端的基站接收到的数据按照一定规则存入数据库，该模块包含数据库的输入流和输出流等一系列的数据库操作。数据在监测端的显示和入库是同步进行的，这样保证数据的同步一致性。 (2)数据可视化显示分析:这一部分的功能实现在代码上采用了 Jfreechart图形开发函数库，因为要为用户提供最直观的数据变化情况，其绘制精度较高，符合对地质灾害监测的标注。同时，可以根据需求查看同时在工作的不同终端节点发回的数据信息。(3)数据查询统计:该功能主要依靠对数据库的查询操作来实现，通过需求定义，可以将查询结果返回。提供相应的查询统计服务。(4)后续开发:目前的监测模型属于二维显示，我们将针对数据可视化问题开展三维显示的开发与设计，从而更加直观地展现出数据的变化情况，同时还可以显示监测区域的实际地形、地貌。这样，更有利于加强监测结果的直观准确性，为灾害预警和防治提供更多有利的帮助。

我国是世界上受自然灾害影响最严重的国家之一，具有灾害种类多、分布地域广、发生频率高、造成损失严重等特点。尤其是近年来的地震、滑坡、泥石流等地质灾害频繁发生，给人民生命财产和社会经济发展造成严重损失，地质灾害已经成为影响我国经济社会发展的重要因素之一，形势十分严峻。因此，我国目前迫切地需要发展防灾减灾方面的相关技术、方法、手段，提供系统的解决方案。地质灾害监测系统是一个智能的地质灾害监测系统平台，具有一体化监测，快速布放的优点。终端探测器采用无线传感器网络的物联网技术实现特殊地段地质灾害的实时监测是一种技术上的进步，由于无线传感器网络本身的低功耗、低成本、分布式、无线性、网络的自组织性，而具有较强的抗破坏能力，因而可以在基础通信设施可能被毁坏的情况下，完成一定的通信任务。因此，把无线传感器网络技术应用到特殊地带的滑坡、泥石流、地震等自然灾害监测预警中，利用各种传感器实时采集信息，通过无线的方式将信息传输给控制中心，能够解决布设有线监测系统的缺陷，而且适用于卫星网络信号无法覆盖的偏远山区的自然灾害监测。与此同时，该项目采用上述技术也进一步促进了物联网这门新兴产业技术在我国的发展及其在地质灾害环境监测领域的深入推广和应用。地质灾害监测系统的深入研究与开发，有利于填补我国在地质灾害监测领域的不足，促进防灾减灾工作的进一步开展与完善，减少地质灾害给国家和人民的生命财产带来的损失，是一项惠民的研究项目。若对该项目研究成果进行产业化应用并形成产品，将会大大提升我国在地质灾害监测领域的实际水平，同时促进地质灾害监测产业技术的进步，带动产业发展，提升我国在这一领域的竞争力。更重要的是保护了国家财产安全，促进民生科技发展水平，完善防灾减灾国家科技支撑体系，提高防灾减灾的科技支撑能力，是国家经济社会全面协调可持续发展的重要保障。
权利要求
1.一种地质灾害监测系统，包括控制端基站、终端模块、控制模块、监测分析模块，其特征在于:终端模块包括布放在采集区域的传感器，终端模块与控制端基站进行无线数据通信，监听控制端基站发来的控制命令，采集地质状况的信息；控制模块选择采集数据的传感器组播地址，对传感器进行初始化，控制传感器的采集时间间隔和数据发送时间间隔，发送让传感器终端开始或停止采集和传输数据的工作命令；监测模块将控制端的基站接收到的数据存入数据库。
2.根据权利要求1所述的一种地质灾害监测系统，其特征在于:所述的传感器可以包括六轴加速度传感器、温度传感器、光照传感器、角加速度传感器。
3.根据权利要求1或2所述的一种地质灾害监测系统，其特征在于:所述的终端模块还可以包括Zigbee2.4 GHz无线通信模块以及装有可充电锂电池的供电模块。
全文摘要
本发明涉及一种基于物联网的地质灾害监测系统，特别是一种在无线传感器网络技术基础上搭建的一个灾前监测预警一体化的智能系统平台。地质灾害监测系统，包括控制端基站、终端模块、控制模块、监测分析模块，终端模块包括布放在采集区域的传感器，终端模块与控制端基站进行无线数据通信，监听控制端基站发来的控制命令，采集地质状况的信息；控制模块选择采集数据的传感器组播地址，对传感器进行初始化，控制传感器的采集时间间隔和数据发送时间间隔，发送让传感器终端开始或停止采集和传输数据的工作命令；监测模块将控制端的基站接收到的数据存入数据库。本发明低功耗、低成本、分布式、无线性、网络的自组织性，而具有更强的抗破坏能力。
文档编号G08C17/02GK103247151SQ20131011929
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月8日 优先权日2013年4月8日
发明者赵蕴龙, 王浩, 武广君 申请人:哈尔滨工程大学