山洪泥石流地质灾害监控预警装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种山洪泥石流地质灾害监控预警装置。监控预警装置由1～n个编号的野外传感装置和一个终端报警装置组成，野外传感装置按离终端报警装置的距离由远到近依次顺序编列，终端报警装置对野外传感装置进行传输控制和信号采集。野外传感装置的传感器为多传感器组合，终端报警装置以无线通信接力传输方式采集野外传感装置的信号并进行控制，根据需要对野外传感装置的传感控制器中的通电控制模块进行间断供电控制，按照接力传输无线通信方式与野外传感装置进行传输控制。本实用新型采用节能策略，传感装置能够在自身供电的情况下稳定的工作；成本低，监测范围广，成网络分布，监测内容多，为山洪泥石流提供了新的更广、更全面的判断依据。
【专利说明】山洪泥石流地质灾害监控预警装置一、
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种地质灾害的监控和预警，特别是山洪泥石流的监控和预警。
二、【背景技术】
[0002]山洪泥石流破坏力巨大，对山洪泥石流的监控、预警是防止造成巨大人员、物质损失的关键。但是，由于监控和预警存在许多不确定因素且监测困难，每年都会造成大量人员和国家财产损失，甚至导致家破人亡。随着经济实力的增强，国家投入了大量的人力物力对山洪泥石流进行监控和预警，很多监控预警的方法和装置应运而生，为泥石流的监控预警起到了好的效果。但是，由于监控预警必须处于十分恶劣的环境中，对监控装置自身有很高的要求，特别是监控装置自身需要的能源问题难以圆满解决，同时，泥石流受环境多种因素的影响，传感装置需要考虑多种因素。现有的山洪泥石流传感技术，往往采用单一传感方式，传感装置没有组网，没有采用节能措施，还不能满足监控预警的需要。
[0003]本实用新型的基本思路是:既考虑山洪泥石流监控预警的多种因素，采用多传感方式组合，为山洪泥石流提供更全面的判断依据，使山洪泥石流预警判断更加精确；又采用自给间断供电，节能策略，有效降低能耗；同时，采用网络分布分段传输的传感系统，广泛采集传感器数据，使得传感数据采集面更广，使山洪泥石流预测预警更加准确，满足监控预警的实际需要。
三、实用新型内容
[0004]本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种采用了节能策略，耗电少、多传感方式组合、分段传输数据、成网络分布的山洪泥石流传感系统。
[0005]本实用新型的目的是这样达到的:监控预警装置由I~η个编号的野外传感装置和一个终端报警装置组成，野外传感装置按离终端报警装置的距离由远到近依次顺序编列，终端报警装置对野外传感装置进行无线传输控制和信号采集。
[0006]传感装置的传感器是多传感器组合，包括拾音器、水位压力传感器、流速传感器、雨量传感器、冲击传感装置；供电电路采用太阳能光伏板、风力发电机、风光控制器和蓄电池的风光发电设备。
[0007]野外传感装置中设有传感控制器，传感控制器由数字信号处理器，传感控制单片机，传感控制无线传输模块和供电控制模块4个模块电路组成；供电控制模块是含有继电器的供电控制电路，传感控制单片机对供电模块进行供电控制；传感控制单片机与数字信号处理器、传感控制无线传输模块双向连接，在数字信号处理器上连接拾音器和冲击传感装置，数字信号处理器的模数转换接口与基座拾音器、顶部拾音器的输出连接，并对采集的拾音器音频数据进行快速傅里叶运算，快速傅里叶运算结果送入传感控制单片机，数字信号处理器采集冲击传感装置的数据并进行分析计算，将计算结果送给传感控制单片机，在传感控制单片机上连接水位压力传感器、雨量传感器、流速传感器和传感控制无线传输模块，水位压力传感器、雨量传感器、流速传感器的输出信号送到传感控制单片机的模数转换接口 ；传感控制无线传输模块完成对相邻野外传感装置之间的通信以及靠近终端报警装置的野外传感装置与终端报警装置的通信。
[0008]终端报警装置由终端传输与控制电路和终端服务器组成，终端服务器为常规电脑，终端传输与控制电路由终端传输与控制无线传输模块、终端传输与控制单片机、RS232接口电路构成。
[0009]野外传感装置安装在立杆和基座上，立杆紧固连接在基座上，基座上安装基座拾音器，在立杆的下方安装水压传感器、流速传感器和冲击传感装置，在立杆底部竖向开有一漏水槽。立杆的上部固定太阳能光伏板、风力发电机，雨量传感器、顶部拾音器、野外天线和机箱，风力发电机固定在风力发电支架上，蓄电池、风光控制器和传感控制器安装在机箱内，顶部拾音器安装在机箱的下方。
[0010]太阳能光伏板有2块，所述冲击传感装置有3个。3个冲击传感装置依次按照从下至上按照预警水位、报警水位、紧急水位安装在立杆下方。
[0011]冲击传感装置由冲击传感器外连接冲击弹簧构成，冲击传感器为三轴数字陀螺仪传感器和三轴数字加速度传感器的组合，三轴数字陀螺仪传感器和三轴数字加速度传感器的输出到传感控制器。
[0012]本实用新型具有的积极效果是:由于采用了无线通信分段传输的方式和根据需要间断供电的节能策略，不仅耗电少、信息传输可靠，使得安装在荒郊野外的山洪泥石流传感装置能够在自身供电的情况下稳定的工作，最大程度地完成山洪泥石流的监控预警。
[0013]由于采用多传感方式组合为山洪泥石流提供了更全面的判断依据，使得山洪泥石流预警判断更加精确。
[0014]由于采用了成网络分布的山洪泥石流传感装置，使得传感数据采集面更广，从而使得山洪泥石流预测预警系统更加准确。
[0015]本实用新型成本低，监测范围广，监测内容多，为山洪泥石流自然灾害的监控预警提供了一种适用于当代的监控工具。
四、【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本实用新型的山洪泥石流装置结构示意图。
[0017]图2是本山洪泥石流的野外传感装置安装在立杆上的示意图。
[0018]图3是冲击传感装置结构示意图。
[0019]图4是冲击传感装置中的冲击传感器电路图。
[0020]图5是传感控制器结构示意图。
[0021]图6是供电控制模块电路图。
[0022]图7是传感控制单片机电路图。
[0023]图8是传感控制无线通信模块电路图。
[0024]图9数字信号处理模块电路图。
[0025]图10是终端报警装置结构示意图。
[0026]图11是终端报警装置中终端传输与控制电路结构示意图。
[0027]图12是终端传输与控制电路中的RS232接口电路图。
[0028]图中，I立杆，2基座，3基座拾音器，4水位压力传感器，5漏水槽，6流速传感器，7固定孔，8-1、8-2、8-3冲击传感装置，9-1、9-2太阳能光伏板，10风力发电机，11风力发电机支架，12雨量传感器,13机箱,14蓄电池，15顶部拾音器,16风光控制器,17传感控制器,18野外天线，19安装基础，20冲击传感器，21冲击弹簧。
五、【具体实施方式】
[0029]参见附图1、2。
[0030]监控预警装置由I?η个编号的野外传感装置和一个终端报警装置组成，野外传感装置按离终端报警装置的距离由远到近依次顺序编列，终端报警装置对野外传感装置进行无线传输控制和信号采集。
[0031]野外传感装置安装在立杆12和基座上，立杆I紧固连接在基座2上，基座2上安装基座拾音器3，在立杆的下方安装水压传感器4、流速传感器6和3个冲击传感装置8-1、8-2、8-3，3个冲击传感装置依次按照从下至上按照预警水位、报警水位、紧急水位安装在立杆下方，分别提供预警、报警和紧急报警信息。
[0032]立杆固定并支撑所有传感器以及其他相关装置。立杆高度比可以预见的最高水位高1.5米以上。立杆一般为空心钢管，其强度可以安装所有其他传感器以及相关装置，并能抵抗可以预见最大泥石流的破坏力。基座与立杆紧固连接在一起，安装在基座底面，与安装基础接触，用于在施工基础上固定立杆。本实施例中，基座上的固定孔不少于4个，固定孔用于将立杆固定在安装基础上。
[0033]基座拾音器是防水拾音器，用于米集通过大地传输的声音。基座拾音器的输出连接到传感控制器的模数转换的模拟输入接口。顶部拾音器采集空间声音，安装在立杆顶部的机箱下，在可以预测的最高水位下不会被水淹没。基座拾音器、顶部拾音器选用杭州艾力特音频技术有限公司的防水拾音器Κ0-210。
[0034]水位压力传感器用于测量水位的高度。安装在立杆内部的最下短，水位压力传感器的输出连接到传感控制器的模数转换的模拟输入接口，选用北京双科恒信机电仪表有限公司ΒΡΥ800型。在立杆I底部竖向开有一漏水槽5，使得水可以从漏水槽漏到立杆内，接触水位压力传感器。
[0035]流速传感器用于传感采集水流速，选用威尼尔软件与技术公司的型号:FL0-BTA。
[0036]太阳能光伏板、风力发电机、风力发电机支架、蓄电池、风光控制器为系统的风光发电设备，为整个系统提供能源。风光发电设备由成都振中电气有限公司提供成套设备。太阳能光伏板、风力发电机安装在立杆顶部，保证在可以预测最大水位不被淹没。蓄电池、风光控制器安装在机箱里。
[0037]雨量传感器感应安装地的降雨量，选择徐州市星球高科技研究所XYL-1型翻斗式雨量传感器。机箱用于安装蓄电池、风光控制器、传感控制器，并做防水设计，保证蓄电池、风光控制器、传感控制器不接触水。机箱安装高度在可以预测的最高水位以上。野外天线为传感控制器中野外无线通信模块的通信天线，连接到野外无线通信模块。
[0038]安装基础为立杆的安装基础，可以选择安装地合适的岩石基础或安装地人工基础。安装基础要求能保证立杆以及立杆所有设备的稳定，并能使立杆抵抗可以预见的最大泥石流的冲击。
[0039]参见附图3、4。
[0040]3个冲击传感器8-1、8-2还8_3结构相同，由冲击传感器20和冲击弹簧21构成。冲击弹簧连接冲击传感器和立杆。冲击弹簧的弹性系数通过实验选择，选择的范围是在大风的影响下不会造成冲击弹簧发生变形与振动，在水流冲击下冲击传感装置的情况下使得冲击弹簧发生变形与振动，并且在可以预见的最大泥石流冲击力度下保证冲击弹簧正常工作。冲击传感器为三轴数字陀螺仪传感器和三轴数字加速度传感器的组合，用于感应冲击弹簧的形变与振动，三轴数字陀螺仪传感器和三轴数字加速度传感器的输出传送到传感控制器。冲击传感器选型:ST Microelectronics公司生产的LM333D，电路见图4。电路中，SDA, SD0_A/M, SD0_G, SCL/SPC, INT1_A/M, INT2_G, INT 1_G, DEN_G,与传感控制器的通用输入输出接口连接，VDD为电源，VDD_10为1接口电源，与传感控制器相应电源连接，GND与传感控制器的地连接。
[0041]参见图5?图9。
[0042]传感控制器由数字信号处理器，传感控制单片机，传感控制无线传输模块和供电控制模块4个模块电路组成。一般情况下，传感控制器只有传感控制单片机、传感控制无线传输模块在工作，传感器组合只有水位压力传感器和雨量传感器在工作，以节约电能。水位压力传感器和雨量传感器的输出信号输送到传感控制单片机的模数转换接口。传感控制单片机每秒读取水位压力传感器和雨量传感器的输出数据，并判断是否水面增高，或判断下雨量的大小。在水面和降雨量没达到预警值时，在终端报警装置的控制下，每半小时启动供电电路供电I分钟，采集所有的传感器数据，控制无线传输模块传输所有传感器的数据一次。在水面和降雨量达到预警值时，持续启动供电电路，保持整个系统正常运行，并控制无线传输模块每隔两秒钟传输所有传感器的数据。供电电路用于给数字信号处理器、基座拾音器、流速传感器、顶部拾音器、以及三个冲击传感装置供电。在正常情况下每半小时供电一分钟，以减少电能消耗。在预警或报警状态下，持续供电，以监测所有传感器的数据。传感控制无线传输模块用于相邻野外传感装置之间的通信以及靠近终端报警装置的野外传感装置与终端报警装置的通信。数字信号处理器的模数转换接口与基座拾音器、顶部拾音器的输出连接，并对基座拾音器、顶部拾音器感应的音频信号进行快速傅立叶运算，并将运算结果送给传感控制单片机。数字信号处理器采集三个冲击传感装置的三轴数字角度、力口速度数据，对角度和加速度进行分析计算，将计算结果送给传感控制单片机。
[0043]图6中，+24V接蓄电池输出，POWER输出给各电路，由各连接电路变换到自己需要的电压模式。Pl.0，Pl.1连接传感控制单片机相应引脚。图中，U4:德国HAMLIN公司生产的继电器HE721C。
[0044]图7，传感控制单片机电路采用TEXAS INSTRUMENTS公司的单片机MSP430F135，Pl.0、Pl.1控制供电控制模块电路图的开关电，P3.4，P3.5与数字信号处理器的串行接口连接，P6.3、P6.4、P6.5分别与水位压力传感器、雨量传感器、流速传感器的输出连接。Pl.5、Pl.6,Pl.7、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5P2.6与传感控制无线传输模块连接，用于无线通信控制。图中，U3为存储器集成电路，采用ST Microelectronics公司生产的M24C64，用于为单片机编写初始状态以及在安装中的排列。
[0045]参见图8传感控制无线通信模块电路图。图中，U9:CC2520为无线通信集成电路，由美国TEXAS INSTRUMENTS公司，U10:CC2591为无线通信前端集成电路，由美国TEXASINSTRUMENTS 公司生产，Pl.5、Pl.6、Pl.7、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5P2.6 与传感控制单片机相应引脚连接。
[0046]参见图9，数字信号处理模块电路图。图中UCl:数字信号处理芯片，型号为TMS320F2812,美国TEXAS INSTRUMENTS公司生产。UCl的第2，第3引脚分别与基座拾音器和顶部拾音器的输出连接，米集基座拾音器和顶部拾音器输出的模拟信号。第90、91引脚分别与传感控制单片机P3.4，P3.5连接。三个冲击传感器的通信控制引脚与UCl的其他的通用输入输出引脚连接。
[0047]参见图10、11、12。终端报警装置由终端传输与控制电路和终端服务器组成。终端服务器为常规电脑，通过RS232串行通信接口与终端传输控制电路通信。终端服务器控制整个系统的运行，存储系统数据，判断是否有报警状态。终端传输与控制电路接收与第η个野外传感装置通信，并采用中继通信方式，通过第η个野外传感装置控制整个系统的工作状态，采集整个系统的传感数据。终端传输与控制电路由终端传输与控制无线传输模块、终端传输与控制单片机、RS232接口电路构成，用于控制终端服务器与野外传感装置通信。终端传输与控制无线传输模块电路与传感控制无线传输模块电路相同，终端传输与控制单片机与传感控制单片机电路相同。图12RS接口电路中，U8为美国美信公司的ΜΑΧ232，U8的
11、12引脚与终端服务器串口的收发引脚连接;U8的13、14引脚与终端传输与控制单片机32,33引脚连接。
【权利要求】
1.一种山洪泥石流地质灾害监控预警装置，含传感器和供电电路，其特征在于:监控预警装置由I?η个编号的野外传感装置和一个终端报警装置组成，野外传感装置按离终端报警装置的距离由远到近依次顺序编列，终端报警装置对野外传感装置进行无线传输控制和信号采集； 野外传感装置的传感器是多传感器组合，包括拾音器、水位压力传感器(4)、流速传感器(6)、雨量传感器(12)、冲击传感装置；供电电路采用太阳能光伏板、风力发电机(10)、风光控制器(16)和蓄电池(14)的风光发电设备； 野外传感装置中设有传感控制器，传感控制器由数字信号处理器，传感控制单片机，传感控制无线传输模块和供电控制模块4个模块电路组成；供电控制模块是含有继电器的供电控制电路，传感控制单片机对供电模块进行供电控制；传感控制单片机与数字信号处理器、传感控制无线传输模块双向连接，在数字信号处理器上连接拾音器和冲击传感装置，数字信号处理器的模数转换接口与基座拾音器、顶部拾音器的输出连接，并对采集的拾音器音频数据进行快速傅里叶运算，快速傅里叶运算结果送入传感控制单片机，数字信号处理器采集冲击传感装置的数据并进行分析计算，将计算结果送给传感控制单片机，在传感控制单片机上连接水位压力传感器、雨量传感器、流速传感器和传感控制无线传输模块，水位压力传感器、雨量传感器、流速传感器的输出信号送到传感控制单片机的模数转换接口 ；传感控制无线传输模块完成对相邻野外传感装置之间的通信以及靠近终端报警装置的野外传感装置与终端报警装置的通信； 终端报警装置由终端传输与控制电路和终端服务器组成，终端服务器为常规电脑，终端传输与控制电路由终端传输与控制无线传输模块、终端传输与控制单片机、RS232接口电路构成。
2.如权利要求1所述的山洪泥石流地质灾害监控预警装置，其特征在于:野外传感装置安装在立杆(I)和基座(2)上，立杆(I)紧固连接在基座(2)上，基座上安装基座拾音器(3)，在立杆的下方安装水压传感器(4)、流速传感器(6)和冲击传感装置(8-1、8-2、8-3)，在立杆底部竖向开有一漏水槽(5);在立杆的上部固定太阳能光伏板(9-1、9_2)、风力发电机(10)，雨量传感器(12)、顶部拾音器(15)、野外天线(18)和机箱(13)，风力发电机(10)固定在风力发电支架(11)上，蓄电池(14)、风光控制器(16)和传感控制器(17)安装机箱(13)内，顶部拾音器(15)安装在机箱的下方。
3.如权利要求2所述的山洪泥石流地质灾害监控预警装置，其特征在于:所述太阳能光伏板有(9-1、9-2) 2块，所述冲击传感装置有(8-1、8-2、8-3) 3个；3个冲击传感装置依次按照从下至上按照预警水位、报警水位、紧急水位安装在立杆下方。
4.如权利要求2所述的山洪泥石流地质灾害监控预警装置，其特征在于:所述冲击传感装置由冲击传感器(20)外连接冲击弹簧(21)构成，冲击传感器(20)为三轴数字陀螺仪传感器和三轴数字加速度传感器的组合，三轴数字陀螺仪传感器和三轴数字加速度传感器的输出到传感控制器。
【文档编号】G08B21/10GK203858732SQ201420048879
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年1月25日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】莫思特, 张斌, 马娟, 石爱军, 薛跃明, 黄喆, 张德拉, 王灿峰, 李碧雄, 邓建辉 申请人:四川大学, 中国地质环境监测院