一種地質災害監測系統的制作方法

專利名稱：一種地質災害監測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于物聯網的地質災害監測系統，特別是一種在無線傳感器網絡技術基礎上搭建的一個災前監測預警一體化的智能系統平臺。
背景技術：
我國地域廣袤，地勢地形多種多樣，地質災害時有發生。國土資源部統計表明，去年全國共發生地質災害30670起，造成人員傷亡的382起，致使2246人死亡、669人失蹤、534人受傷，其中滑坡、崩塌、泥石流等地質災害是導致人員傷亡和直接經濟損失嚴重的主要原因。隨著地質災害防治工作的深入開展，地質災害氣象預警預報工作也亟待推廣，因而開展關于地質災害的監測預警工作就顯得十分關鍵。此外，地質災害監測還有一個重要的目的:具體了解和掌握災害發生前地表狀態的變化過程，及時捕捉災害發生的特征信息，做出正確的分析評價，從而為易受災地區的地質災害治理工程提供可靠資料和科學依據，同時，監測結果也是檢驗災害治理工程效果的尺度。因此，監測既是地質災害預警信息獲取的一種有效手段，又是地質災害調查、研究和防治工程的重要組成部分。針對危巖、塌方、滑坡、地面沉降、地裂縫、泥石流，甚至地震等地質災害問題，傳統的方法是人工監測，通過攜帶監測儀器現場測試的方式對異動信號進行收集，獲取地質災害發生前的相關信息。但是，由于地質災害發生的偶然性，以及部分地區惡劣的地形環境等因素，傳統的人工監測方式無法及時有效地反映當前的監測情況，也就不能準確地預防自然災害。因此，建立實時的自動化智能監測預警系統是十分必要的。近年來，物聯網技術的不斷發展成為了很多技術領域成熟的催化劑。伴隨著國內外新的研究計劃的實施，更為廣泛的研究群體的出現，與物聯網相關的技術將會成為研究的熱點。基于物聯網的地質災害監測系統的研究過程中包含了物聯網、分布式數據存儲、數據融合與決策、地質災害監測等多項當今熱門領域的核心技術，這使得本發明具有技術方面的科學性和前瞻性。另一方面，國內目前關于物聯網環境監測處于一個嶄新的階段，勢必今后會有更進一步的發展空間，因此，本專利發明成果很有可能在新階段的地質災害監測工作及相關技術的應用中發揮一定的促進作用。基于物聯網的監測系統中采用無線傳感器網絡作為通信載體，無線傳感器網絡是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，其目的是協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內感知對象的監測信息，并報告給用戶。傳感器網絡具有大規模、自組織、動態性、可靠性、以數據為中心等特點，這對于在未知環境中進行監測工作是十分有利的。目前，低功耗設計、多跳自組織網絡的路由協議設計、建立以數據為中心的傳感器網絡等技術是無線傳感器網絡在物聯網領域研究的重點。系統中的探測節點是隨機部署的，具有一定的分布性，范圍比較廣泛，因此各節點采集的數據采用物理分散、邏輯整體的分布式存儲。各地的計算機由數據通信網絡相聯系，降低了數據傳輸代價，提高了系統的可靠性，局部系統發生故障，其他部分還可繼續工作。數據采集入庫后據具有異構性，無法直接進行決策，需 要首先對其進行挖掘，建立相應的關聯關系，以便后續的決策應用，這里需要應用到一系列的領域知識。通過數據融合將多個傳感器檢測的信息與人工觀測事實進行科學、合理的綜合處理.可以提高狀態監測和故障診斷智能化程度。檢測模型是災害預警的一個核心要素，數據挖掘分析需要有檢測模型作為參考，將數據庫中的環境數據和模型的參考數據進行比對，做出預警決策，這里應用到一系列的專家知識。檢測模型的獲得是需要反復進行試驗總結的，而且對于模型的不斷完善可以得到更為一般的、具有普適性的檢測模型。

發明內容
本發明的目的在于提供一種提高防災減災的科技能力的地質災害監測系統。本發明的目的是這樣實現的:地質災害監測系統，包括控制端基站、終端模塊、控制模塊、監測分析模塊，終端模塊包括布放在采集區域的傳感器，終端模塊與控制端基站進行無線數據通信，監聽控制端基站發來的控制命令，采集地質狀況的信息；控制模塊選擇采集數據的傳感器組播地址，對傳感器進行初始化，控制傳感器的采集時間間隔和數據發送時間間隔，發送讓傳感器終端開始或停止采集和傳輸數據的工作命令；監測模塊將控制端的基站接收到的數據存入數據庫。傳感器可以包括六軸加速度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器、角加速度傳感器。終端模塊還可以包括Zigbee2.4GHz無線通信模塊以及裝有可充電鋰電池的供電模塊。 本發明的有益效果在于:地質災害監測系統是一個智能的地質災害監測系統平臺，具有一體化監測，快速布放的優點。終端探測器采用無線傳感器網絡的物聯網技術實現特殊地段地質災害的實時監測是一種技術上的進步，本發明低功耗、低成本、分布式、無線性、網絡的自組織性，而具有更強的抗破壞能力，因而可以在基礎通信設施可能被毀壞的情況下，完成一定的通信任務。


圖1地質災害監測系統模塊圖；圖2地質災害監測系統功能圖；圖3地質災害監測系統設備連接示意圖；圖4地質災害監測系統終端布放容器示意圖；圖5地質災害監測系統終端硬件工程實物圖；圖6地質災害監測系統控制端軟件運行圖；圖7地質災害監測系統監控端軟件運行圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步描述本發明采用無線傳感器網絡技術實現特殊地段地質災害的實時監測是一種技術上的進步。由于無線傳感器網絡本身的低功耗、低成本、分布式、無線性、網絡的自組織性，而具有較強的抗破壞能力，因而可以在基礎通信設施可能被毀壞的情況下，完成一定的通信任務。因此，把無線傳感器網絡技術應用到特殊地帶的滑坡、泥石流、地震等自然災害監測預警中，利用各種傳感器實時采集信息，通過無線的方式將信息傳輸給控制中心，能夠解決布設有線監測系統的缺陷，而且適用于衛星網絡信號無法覆蓋的偏遠山區的自然災害監測。與此同時，無線傳感器網絡對該系統的技術支持也進一步體現出了物聯網技術在環境監測領域的深入推廣和越來越廣泛的應用。地質災害監測系統的主要功能是通過傳感器終端采集地表特征數據(溫度，光照，各個方向加速度等)，將采集回的數據存入數據庫并進行可視化分析，實時地獲知某一區域的地質形態變化情況，通過與地質災害監測模型，做出判斷或預警。該系統采用無線傳感器作為數據采集節點，通過若干節點形成的無線傳感器網絡進行數據通信，實現數據的動態采集、發送、接收、入庫等功能，數據監測分析結合了數據庫技術和數據可視化等技術，在網絡接入層可以按多種網絡接入方式接入，在監測區域大量布放監測點以提高監測密度，充分體現了物聯網技術的融入與使用。地質災害監測系統主要包含三個基本模塊:終端模塊、控制模塊、監測分析模塊。主要功能流程為傳感器終端布放完成后開始采集數據，與基站進行無線通信從而將采集到的各項數據發送回來，完成數據的采集和發送，系統將采集到的數據實時入庫，系統的監測模塊根據數據庫中的實時數據，進行各項數據信息的可視化集成，直觀反映出節點所處位置的地貌狀態變化，同時，數據統計模塊可以統計回放數據庫中的歷史數據等。終端模塊設計終端模塊由硬件系統和軟件系統共兩部分組成。硬件系統是由若干個傳感終端組成的，這些終端具有采集、存儲和無線通信等功能。傳感終端搭載的各類用于實時采集周圍環境數據的傳感器，如六軸加·速度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器、角加速度傳感器等，另外配備有Zigbee2.4GHz無線通信模塊以及裝有可充電鋰電池的供電模塊。這些硬件模塊通過集成電路設計被集成在一塊完整的電路板上。主板我們選擇了 AVRmegal68-20PU微控制器板，因為AVRmegal68-20PU微控制器應用能力很高，并且價格低廉，性價比很高，利于產品的大規模生產和產品的推廣，同時其外圍豐富的接口能夠合理的聯機外圍模塊，其低功耗的特性能是產品的使用周期更長。有專用的配套語言，這使得開發更方便，使以后的維護和更新更容易。終端模塊的軟件系統，主要是通過集成IDE進行嵌入式開發的。首先在IDE下進行功能控制的編碼工作，然后調試正常后將代碼燒入硬件系統。這里要盡量保證代碼的簡潔和效率，因為終端系統硬件是一個簡單的單片機系統，存儲能力有限，程序過于繁瑣也不利于后期的升級開發。程序必須合理定義微控制主板上的數字輸入輸出接口，模擬輸入輸出接口，并能夠實現各個模塊的功能，同時保證模塊之間的正常運作并互不干擾。軟件系統代碼負責實現的主要功能有:(I)命令監聽:通過軟件來控制終端實時監聽控制端基站發來的各類控制命令，如初始化、采集、發送、休眠等。監聽端口和控制端的命令發送端口要相同，而且命令監聽端口是始終打開的，隨時接收控制端的命令。(2)負責組網:
當節點拓撲結構初始化或發生變化時，負責組網工作，形成可以通信的傳感器網絡，其中還包括具體的路由協議以及一些網絡管理策略的實現。因此，每個終端節點在通信時要由軟件控制打開若干個端口用于監聽命令或發送數據。(3)數據采集:傳感終端在采集點進行地質狀況的信息采集，軟件控制各傳感器的采集動作，采集工作的參數和命令由控制模塊發出。(4)數據傳輸:與計算機控制端連接的基站進行無線數據通信。接收來自控制端的命令信息，同時將采集到的數據信息傳輸回去。由于數據量較大，在數據傳輸過程中采用類似于UDP的不可靠交付方式，這樣可以保證數據的實時性。控制模塊設計控制模塊主要是通過軟件來實現，運行在計算機端，通過與計算機連接的基站控制終端節點行為，它是由用戶來直接操作和管理的。主要實現的功能包括終端節點的探測、初始化、組播地址的選擇、數據發送控制等，這些功能通過系統的控制模塊來體現，下面介紹控制模塊的功能結構:( I)節點探測初始化:控制模塊通過與計算機連 接的基站來控制遠端的終端節點，連接基站后，啟動控制端程序，可以通過發送廣播命令來探測周圍的傳感器節點，同時顯示探測到節點的MAC地址信息并初始化它們。(2)組播選擇:探測到的所有節點中，可能要選擇一部分節點進行采集工作，通過組播選擇功能，可以按需求選擇若干(或是全部)探測到的節點進行采集傳輸。 (3)采集傳輸參數設定:控制端可以通過設定參數來控制節點的采集時間間隔和數據發送時間間隔。為保證收到的數據具有有效性，一般我們建議發送時間間隔大于采集時間間隔。(4)發送控制命令當初始化和一系列的參數設定工作完成后，控制端便可發送命令讓傳感器終端節點開始(或停止)采集和傳輸數據的工作。(5)數據返回顯示:控制端提供簡單的數據顯示功能，與監測模塊的數據顯示目的不同，主要是為了確定各節點的工作狀態是否正常。監測模塊設計監測模塊主要負責將傳感終端采集并傳輸回來的數據存入數據庫同時進行可視化顯示，從而可以直觀地了解到當前數據采集點的地貌變化情況。監測模塊通過軟件來實現，運行在計算機端，直接和用戶進行交互，提供二維的數據繪圖以及分析，可以根據需要查看不同節點的數據信息，另外還提供歷史數據查詢的操作。(I)數據入庫:監測模塊負責將控制端的基站接收到的數據按照一定規則存入數據庫，該模塊包含數據庫的輸入流和輸出流等一系列的數據庫操作。數據在監測端的顯示和入庫是同步進行的，這樣保證數據的同步一致性。 (2)數據可視化顯示分析:這一部分的功能實現在代碼上采用了 Jfreechart圖形開發函數庫，因為要為用戶提供最直觀的數據變化情況，其繪制精度較高，符合對地質災害監測的標注。同時，可以根據需求查看同時在工作的不同終端節點發回的數據信息。(3)數據查詢統計:該功能主要依靠對數據庫的查詢操作來實現，通過需求定義，可以將查詢結果返回。提供相應的查詢統計服務。(4)后續開發:目前的監測模型屬于二維顯示，我們將針對數據可視化問題開展三維顯示的開發與設計，從而更加直觀地展現出數據的變化情況，同時還可以顯示監測區域的實際地形、地貌。這樣，更有利于加強監測結果的直觀準確性，為災害預警和防治提供更多有利的幫助。

我國是世界上受自然災害影響最嚴重的國家之一，具有災害種類多、分布地域廣、發生頻率高、造成損失嚴重等特點。尤其是近年來的地震、滑坡、泥石流等地質災害頻繁發生，給人民生命財產和社會經濟發展造成嚴重損失，地質災害已經成為影響我國經濟社會發展的重要因素之一，形勢十分嚴峻。因此，我國目前迫切地需要發展防災減災方面的相關技術、方法、手段，提供系統的解決方案。地質災害監測系統是一個智能的地質災害監測系統平臺，具有一體化監測，快速布放的優點。終端探測器采用無線傳感器網絡的物聯網技術實現特殊地段地質災害的實時監測是一種技術上的進步，由于無線傳感器網絡本身的低功耗、低成本、分布式、無線性、網絡的自組織性，而具有較強的抗破壞能力，因而可以在基礎通信設施可能被毀壞的情況下，完成一定的通信任務。因此，把無線傳感器網絡技術應用到特殊地帶的滑坡、泥石流、地震等自然災害監測預警中，利用各種傳感器實時采集信息，通過無線的方式將信息傳輸給控制中心，能夠解決布設有線監測系統的缺陷，而且適用于衛星網絡信號無法覆蓋的偏遠山區的自然災害監測。與此同時，該項目采用上述技術也進一步促進了物聯網這門新興產業技術在我國的發展及其在地質災害環境監測領域的深入推廣和應用。地質災害監測系統的深入研究與開發，有利于填補我國在地質災害監測領域的不足，促進防災減災工作的進一步開展與完善，減少地質災害給國家和人民的生命財產帶來的損失，是一項惠民的研究項目。若對該項目研究成果進行產業化應用并形成產品，將會大大提升我國在地質災害監測領域的實際水平，同時促進地質災害監測產業技術的進步，帶動產業發展，提升我國在這一領域的競爭力。更重要的是保護了國家財產安全，促進民生科技發展水平，完善防災減災國家科技支撐體系，提高防災減災的科技支撐能力，是國家經濟社會全面協調可持續發展的重要保障。
權利要求
1.一種地質災害監測系統，包括控制端基站、終端模塊、控制模塊、監測分析模塊，其特征在于:終端模塊包括布放在采集區域的傳感器，終端模塊與控制端基站進行無線數據通信，監聽控制端基站發來的控制命令，采集地質狀況的信息；控制模塊選擇采集數據的傳感器組播地址，對傳感器進行初始化，控制傳感器的采集時間間隔和數據發送時間間隔，發送讓傳感器終端開始或停止采集和傳輸數據的工作命令；監測模塊將控制端的基站接收到的數據存入數據庫。
2.根據權利要求1所述的一種地質災害監測系統，其特征在于:所述的傳感器可以包括六軸加速度傳感器、溫度傳感器、光照傳感器、角加速度傳感器。
3.根據權利要求1或2所述的一種地質災害監測系統，其特征在于:所述的終端模塊還可以包括Zigbee2.4 GHz無線通信模塊以及裝有可充電鋰電池的供電模塊。
全文摘要
本發明涉及一種基于物聯網的地質災害監測系統，特別是一種在無線傳感器網絡技術基礎上搭建的一個災前監測預警一體化的智能系統平臺。地質災害監測系統，包括控制端基站、終端模塊、控制模塊、監測分析模塊，終端模塊包括布放在采集區域的傳感器，終端模塊與控制端基站進行無線數據通信，監聽控制端基站發來的控制命令，采集地質狀況的信息；控制模塊選擇采集數據的傳感器組播地址，對傳感器進行初始化，控制傳感器的采集時間間隔和數據發送時間間隔，發送讓傳感器終端開始或停止采集和傳輸數據的工作命令；監測模塊將控制端的基站接收到的數據存入數據庫。本發明低功耗、低成本、分布式、無線性、網絡的自組織性，而具有更強的抗破壞能力。
文檔編號G08C17/02GK103247151SQ20131011929
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月8日 優先權日2013年4月8日
發明者趙蘊龍, 王浩, 武廣君 申請人:哈爾濱工程大學