專利名稱：高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，更具體地，本實用新型涉及基于無線傳 感器網絡技術的高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
對于高速公路沿線的工程邊坡， 一般采用內部觀測法，通過布置多點位移計、水位計等 儀器設備進行觀測，并通過光纖、光纜等載體進行數據傳輸；或者采用外部觀測法，使用GPS 或北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)對位移進行監(jiān)測，通過移動通信(GSM、 GPRS、 CDMA、 3G)、 Internet 網絡等技術組合使用的系統(tǒng)。
目前通用的解決方案包括如下幾個-
(1) 光纖光柵傳感器監(jiān)測系統(tǒng) 光纖光纜傳輸是有纜的邊坡監(jiān)測方式，通過在山坡上布設光纖光柵傳感器，把測量的壓力、 加速度、位移、水位、應變、溫度等數據傳輸到監(jiān)控中心，實現(xiàn)邊坡監(jiān)測。
(2) 無線電臺通信傳輸系統(tǒng) 無線電臺通信傳輸系統(tǒng)由具有遠距離自動控制功能的中心控制機、譯碼接口機，野外采
樣編碼控制機，電臺傳輸系統(tǒng)和探頭等四部分組成。 一臺中心控制機可控制10個以上不同地 區(qū)的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)； 一臺野外采樣編碼控制機可控制70個探頭。其控制范圍取決于無線電臺 的功率和頻率， 一般可達幾十至上百公里。
中心控制機能隨時利用電臺傳輸系統(tǒng)進行遙測，調用幾十至上百公里范圍內IO個以上不 同地區(qū)的邊坡動態(tài)數據。這些邊坡動態(tài)數據自動進入計算機處理，為研究人員提供大量可靠 的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測和評價數據。
(3) 衛(wèi)星定位傳輸系統(tǒng)
目前，衛(wèi)星定位系統(tǒng)在高速公路邊坡監(jiān)測中發(fā)揮著越來越重要的作用?；谛l(wèi)星定位系 統(tǒng)的高速公路邊坡監(jiān)測系統(tǒng)將GPS定位技術、GSM/GPRS網絡無線通信技術、嵌入式技術以 及計算機技術相結合，采用崩塌傳感器對突發(fā)崩塌進行監(jiān)測和報警，采用GPS靜態(tài)差分定位 技術對滑坡位移進行動態(tài)觀測，實時對監(jiān)測點進行監(jiān)測和報警。
完整的滑坡實時監(jiān)測系統(tǒng)由多個監(jiān)測終端和一個監(jiān)測中心兩部分組成。測量終端主要包 括GPS接收模塊、崩塌傳感器模塊、無線通信模塊、電源模塊和主控模塊。監(jiān)測終端主要 用于在監(jiān)測中心的控制下完成GPS觀測數據的采集，并將GPS觀測數據通過無線方式發(fā)送
3給監(jiān)測中心。監(jiān)測中心在收到多個終端的GPS同步觀測數據后，經過靜態(tài)差分解算，得出各 滑坡監(jiān)測點與基點間的相對位置。長期監(jiān)測，通過各個監(jiān)測點與基點的相對位置的變化來判 斷各個監(jiān)測點的滑動情況。以及通過埋設在監(jiān)測點附近區(qū)域的多個崩塌傳感器來監(jiān)測山體崩 塌，當突發(fā)崩塌發(fā)生時終端立即向監(jiān)測中心報警，達到對突然發(fā)生的崩塌災害的監(jiān)測的目的， 避免更大的損失。
但是上述各種解決系統(tǒng)都具有不同的缺陷
(1) 光纖光柵傳感器監(jiān)測系統(tǒng) 由于需要在被監(jiān)測坡體上布設光纖光柵傳感器以傳輸數據，所以工程量比較大，費用高，
而且纜線的檢修也比較復雜，維修量大。
(2) 無線電臺通信傳輸系統(tǒng)
隨著移動通信業(yè)務的迅速發(fā)展，頻率資源越來越緊張，所以得到專用頻點相對比較困難。
(3) 衛(wèi)星定位傳輸技術
① 點位選擇的自由度較低。
為保證GPS測量的正常進行和定位精度，在GPS測量規(guī)范中對測站周圍的環(huán)境作出了
一系列的規(guī)定。如測站周圍高度角15。以上不允許存在成片的障礙物；測站離高壓線、變壓器、
無線電臺、電視臺、微波中繼站等信號干擾物和強信號源有一定的距離要求(如200m-400m); 測站周圍也不允許有房屋、圍墻、廣告牌、山坡、大面積水域等信號反射物，以避免多路徑 誤差。但在崩滑體的變形監(jiān)測中上述要求往往難以滿足，因為監(jiān)測點的位置通常是由地質人 員根據滑坡、斷層的地質構造和受力情況而定，有時又要考慮利用老的觀測墩和控制點。測 量人員的選擇余地不大，從而使不少變形監(jiān)測點的觀測條件欠佳。
② 整體環(huán)境對GPS觀測不利
崩塌、滑坡、泥石流等地質災害往往發(fā)生在地勢陡峻的山區(qū)，尤其是江河兩岸和峽谷地 區(qū)。在這些地區(qū)進行GPS測量時，視場往往較為狹窄，大量衛(wèi)星被山坡遮擋，而且多路徑誤 差較為嚴重，使GPS定位精度較正常情況差。
③ 同時使用GPS與GSM/GPRS的系統(tǒng)運營費用較高。
實用新型內容
鑒于上述現(xiàn)有技術中的問題，本實用新型提供了一種高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，用
于基于無線傳感器網絡技術進行高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測，該系統(tǒng)包括至少一個無線傳感 器節(jié)點、GPRS基站、以及控制中心。其中，至少一個無線傳感器節(jié)點，用于獲取公路邊坡
的性能數據，并對性能數據進行處理以得到無線傳感器節(jié)點數據，然后以自組多跳多路由方式將無線傳感器節(jié)點數據發(fā)送至GPRS基站；GPRS基站，連接至至少一個無線傳感器節(jié)點， 用于儲存和處理由至少一個無線傳感器節(jié)點傳來的無線傳感器節(jié)點數據，通過GPRS無線通 信方式將經過處理的傳感器數據傳送至Internet以及監(jiān)控中心，進行監(jiān)測處理。
根據本實用新型的一個實施例，無線傳感器節(jié)點包括數據采集模塊，包括傳感器和模 數轉換模塊，用于通過傳感器采集性能數據，并由模數轉換模塊對性能數據進行模數轉換； 數據處理模塊，連接至數據采集模塊，用于對來自數據采集模塊的數據進行預處理；數據傳 輸模塊，用于向GPRS基站傳輸數據；以及電源模塊，用于為無線傳感器節(jié)點提供電源。其 中，預處理包括數據的壓縮和/或融合。
根據本實用新型的另一實施例，數據傳輸模塊包括射頻模塊，用于以2.4GHz的Zigbee 協(xié)議發(fā)送數據。
根據本實用新型的又一實施例，至少一個無線傳感器節(jié)點還包括觸發(fā)節(jié)點，對預定數據 項進行采集，并在所采集的數據項的值大于預定閾值的情況下，觸發(fā)至少一個無線傳感器節(jié) 點中的其他無線傳感器節(jié)點開始數據采集。
根據本實用新型的再一實施例，至少一個無線傳感器節(jié)點在收到來自監(jiān)控中心的采樣請 求的情況下，開始進行數據采集。
根據本實用新型的高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，可以很好地解決如下技術問題
(1) 數據采集和傳輸的實時性、多樣性、査詢的方便性 本實用新型依托無線傳感器網絡技術，以自組多跳多路由方式，實現(xiàn)了對高速公路邊坡
地下水位、坡體相對位移、降雨量、坡體土壤含水率等影響邊坡穩(wěn)定性數據的實時采集和傳 輸，并通過多傳感器融合算法，構建高速公路邊坡穩(wěn)定性預警預報機制。系統(tǒng)實現(xiàn)了高速公 路邊坡穩(wěn)定性相關數據采集的多樣性和實時性，為邊坡預警預報工作提供了基本的數據支持。
同時，監(jiān)測系統(tǒng)利用終端節(jié)點擴展視頻圖像傳感器，將坡體發(fā)生異常時點的信息，以事 件激活方式啟動視頻圖像傳感器進行現(xiàn)場拍攝，再及時通過網絡發(fā)送給控制終端，使得控制 終端可以及時了解邊坡異常狀況，使高速公路管理部門真實地把握現(xiàn)場情況，準確并及時地 確定相應的應急搶救措施和交通管制方案。
本監(jiān)測系統(tǒng)還滿足了管理層雙向査詢功能。能夠對多點布設的傾角傳感器、振動、地下 水位傳感器、雨量傳感器等傳感器數據進行實時和歷史查詢，給高速公路管理部門提供了數 據查詢的方便性；
(2) 傳感器數據的較高容錯性
由于高速公路邊坡監(jiān)測工作的特殊環(huán)境，傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器經常會由于周圍環(huán)境 影響等原因而失效，而且維護或替換失效傳感器是非常困難或者不可能的。由于無線傳感器網絡在軟、硬件都具有很強的容錯性，本實用新型可以保證監(jiān)測系統(tǒng)具有很高的傳感器數據 的容錯性。當網絡的軟、硬件出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠通過自動調整或自動重構糾正錯誤，保 證整個網絡系統(tǒng)的正常工作。
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明。
圖1是本實用新型基于無線傳感器網絡技術的高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖2是本實用新型的一個實施例的示意圖3是圖2所示實施例中無線傳感器節(jié)點的示意圖4是圖2所示實施例軟件執(zhí)行過程的框1、坡l， 2、坡N， 3、 Zigbee通訊協(xié)議，4、 GPRS， 5、高速公路，6、運行管理服務器， 7、數據服務器，8、命令發(fā)布終端，9、數據庫，10、通信服務器，11、 TCP/IP協(xié)議，12、 Internet 接口， 13、監(jiān)控中心，14、 Internet, 15、 IP核心網，16、 GPRS中繼，17、傳感器網絡，18、 傳感器擴展板，19、外部傳感器，102、無線傳感器節(jié)點，104、 GPRS基站，106、終端控制 中心，202、無線傳感器節(jié)點，204、中繼節(jié)點，206、匯節(jié)點。
具體實施方式
圖1是本實用新型基于無線傳感器網絡技術的高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)的示意圖。 該系統(tǒng)包括至少一個無線傳感器節(jié)點102、 GPRS基站104、以及控制中心106。其中， 至少一個無線傳感器節(jié)點102，用于獲取公路邊坡的性能數據，并對性能數據進行處理以得 到無線傳感器節(jié)點數據，然后以自組多跳多路由方式將無線傳感器節(jié)點數據發(fā)送至GPRS基 站；GPRS基站104，連接至至少一個無線傳感器節(jié)點102，用于儲存和處理由至少一個無線 傳感器節(jié)點102傳來的無線傳感器節(jié)點數據，通過GPRS無線通信方式將經過處理的傳感器 數據傳送至Internet;以及監(jiān)控中心106，連接至GPRS基站104，通過Internet接收來自GPRS 基站104的數據，進行監(jiān)測處理。
圖2是本實用新型的一個實施例的示意圖。
如圖2所示，系統(tǒng)采取星型拓撲結構在被監(jiān)測的多個坡體上布設監(jiān)測子網，每個子網內 包含5-10個節(jié)點，節(jié)點按功能劃分為無線傳感器節(jié)點202，中繼節(jié)點204和匯節(jié)點206，其 中無線傳感器節(jié)點202包括外部傳感器，數模轉換模塊和數據傳輸Mote模塊，負責坡體物理 數據的采集與傳輸；由于受監(jiān)測區(qū)域內的植被和障礙物的遮擋，監(jiān)測坡體中設置了只具備通 信功能的若干中繼節(jié)點204，以減小網絡的通信干擾；作為簇頭的匯節(jié)點206接收到由無線傳感器節(jié)點202直接或由中繼節(jié)點204間接自組多跳的形式傳輸的傳感器數據，通過GPRS 無線通訊技術將數據傳輸至遠程監(jiān)控終端。 、 圖3是本實用新型的一個實施例中的無線傳感器節(jié)點的示意圖。
無線傳感器網絡節(jié)點的基本組成包括如下4個基本單元數據采集模塊(由傳感器和模 數轉換功能模塊組成)、數據處理模塊(包括MCU、存儲器、操作系統(tǒng)等)、數據傳輸模塊(由 無線通信模塊組成)以及電源管理模塊。
該節(jié)點包含電源模塊、核心處理單元CPU模塊、射頻模塊、A/D接口模塊、傳感器模塊 和數據存儲模塊；其中傳感器模塊包含邊坡監(jiān)測所需要的傾角傳感器302、液位傳感器304， 土壤含水率傳感器306、圖像傳感器308，通過A/D接口模塊310采集至數據處理模塊312， 以實現(xiàn)數據的采集功能；數據處理模塊主要實現(xiàn)對數據的高速處理，然后將處理后的數據存 儲于數據存儲模塊314或者通過射頻模塊316發(fā)送至信息中心；射頻模塊316主要實現(xiàn)對數 據的收發(fā)，該模塊通過SPI接口與數據處理單元模塊相連接，主要用來實現(xiàn)遠端信息中心的 指令接收和監(jiān)控信息的上傳；電源模塊由電池模塊318和電源監(jiān)控模塊320構成，負責對節(jié) 點進行電源供應和節(jié)電控制。
圖4是本實用新型的一個實施例的軟件執(zhí)行過程的框圖。
如圖4所示，在網絡初始化以后，先進行通信信道的選擇，然后負責閾值觸發(fā)的節(jié)點對 周邊物理環(huán)境進行數據采集，如果采集的數據超過了程序中預定的閾值，那么開始發(fā)送數據； 否則丟棄當前采集數據，繼續(xù)對本地環(huán)境狀況進行數據采集。當接收節(jié)點接收到發(fā)送請求以 后，由低功耗等待狀態(tài)喚醒，進入接收數據狀態(tài)，對數據進行接收，直至接收完畢。節(jié)點在 發(fā)生和接收完數據后都進入相應的睡眠狀態(tài)(低功耗狀態(tài))。
權利要求1、一種高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于基于無線傳感器網絡技術進行高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測，所述系統(tǒng)包括至少一個無線傳感器節(jié)點、GPRS基站、以及監(jiān)控中心，其中，所述至少一個無線傳感器節(jié)點，用于獲取公路邊坡的性能數據，并對所述性能數據進行處理得到無線傳感器節(jié)點數據，以自組多跳多路由方式將所述無線傳感器節(jié)點數據發(fā)送至GPRS基站；所述GPRS基站，連接至所述至少一個無線傳感器節(jié)點，用于儲存和處理由所述至少一個無線傳感器節(jié)點傳來的所述無線傳感器節(jié)點數據，以GPRS無線通信方式經由Internet將經過處理的傳感器數據傳送至所述監(jiān)控中心，進行監(jiān)測處理。
2、 根據權利要求1所述的高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述無線傳感器 節(jié)點包括數據采集模塊，包括傳感器和模數轉換模塊，用于通過所述傳感器采集性能數據，并由 所述模數轉換模塊對所述性能數據進行模數轉換；數據處理模塊，連接至所述數據采集模塊，用于對來自所述數據采集模塊的數據進行預 處理；數據傳輸模塊，用于向所述GPRS基站傳輸數據；以及 電源模塊，用于為所述無線傳感器節(jié)點提供電源。
3、 根據權利要求1或2所述的高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器 包括以下至少一種振動傳感器、傾角傳感器、液位傳感器、以及圖像傳感器。
4、 根據權利要求2所述的高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述預處理包括 數據的壓縮和/或融合。
5、 根據權利要求2所述的高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述數據傳輸模塊包括射頻模塊，用于以2.4GHz的Zigbee協(xié)議發(fā)送數據。
6、 根據權利要求1所述的高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述至少一個無 線傳感器節(jié)點還包括觸發(fā)節(jié)點，所述觸發(fā)節(jié)點對預定數據項進行采集，并在所采集的數據項 的值大于預定閾值的情況下，觸發(fā)所述至少一個無線傳感器節(jié)點中的其他無線傳感器節(jié)點開 始數據采集。
7、 根據權利要求1所述的高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述至少一個無線傳感器節(jié)點在收到來自所述監(jiān)控中心的采樣請求的情況下，開始進行數據采集。
專利摘要本實用新型涉及一種基于無線傳感器網絡技術高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)，包括至少一個無線傳感器節(jié)點、GPRS基站、以及監(jiān)控中心，組成網絡的無線傳感器節(jié)點將由探頭獲得的邊坡性能數據進行預處理后以自組多跳多路由方式將數據發(fā)送至GPRS基站，監(jiān)控中心通過Internet連接至GPRS基站，獲取無線傳感器節(jié)點發(fā)來的數據后進行分析處理。采用本系統(tǒng)對高速公路邊坡穩(wěn)定性進行監(jiān)測，能提高數據采集和傳輸的實時性、多樣性，方便查詢、分析，提高傳感器數據的容錯性。
文檔編號G01D21/00GK201277869SQ20082017852
公開日2009年7月22日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權日2008年10月31日
發(fā)明者仲崇波, 焦偉赟, 麗 趙 申請人:交通部公路科學研究所