专利名称：一种路基滑坡远程监测方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种线阵列式电容位移传感器设计和采用单片机的远程监测和控制技术。
背景技术：
公路路基滑坡造成公路路面坍塌而导致的车毁人亡的事故频发，因此，对公路路基滑坡灾害的实时监测与告警非常重要。目前的滑坡监测有两种大类型，一类是对地表滑坡绝对位移的监测，另一类是对滑坡深部位移的监测。对于第一类地表滑坡绝对位移的监测方法，由于地表滑坡最明显的特征为表面滑动，需要监测的是表面土质的滑动及其特征(如滑动位移大小和速率)和滑动时地面动态与变形。目前地表变形测量方法主要有:大地测量法、GPS测量法、地表倾斜测量法和地表裂缝观测等。(I)大地测量法:从滑坡外的稳定体上设立一系列基准点，在滑坡体内设立多个监测点，其中基准点为不动点，监测点为运动点。通过观测和比较监测点坐标同基准点的空间位置的变化来确定监测点的运动状态。传统的大地测量使用的仪器主要有:经纬仪、水准仪和测距仪等。其缺点是需要人工野外操作，数据采集不方便、不宜长期连续测量等。(2) GPS 法:GPS ( Global Positioning System,全球定位系统)可提供全球范围的连续、实时、高精度的定位，GPS用户接收机、计算机、输入输出控制显示设备，即可对地面上的测量点进行精确定位。缺点是GPS用户接收机所处位置要有足够多的卫星观测数和足够强的卫星无线传输信号，而在一些野外地区，不能很好地满足此接收信号要求。(3)地表倾斜测量法:主要是用于监测滑坡体表面倾斜角度的变化和倾斜方向。目前常用仪器有美国Sinco盘式倾斜仪，灵敏度8"，量程±30°，适用于倾斜变化较大时的监测。(4)地表裂缝观测:地表裂缝观测常用仪器有测缝计、收敛计、钢丝位移计和位错计。也可在裂缝两侧设标点和测桩，用钢尺和游标卡尺进行测量。地裂缝监测仪器一般跨裂缝、断层、夹层、层面等布置。滑坡深部位移监测比地表位移观测能获得更深层次的反映滑坡状态的信息。内部位移监测能更准确的判断滑坡断裂面位置、滑坡主滑方向、滑坡由深到浅的位移量、滑坡速率的变化等信息。滑坡深部位移监测主要方法有:内部倾斜监测、内部相对位移监测和支护结构监测等。(I)内部倾斜监测:多采用钻孔测斜仪。钻孔倾斜仪监测是用倾斜仪每隔一定时间逐段测量钻孔的斜率，从而获得岩土体内部水平位移及随时间的变化，其原理是根据摆捶受重力影响，测定以垂线为基准的弧角变化，适用于缓慢、匀速变形阶段的滑坡体的监测。当变形加剧或局部突发事件发生时，由于变形量大，挤压测斜管急剧变形使测头无法通过而导致监测报废。
(2)内部相对位移监测:滑坡在变形时，滑体内部两点间的相对位置会发生变化，可安装仪器测量坡体内两点间的相对位移或相对沉降。一般在滑坡变形范围以外选择一个变形相对微小的点作为基准点，而另一点则位于坡体变形明显的地方。相对位移观测一般采用多点位移计，可测量坡体沿钻孔轴线的位移变化。多点位移计可在同一钻孔中沿其长度方向设置不同深度的测点3 6个，国外可多达10点。(3)支护结构监测:主要有锚杆应力监测、锚索锚固力监测、钢筋应力应变监测、支挡结构与坡体接触压力监测等。对锚杆应力的监测多选用锚杆应力计，每根锚杆一般布置3 5个测点，可了解锚杆的受力状态、加固效果和应力沿锚杆的分布规律。对支挡结构与滑体接触压力的监测可选用压力计或压力盒，一般是按一定的深度迎着滑体滑动方向安装在支护结构同滑体接触的部位。以上可见，采用内部相对位移监测对公路路基滑坡法有较好的优势，但目前还没有适合的线阵列式传感器进行滑坡断裂面的精确位置和滑坡强度的测量。另外，路基滑坡是个长期积累的过程，人不可能总在野外现场盯着，而且目前的数据传输大多在现场采集，不利于远程和长期监控。现有的滑坡测量技术中，在恶劣环境下的监测技术、多地域分布式数据采集技术，以及远程测控技术等方面，还存在很多难题，没有得到很好地解决。现有文献中也缺乏关于通过远程互联网对公路路基滑坡进行远程监测和控制告警的详细描述和报道。

发明内容
针对上述现有滑坡测量技术中不能长期无人值守和通过互联网远程监控的缺陷，本发明提出了一种路基滑坡远程监测方法与装置，其实现目的是，设计一种线阵列式电容传感器，对滑坡断裂面位置和强度进行精确测量，监测数据由单片机现场采集，并通过网络控制芯片接入互联网，通过编制单片机和服务器之间的网络通信协议，将由单片机采集到的测量数据实时存储到远端服务器数据中心，由任意的上网设备，通过登录数据中心网站，即可实现对滑坡的远程监测和控制，具有方便、长效、实时监控和无人值守等优点。本申请提供的一种路基滑坡远程监测方法与装置，其特征在于包括线阵列式电容传感器(I)、数采及告警控制器(2)、告警设备(3)、远程数据传输装置(4)、太阳能电池电源
(5);所述线阵列式电容传感器(I)的特征在于包括线阵列式电容传感器敏感元件(11)、多路循环检测开关(12)、线阵列式电容传感器转换电路(13)、A/D转换器(14);所述数采及告警控制器(2)的特征在于采用单片机实现；所述告警设备(3)的特征在于包括告警灯(31)和语音报警装置(32);所述远程数据传输装置(4)的特征在于包括网络控制芯片(41)、路由器(42 )、远程数据服务器(43 )、本地计算机(44 );所述太阳能电池电源(5 )给所述线阵列式电容传感器(I)和所述数采及告警控制器(2 )提供电源；安装时，将所述线阵列式电容传感器(I)的线阵列式电容传感器敏感元件(11)插入到公路侧面路基的监测位置里，当路基有滑坡倾向时，在滑坡断裂面处会造成微位移错位，导致所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)在滑坡断裂面处发生折弯，使该处有位移变化的电容传感器单元的测量电容值发生变化，通过所述多路循环检测开关(12)循环检测所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)中各个电容传感器单元的电容测量值；通过所述线阵列式电容传感器转换电路(13)将电容值转换为电压值，经所述Α/D转换器(14)传输给所述数采及告警控制器(2)，进而通过所述远程数据传输装置(4)，将测量数据通过互联网上传到所述远程数据服务器(43)中，而用户可通过所述本地计算机(44)，通过上网打开所述远程数据服务器(43)中的数据网站，实时查看远程采集的数据，并能对所述告警设备(3 )中的告警灯(31)和语音报警装置(32 )进行远程控制，发出告警信号，提醒过往车辆和行人注意安全。其中，所述本地计算机(44 )能够访问互联网，实时显示存储在所述远程数据服务器(43)中的所述线阵列式电容传感器(I)的测量数据，并采用C语言编程，实时显示出所述线阵列式电容传感器(I)的二维成像，判断出在所述线阵列式电容传感器(I)中的各个电容传感器单元处的位移变化情况，对滑坡状态进行监测；当所述线阵列式电容传感器(I)中的位移变形超出设定阈值时，可通过网站进行远程控制，使所述告警灯(31)和所述语音报警装置(32)发出灯光告警、报警声音及语音提示，提醒过往车辆和行人注意安全，及时躲避滑坡危险。其中，所述线阵列式电容传感器(I)中的所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)长度可达2米以上，水平或倾斜插入到被测路基中，所述数采及告警控制器(2 )和太阳能电池电源(5 )都安装在所述线阵列式电容传感器(I)附近，当路基有滑坡趋势时，会造成所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)在滑坡断裂面处的位移变化，产生弯折，使在滑坡断裂面附近的电容传感器单元的电容值与正常值相比发生明显变化。其中，所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)由多个平面电容式传感器单元组成，包括电容传感器单元的金属电极(111)、固定所述金属电极(111)的塑料基片(112)、弹簧片(113)、接线柱(114)、电极导线(115);正常状态下，即公路路基没有滑坡时，所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)的各个电容传感器单元没有变形，故各电容传感器单元的电容值不变；当公路路基有滑坡倾向时，所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)中在滑坡断裂面附近的电容传感器单元会发生位移错位和变形，使这部分区域的电容传感器单元的电容值发生变化，当电容值变化量超过事先设定的阈值时，则说明有明显的滑坡现象发生。其中，所述线 阵列式电容传感器敏感元件(11)中共有/ 个电容传感器单元，顺次
标记为电容传感器单元Ci到Cjj ;设置/7个固态继电器开关，记为^到；所述线阵列
式电容传感器转换电路(13)为一个运算放大器电路，放大倍数为A，放大倍数A要足够大；将一个电容传感器单元和一个固态继电器开关作为一组，共形成η组，分别连接到运算放
大器电路的反馈回路中，在运算放大器电路的前向通路中，连接一个固定参考电容G ,交
流电源K给运算放大器电路提供电源；工作时，由所述数采及告警控制器(2) η个并行输
出口线依次输出高电平，顺次控制各个固态继电器开关开合和关闭，循环检测各反馈回路中各传感器电容单元的电容值变化情况，通过测量电路将各个电容传感器单元的电容变化
转换为电压值TJq输出，与未发生弯折变形的输出电压值相比较，差值越大，则滑坡强度越
大，同时可判断出弯折发生的具体位置，从而可反映出路基的滑坡位置和强度。其中，输出电压U0与电容传感器单元的电容值CliCh Cn 一一对应，计算公式为:
权利要求
1.一种路基滑坡远程监测装置，其特征在于包括线阵列式电容传感器(I)、数采及告警控制器(2)、告警设备(3)、远程数据传输装置(4)、太阳能电池电源(5);所述线阵列式电容传感器(I)的特征在于包括线阵列式电容传感器敏感元件(11)、多路循环检测开关(12)、线阵列式电容传感器转换电路(13)、Α/D转换器(14);所述数采及告警控制器(2)的特征在于采用单片机实现；所述告警设备(3)的特征在于包括告警灯(31)和语音报警装置(32);所述远程数据传输装置(4)的特征在于包括网络控制芯片(41)、路由器(42)、远程数据服务器(43 )、本地计算机(44 );所述太阳能电池电源(5 )给所述线阵列式电容传感器(I)和所述数采及告警控制器(2 )提供电源；安装时，将所述线阵列式电容传感器(I)的所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)插入到公路侧面路基的监测位置里，当路基有滑坡倾向时，在滑坡断裂面处会造成微位移错位，导致所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)在滑坡断裂面处发生折弯变形，使该处有位移变化的电容传感器单元的测量电容值发生变化，通过所述多路循环检测开关(12)循环检测所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)中各个电容传感器单元的电容测量值；通过所述线阵列式电容传感器转换电路(13)将电容值转换为电压值输出，经所述Α/D转换器(14)传输给所述数采及告警控制器(2)，进而通过所述远程数据传输装置(4)，将测量数据通过互联网上传到所述远程数据服务器(43)中，而用户可通过所述本地计算机(44)，通过上网登陆所述远程数据服务器(43)中的数据网站，实时查看远程采集的数据，并能对所述告警设备(3 )中的告警灯(31)和语音报警装置(32 )进行远程控制，发出指示灯和语音告警信号，提醒过往车辆和行人注意安全。
2.按照权利要求1所述的一种路基滑坡远程监测装置，其特征在于所述本地计算机(44)能够访问互联网，实时显示存储在所述远程数据服务器(43)中的所述线阵列式电容传感器(I)的测量数据，并采用C语言编程，实时显示出所述线阵列式电容传感器(I)的二维成像，判断出在所述线阵列式电容传感器(I)中的各个电容传感器单元处的位移变化情况，对滑坡状态进行监测；当所述线阵列式电容传感器(I)中的位移变形超出设定阈值时，可通过网站进行远程控制，使所述告警灯(31)和所述语音报警装置(32)发出灯光和语音告警，提醒过往车辆和行人注 意安全，及时躲避滑坡危险。
3.按照权利要求1所述的一种路基滑坡远程监测装置，其特征在于所述线阵列式电容传感器(I)中的所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)的长度可达2米以上，水平或倾斜插入到被测路基中，所述数采及告警控制器(2)和太阳能电池电源(5)都安装在所述线阵列式电容传感器(I)附近，当路基有滑坡趋势时，会造成所述线阵列式电容传感器敏感元件(II)在滑坡断裂面处有位移变化，产生弯折变形，使在滑坡断裂面附近的电容传感器单元的电容值与正常值相比发生明显变化。
4.按照权利要求1所述的一种路基滑坡远程监测装置，其特征在于所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)由多个平面电容式传感器单元组成，包括电容传感器单元的金属电极(III)、固定所述金属电极(111)的塑料基片(112)、弹簧片(113)、接线柱(114)、电极导线(115);正常状态下，即公路路基没有滑坡时，所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)的各个电容传感器单元没有变形，故各电容传感器单元的电容值不变；当公路路基有滑坡倾向时，所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)中在滑坡断裂面附近的电容传感器单元会发生位移错位和变形，使这部分区域的电容传感器单元的电容值发生变化，当电容值变化量超过事先设定的阈值时，说明有明显的滑坡现象发生。
5.按照权利要求1所述的一种路基滑坡远程监测装置，其特征在于所述线阵列式电容传感器敏感元件(11)中共有/7个电容传感器单元，顺次标记为电容传感器单元q到Ch ;设置个固态继电器开关，记为h到^ ；所述线阵列式电容传感器转换电路(13)为一个运算放大器电路，放大倍数为A，放大倍数A要足够大；将一个电容传感器单元和一个固态继电器开关作为一组，共形成/7组，分别连接到运算放大器电路的反馈回路中，在运算放大器电路的前向通路中，连接一个固定参考电容Q ,交流电源R给运算放大器电路提供电源；工作时，由所述数采及告警控制器(2)的/7个并行输出口线依次输出高电平，控制各个固态继电器开关依次开合和关闭，循环检测各反馈回路中各传感器电容单元的电容值变化情况，通过测量电路将各个电容传感器单元的电容变化转换为电压值U0输出，与未发生弯折变形的输出电压值相比较，差值越大，则滑坡强度越大，同时可判断出弯折发生的具体位置，从而可反映出路基滑坡的位置和强度。
6.按照权利要求1所述的一种路基滑坡远程监测装置，其特征在于所述数采及告警控制器(2)采用单片机，通过SPI总线与所述网络控制芯片(41)相连，采用C语言编程，通过模拟SPI时序的方式实现所述数采及告警控制器(2)与所述网络控制芯片(41)之间的通信；所述网络控制芯片(41)通过固定IP方式配置本地网络，通过RJ-45双绞线接入到所述路由器(42)，将所述路由器(42)接入互联网络，则所述数采及告警控制器(2)即可接入到以太网上；所述数采及告警控制器(2)接入到以太网以后，即可通过单片机采集所述线阵列式电容传感器(I)的输出电压数据，然后将传感器数据通过HTTP请求的方式提交到远端托管的所述远程数据服务器(43 );所述远程数据服务器(43 )会根据服务器端设定存储数据到MYSQL数据库，此时，用户可以通过所述本地计算机(44)或任意可以上网的设备(手机、笔记本电脑)查看数据报表，经与无滑坡时的正常测量输出电压值比较，判断出所述线阵列式电容传感器(I)的变 形位置和强度大小；另外，用户也可打开远程控制操作页面，对所述数采及告警控制器(2 )上的控制设备，即所述告警灯(31)和所述语音报警装置(32 )进行远程控制操作。
全文摘要
一种路基滑坡远程监测方法与装置，设计了线阵列式电容传感器对滑坡断裂面位置进行实时检测，基于单片机对线阵列式电容传感器的测量数据进行实时采集，利用网络控制芯片将单片机接入互联网，通过编制单片机和远程数据服务器之间的网络通信协议，实现了通过数据中心网站将由单片机采集到的测量数据实时传输到远程数据服务器中进行数据存储。通过上网设备，用户登陆数据中心网站对远程数据服务器中的存储数据进行访问，获取滑坡断裂面位置，实现对路基滑坡状况的远程实时监测，并能通过网站，对远程报警设备进行告警控制。采用本方案，可方便、快捷和高效地实现对路基滑坡位置和强度的远程监控，很好地解决多地点测量及恶劣环境下的测量难题。
文档编号G01D5/24GK103177532SQ20131007359
公开日2013年6月26日 申请日期2013年3月8日 优先权日2013年3月8日
发明者王建军, 王守谦, 李冠君, 林晓晓 申请人:山东理工大学