一种地下微变量扰动监测系统

技术领域

本发明涉及地下微变量扰动感知技术领域，尤其涉及一种地下微变量扰动监测系统和装置。

背景技术

古文化遗址、古墓葬等是我国文化遗产，其蕴含着中华民族特有的精神价值、思维方式、想象力，是各民族智慧的结晶，也是全人类文明的瑰宝。

其中古墓葬作为人文遗迹的一种，属于文化生态环境的重要组成部分，具有一定的历史、艺术和科学价值。但现在对古墓葬的保护措施都比较薄弱，导致出现很多古墓葬被人为盗窃与破坏；目前对遗址与文物的保护主要只针对一些价值高的保护对象，且使用的是传统的安防手段进行布防，传统安防手段耗时耗力；而对于地下埋藏不明确的文物和户外散存遗迹几乎没有安全防范措施，也缺乏相应的技术手段和专用装备支撑。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种地下微变量扰动监测系统，其解决了现有技术中存在的对地下遗迹的安全防范措施严重缺失的问题。

根据本发明的实施例，一种地下微变量扰动监测系统，包括远端服务器和若干监测终端，远端服务器与监测终端无线连接；

所述监测终端包括数据采集模块和控制模块，所述数据采集模块用于采集目标区域土壤震动数据，所述控制模块用于对土壤震动数据进行预处理并将预处理后的数据发送至远端服务器，远端服务器设有扰动阈值，当土壤震动数据达到扰动阈值时远端服务器预警。

本发明的技术原理为：利用多个监测终端对目标土壤进行监测震动数据，然后将监测的土壤震动数据发送至远端服务器，通过在远端服务器上设置报警阈值，若监测出的土壤震动数据达到了报警阈值，则服务器报警，有效的解决了地下遗迹的安全防范措施严重缺失的问题。

可选地，所述数据采集模块包括震动传感器和定位模块，所述土壤震动信息包括加速度信息和定位信息；

震动传感器用于采集目标区域的加速度信息，定位模块用于采集定位信息。

可选地，所述控制模块包括预处理模块、加速度倾角转换模块和通信模块；

所述通信模块用于与远端服务器建立无线连接；所述预处理模块用于对土壤震动数据进行预处理；所述加速度倾角转换模块用于将加速度信息转化为三轴角度值。

可选地，所述预处理模块包括加速度滤波补偿模块和模数转换模块；

所述加速度滤波补偿模块用于对土壤震动数据进行加速度补偿和滤波；所述模数转换模块用于将土壤震动数据由模拟信号转换为数字信号。

可选地，所述监测终端还包括频率控制模块，所述频率控制模块与所述数据采集模块连接，频率控制模块用于控制所述数据采集模块的采集频率。

可选地，所述监测终端还包括电源预警模块，所述电源预警模块与所述电源模块连接，用于实时监测所述电源模块的剩余电量，当所述电源模块的剩余电量达到下限值时，所述电源预警模块通过所述控制模块向远端服务器发出电量不足警示信息。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：利用监测终端对目标土壤进行实时监控，若出现土壤震动的情况出现，监测终端将土壤震动信号传递给远端服务器，通过远端服务器进行报警，实现了在远端就可以对目标土壤进行实时监控，解决了地下遗迹的安全防范措施严重缺失的问题；在电源上还设置有电源预警模块，利用电源预警模块可以实时监控电源模块的剩余电量，若电源模块的剩余电量较低，且超过设定阈值，则通过电源预警模块向控制模块发送预警信息，通过控制模块将预警信息发送至远端服务器，通过此方式防止电源模块电量用完后，监测终端失去作用的情况；通过设置频率控制模块来控制采集终端的采集频率，有效的节省了该系统的电能，使得该系统的待机时间更长；通过将监控系统安装在防水且密封装置中，可以有效地提高系统的使用寿命；通过在电源模块的输出端安装低功耗管理模块，可实现将监控系统的待机电流控制在200uA以下，实现超长待机。

附图说明

图1为本发明实施例1的系统结构框图。

图2为本发明实施例1的监测终端结构示意图。

图3为本发明实施例1的预处理模块结构示意图。

图4为本发明实施例1的数据采集模块结构示意图。

图5为本发明实施例1的控制模块结构示意图。

图6为本发明实施例1的电源模块示意图。

图7为本发明实施例1的低功耗管理模块部分结构图。

图8为本发明实施例1的低功耗管理模块部分结构图。

图9为本发明实施例1的封装结构示意图。

图10为本发明实施例的堵头结构示意图。

上述附图中：1、地上防水壳；2、第一天线安装架；3、第二天线安装架；4、第一密封连接头；5、保护套管；6、地下防水壳；7、堵头；8、第二密封连接头。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。

实施例1

如图1-5所示，本发明实施例提出了一种地下微变量扰动监测系统，包括远端服务器和若干监测终端，远端服务器与监测终端无线连接；

所述监测终端包括数据采集模块和控制模块，所述数据采集模块用于采集目标区域土壤震动数据，所述控制模块用于对土壤震动数据进行预处理并将预处理后的数据发送至远端服务器，远端服务器设有扰动阈值，当土壤震动数据达到扰动阈值时远端服务器预警。

如图1所示，在使用时，将每个监测终端安装在地上的目标区域，用于监测土壤震动信号，当有外力对该目标监测区域的土壤施力时，监测终端将会监测到土壤振动信号，并将此信号发送给远端服务器，由远端服务器进行报警；监测终端包括地上部分和地下部分，地上部分和地下部分通过总线连接，其中地下部分用于监测土壤震动信号，并处理信号，再发送给地上部分，通过地上部分将土壤震动信号进行存储，并发送给远端服务器，再远端服务器上设置有报警阈值，一旦远端服务器接收到的土壤震动信号超过了报警阈值，远端服务器将进行报警，并显示出报警位置，其中报警位置通过北斗定位系统对地上部分安装的北斗天线来进行定位；监测系统在没有土壤震动信号输入时，整个系统处于睡眠状态，可降低该系统的用电量，当地下部分监测到土壤震动信号时，地下部分将唤醒地上部分，然后对数据进行存储和发送；通过远端服务器也可以通过自组网直接唤醒处于睡眠状态的地上部分，以此也可以获取到地上部分内存储的数据；在远端服务器上也设置有储存器，用于储存土壤震动数据和报警数据；采用此系统有效的解决了地下遗迹的安全防范措施严重缺失的问题。

作为本发明的一种可选实施例，可选地：所述数据采集模块包括震动传感器和定位模块，所述土壤震动信息包括加速度信息和定位信息；

震动传感器用于采集目标区域的加速度信息，定位模块用于采集定位信息。

如图4所示，利用震动传感器来监测土壤的加速度信息，震动传感器安装在地下，对土壤进行实时监测；其中定位模块包括，安装在地上部分的北斗天线和天上的北斗定位系统，北斗天线与天上的北斗定位系统通讯连接，北斗定位系统通过北斗天线对该监测终端进行定位，获取定位信息，北斗定位系统将获取到的定位信息发送给远端服务器；其中震动传感器的工作温度在零下40摄氏度到零上80摄氏度之间，其工作温度区间广，适合各种恶劣的工作环境，保证了系统在各种环境运行的稳定性。

作为本发明的一种可选实施例，可选地：所述控制模块包括预处理模块、加速度倾角转换模块和通信模块；

所述通信模块用于与远端服务器建立无线连接；所述预处理模块用于对土壤震动数据进行预处理；所述加速度倾角转换模块用于将加速度信息转化为三轴角度值。

如图5所示，在使用时，利用加速度倾角转换模块对震动传感器监测的加速度信息进行转换，将加速度信息转换为三轴角度值，再通过预处理模块进行预处理，预处理模块将模拟信号转换为数字信号，然后利用通讯模块将处理后的数字信号传递给远端服务器，通讯模块设置在监测终端的地上部分上。

作为本发明的一种可选实施例，可选地：上述加速度倾角转换步骤为：

a、获取X轴、Y轴和Z轴的加速度分量；X轴的加速度分量为Ax，Y轴的加速度分量为Ay，Z轴的加速度分量为Az。

b、对所述加速度分量进行低通滤波；滤波方法采用三阶巴特沃斯低通滤波。

c、通过低通滤波后得到的加速度进行滑动窗口滤波，去除最大值和最小值；

d、将经过低通滤波和滑动窗口滤波后的加速度转换为三轴角度值。

其中，所述的加速度转换为三轴角度值的公式为：

给震动传感器建立三维直角坐标系可得：

其中θx为X轴的角度值，θy为y轴的角度值，θz为z轴的角度值，Ay为所述地下信号采集模块的加速度在y轴方向的重力加速度分量，Ax为所述地下信号采集模块的加速度在x轴方向的重力加速度分量，Az为所述地下信号采集模块的加速度在z轴方向的重力加速度分量，α为Ax在水平方向上的夹角，β为Ay在水平方向上的夹角，γ为Az在水平方向的夹角；其中Ax、Az和Ay的大小可以根据诱导公式计算得到。

作为本发明的一种可选实施例，可选地：所述预处理模块包括加速度滤波补偿模块和模数转换模块；

所述加速度滤波补偿模块用于对土壤震动数据进行加速度补偿和滤波；所述模数转换模块用于将土壤震动数据由模拟信号转换为数字信号。

如图3所示，加速度滤波补偿模块包括初始补偿模块、方向补偿模块和滤波模块，初始补偿模块与震动传感器连接，方向补偿模块与初始补偿模块连接，初始补偿模块与滤波模块连接，初始补偿模块用于根据震动电压信号得到初始补偿电压；并将所述初始补偿电压发送至方向补偿模块；方向补偿模块用于根据初始补偿电压生成加速度补偿电压；以此对土壤震动数据进行加速度补偿；然后再利用滤波模块对加速度补偿后的震动数据进行滤波，然后再利用模数转换模块将模拟量的震动数据转换为数字量的震动数据。

作为本发明的一种可选实施例，可选地：所述监测终端还包括频率控制模块，所述频率控制模块与所述数据采集模块连接，频率控制模块用于控制所述数据采集模块的采集频率。

如图2所示，利用频率控制模块发出的PWM波来控制采集频率，且频率控制模块发出的PWM波可根据需要来设定，波形的周期越长采集的频率越慢，波形的周期越短采集的频率越快；在使用时，频率控制模块与数据采集模块连接且封装在一起，设置于地下，有利于节约电源模块内部的电能，具体数据采集模块的采集频率可以根据现场需要而设定，在这里不做限定。

作为本发明的一种可选实施例，可选地：所述监测终端还包括电源模块和低功耗管理模块，所述低功耗管理模块与电源模块连接，所述低功耗管理模块用于控制电源模块的输出电流；

所述电源模块包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5和电源芯片，所述电源芯片的第一引脚和第三引脚之间并联有所述电容C1和电容C2，所述电源芯片的第一引脚和第二引脚之间并联有所述电容C3、电容C4和电容C5，所述电源芯片的第三引脚为输入端，所述电源芯片的低二引脚为输出端，所述电源芯片的第一引脚接地。所述电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和电容C5均用于滤波，所述电源芯片为MET5633BTE。

如图2和6所示，在使用时，电源模块的输出端连接低功耗管理模块，利用低功耗管理模块可以将检测系统的待机电流控制在200uA以下，实现超长待机。

作为本发明的一种可选实施例，可选地：所述低功耗管理模块包括电阻R1、电阻R3、电容C7和MOS管Q1，所述电阻R3的输入端与所述电源模块的输出端连接，所述电阻R3的输出端与所述电阻R1的输入端和所述MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的漏极连接所述电容C7的输入端和所述电源模块正极，所述电容C7的输出端接地，所述电阻R1的输出端和所述MOS管Q1的源极作为所述低功耗管理模块第一输出端；所述低功耗管理模块还包括电阻R2、电阻R4和MOS管Q2，所述电阻R4的输入端与所述电源模块的输出端连接，所述电阻R4的输出端与所述电阻R4的输入端和MOS管Q2的栅极连接，所述MOS管Q2的漏极连接所述电源模块正极，所述电阻R2的输出端和所述MOS管Q2的源极作为所述低功耗管理模块第二输出端。

如图7和8所示，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4为限流电阻，所述电容C7为滤波电容，所述MOS管Q1和MOS管Q2作为开关管，起到电路通断的作用，当所述主控制模块处于休眠状态时，所述MOS管Q1和MOS管Q2切断外围电路，以达到节约电能的目的，减少工作人员的工作量。

作为本发明的一种可选实施例，可选地：所述监测终端还包括电源预警模块，所述电源预警模块与所述电源模块连接，用于实时监测所述电源模块的剩余电量，当所述电源模块的剩余电量达到下限值时，所述电源预警模块通过所述控制模块向远端服务器发出电量不足警示信息。

如图2所示，电源预警模块包括：

电源采集模块，用于采集电源的电流、电压和温度；电源采集模块包括微型电流传感器、微型电压传感器和微型温度传感器。利用电压传感器、电流传感器和温度传感器实时检测电源模块的电流、电压和温度数据，并将数据发送给控制模块，利用控制模块将数据发送给远端服务器，远端服务器设有电源模块的报警阈值，当电源模块的电流、电压和温度数据超过了设定的阈值时，远端服务器报警，告诉工作人员电池异常。

作为本发明的一种可选实施例，可选地，还包括：

地下防水壳，用于封装数据采集模块，且采用耐腐蚀的材料制作；

地上防水壳，通过保护套管与所述地下防水壳密封连接，用于封装所述控制模块。

如图9和10所示，在使用时，地下防水壳6，用于封装数据采集模块和频率控制模块，且采用耐腐蚀的金属材料制作；所述地下防水壳6的内部设置有数据采集模块和频率控制模块的安装架，所述数据采集模块安装于频率控制模块下面，靠近所述地下防水壳6底部；所述地下防水壳6顶部螺接有堵头7，用于密封住所述地下防水壳6防止进水，影响所述地下信号采集模块和微控制模块使用；所述地下防水壳6采用不锈钢制作，具有很强的抗腐蚀性，硬度较强，可保证其内部的所述地下信号采集模块和微控制模块的绝对安全；在每一个接头处套设有防水垫，防止在使用时系统内部进水。

地上防水壳1，通过保护套管与所述地下防水壳密封连接，用于封装控制模块、电源模块和低功耗管理模块。所述地上防水壳通过保护套管5连接在所述地下防水壳6顶部，所述保护套管5两端分别密接有第一密封连接头4和第二密封连接头8，所述第一密封连接头4与所述堵头7螺接，所述第二密封连接头8与所述地上防水壳1螺接，所述地上防水壳1中的控制模块、电源模块和地下防水壳6中的数据采集模块和频率控制模块之间的连接线可穿过所述保护套管5内部实现相互通讯，且可将控制模块、电源模块和地下防水壳6中的数据采集模块和频率控制模块之间的连接线保护起来；保护套管5和所述第一密封连接头4和第二密封连接头8一体成型，其密封性更好，且所述保护套管5采用高耐温耐腐蚀环保材料做，所述第一密封连接头4和第二密封连接头8同样采用不锈钢制作，保证其内部的通讯线的安全性；上述地上防水壳1采用铝合金制作，且做了防水处理，其顶部设安装有第一天线安装架2和第二天线安装架3，上述第一天线安装架2和第二天线安装架3采用金属材料制作，同样具有强反腐蚀性。

实施例2

实施例2与实施例1的不同之处在于，实施例1电源模块和监测终端的报警阈值设置在远端服务器，而本实施例的报警阈值设置在每个监测终端各自的控制模块内，通过对控制模块进行软件编程实现，控制模块为单片机或FPGI等控制器；当采集模块采集到加速度信息时，进行实施例1中的变换后，再将信号传递给控制模块，控制模块对接受的信号进行分析，判断接受的信号是否超过设定的阈值，若超过设定的阈值，控制模块给远端服务器发送报警信息，远端服务器进行报警；同样的方式，当接收到电源模块的电流、电压和温度数据超过设定的阈值时，控制模块向远端服务器发送报警信息，远端服务器开始报警，工作人员接收到报警后，对该电源模块进行处理或更换。采用本实施例的方法可以减小远端服务器的工作量，使远端服务器运行更加顺畅。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。