一种三维可视化滑坡体位移在线监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及三维可视化在线监测技术，具体地说涉及一种三维可视化滑坡体位移在线监测系统。

背景技术

滑坡体位移监测预警是一个多学科相互结合的系统工程。目前对滑坡灾害监测预警采取的主要措施有建立群测群防体系、开展汛期巡查、排查灾害隐患点、对重大灾害隐患点实行监测等。这些方法都各有不足之处，比如精度低、监测点位布置复杂、成本高、难以保证数据的及时性和准确性、无法保证边坡的临滑预警等。随着物联网、大数据、三维可视化和云计算等新一代信息技术的不断发展，智能化日渐成为工程监测技术的一个重要方向，采用先进信息技术实现滑坡体在线监测，为决策提供辅助支撑。

在以往的工作中，地质信息通常是通过钻孔等手段获取基本数据，利用钻孔柱状图、剖面图和勘察报告作为信息的主要表现形式。这种方式有长期的工程经验，模式和形式都较为规范和专业，但是同样有一定的缺点，包括信息查阅并不方便，专业化程度强，由大量统计数据堆叠而成，没有有效的三维展示效果等。通过滑坡体三维建模，集成滑坡体位移信息，可进行直观的三维展示，并基于集成数据进行分析预警，为决策提供辅助支撑。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的不足，而提供一种实时高效、抗干扰能力强、测量范围广的三维可视化滑坡体位移在线监测系统，较好的解决了目前测量精度、范围与成本相互矛盾的问题。

本发明利用光纤光栅抗干扰能力强的特点，可以准确获取滑坡体位移，同时采集雨情气象数据，通过物联网网络传送至数据监控中心，智能化记录和分析滑坡体位移数据，在出现危险情况时及时发出预警，提高了监测智能化水平。

为了实现上述功能，本发明所采取的技术方案是：

一种三维可视化滑坡体位移在线监测系统，本发明包括相互联接的数据采集装置和数据监控中心上位机；

所述的数据采集装置为，将采集到的数据信息通过物联网网络传输给数据监控中心上位机；

所述的数据采集装置包括光纤光栅位移传感器、光耦合器、光环形器、SLED光源模块、光纤光栅解调模块、电源模块、数据存储模块、实时时钟模块、物联网通信模块、雨量测量模块、控制器模块；

所述的光纤光栅位移传感器安装在滑坡体裂缝处；

所述的光纤光栅位移传感器与光环形器连接；

所述的SLED光源模块与光耦合器连接；

所述的光环形器与光纤光栅解调模块连接；

所述的控制器模块分别与SLED光源模块、光纤光栅解调模块、电源模块、数据存储模块、实时时钟模块、物联网通信模块、雨量测量模块单独连接；

所述的电源模块与SLED光源模块、光纤光栅解调模块、数据存储模块、实时时钟模块、物联网通信模块、控制器模块、雨量测量模块连接，提供所需要的稳定电源电压；

所述的数据采集装置通过物联网通信方式与数据监控中心上位机连接。

进一步为，本发明所述的光纤光栅位移传感器安装设置在滑坡裂缝，数量为多个；在滑坡体裂缝处两端分别安装固定桩，光纤光栅位移传感器主体传感单元固定在一侧固定桩上，光纤光栅位移传感器拉杆安装在另一侧固定桩上。

所述的光纤光栅位移传感器的中心波长范围在1525nm-1565nm之间，且同一根光纤上每个传感器的中心波长不同，中心波长间隔不低于2nm。光纤光栅位移传感器实现了位移的准分布式测量，抗干扰能力强，施工方便。

进一步为，本发明所述的控制器模块为高性能32位单片机。以提高系统的响应速度。监控模块为整个监测装置的核心，用于协调整个系统的工作，完成数据的采集、传输、存储控制。

进一步为，本发明所述光纤光栅解调模块的数量设置为多个，波长范围为1525nm-1565nm，用于解调不同光纤传输回来的光波长。。

进一步为，本发明所述的SLED光源模块中SLED光源为1550nm宽带光源，-3dB的光谱带宽为40nm。

进一步为，本发明所述的数据存储模块为64G SD卡；可以保存一年的历史数据。

所述的雨量测量模块为具有485通信功能的雨量计传感器。

上述一种三维可视化滑坡体位移在线监测系统的监测方法，本发明所述的监测方法包括如下步骤：

所述的控制器模块控制SLED光源模块中SLED光源发光，光耦合器将光分为2路，分别用于两路光纤光栅位移传感器测量，接着光经过环形器后到达其中一路光纤光栅位移传感器，同时传感器反射后的光经环形器后到达光纤光栅解调模块；

所述的控制器模块读取光纤光栅解调模块检测到的波长信息；在滑坡体裂缝位移发生变化时，光纤光栅位移传感器发生形变，从而使经光纤光栅传感器反射回来的波长也发生变化，光纤光栅解调模块将波长信息传递给控制器模块，控制器模块对光纤光栅传感器的数据进行计算转换为位移数据，之后读取雨量测量模块、时钟模块的数据信息，将这些数据打包写进数据存储模块，同时将上述信息通过物联网网络发送给数据监控中心上位机。

进一步为，本发明所述的数据监控中心上位机系统采用三维BIM引擎以及WebGl技术，支持滑坡体三维模型的浏览以及位移监测数据集成。

进一步为，本发明所述的数据监控中心上位机系统建立滑坡体三维模型，将滑坡体位移监测点位布置在三维模型上，集成数据采集装置采集的位移信息，进行综合展示与分析预警。

进一步为，本发明所述的监测方法包含以下具体步骤：

1) 系统初始化及自检，高性能控制器完成与SLED光源、时钟模块、光纤光栅解调模块、数据存储模块接口寄存器、控制变量等的初始化，同时进行各个模块的自检，若有模块存在故障，将故障信息发送回数据监控中心；

2) 开启SLED光源，并等待5S，待光源稳定；

3) 接收上位机指令参数；

4) 启动定时器，计时1S，采集1S内的光波长数据；

5) 计时时间到，调用中断服务程序，计算波长偏移；

6) 根据波长偏移计算滑坡体位移信息；

7) 采集雨量以及时间信息；

8) 判断SD卡存储是否已满，若数据已满，清除最早一天存储的数据信息，并将数据写进SD卡；

9) 将采集的数据发送回数据监控中心；

10)默认休眠10S后唤醒；

11)回到第4步，接收数据监控中心上位机指令，进行下一轮检测。

本发明具有以下优点：

1、本发明利用光纤光栅位移传感器来测量滑坡体位移，与传统测量方式相比，具有抗干扰能力强﹑测量范围大﹑测量精度高的特点。传统测量方式对于微小的位移无法检测，光纤光栅位移传感器以光波长作为传感量，可以测量微小位移，对于位移的长期缓变检测具有重要作用。

2、本发明利用光纤光栅传感器作为感知原件，实现了滑坡体位移的准分布式测量，降低了大范围滑坡体位移监测成本。

3、本发明将光源分为两路，可以实现两路传感器的同时测量，在扩大测量范围的同时降低了监测成本。

4、本发明通过建立滑坡体三维模型，集成位移监测数据，实现了滑坡体位移的三维可视化展示与分析预警，为决策提供辅助支撑作用。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步解释。

附图说明

图1为本发明一种结构框图。

图2为本发明中的光传输系统原理图。

图3为本发明中控制器模块电路原理图。

图4为本发明中的485总线传感器电路原理图。

图5为本发明中的SD卡电路原理图。

图6为本发明中的实时时钟模块的电路原理图。

图7为本发明中的物联网通信模块的电路原理图。

图8为本发明中电源模块的电路原理图。

图9为本发明实施例的工作流程图。

图10为本发明中光纤光栅位移传感器布置示意图。

图11为本发明中光纤光栅位移传感器安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种三维可视化滑坡体位移在线监测系统作详细具体的说明。

实施例1：本发明提供一种三维可视化滑坡体位移在线监测系统，其结构如图1所示。包括光纤光栅位移传感器、光耦合器、光环形器、SLED光源模块、光纤光栅解调模块、电源模块、数据存储模块、实时时钟模块、物联网通信模块、雨量测量模块、控制器模块；所述的光纤光栅位移传感器安装在滑坡体裂缝处；所述的光纤光栅位移传感器与光环形器连接；所述的SLED光源模块与光耦合器连接；所述的控制器模块与SLED光源模块、光纤光栅解调模块、电源模块、数据存储模块、实时时钟模块、物联网通信模块、雨量测量模块连接；所述的电源模块为SLED光源模块、光纤光栅解调模块、数据存储模块、实时时钟模块、物联网通信模块、控制器模块、雨量测量模块提供所需要的稳定电源电压；所述的数据采集装置通过物联网通信方式与数据监控中心连接。

装置光传感传输路径如图2所示，所述的控制器模块控制SLED光源发光，光耦合器将光分为2路，分别用于两路光纤光栅位移传感器测量，接着光经过环形器后到达其中一路光纤光栅位移传感器，同时传感器反射后的光经环形器后到达光纤光栅解调模块；所述的控制器模块读取光纤光栅解调模块检测到的波长信息；在滑坡体裂缝位移发生变化时，光纤光栅位移传感器发生形变，从而使经光纤光栅传感器反射回来的波长也发生变化，光纤光栅解调模块将波长信息传递给控制器模块，控制器模块对光纤光栅传感器的数据进行计算转换为位移数据，之后读取雨量测量模块、时钟模块的数据信息，将这些数据打包写进数据存储模块，同时将这些信息通过物联网网络发送给数据监控中心上位机。

以下为本发明中各单元的工作方式：

本实施例中的电源模块、数据存储模块、实时时钟模块、物联网通信模块、雨量测量模块、控制器模块的连接如图3至图7所示。其中U401为高性能控制器，采用STM32F4系列单片机，型号为STM32F407， STM32F407芯片是一款高性能处理器，有512KB至1MB字节FLASH，192KBRAM，包括基本时钟、定时器、串行通信、以太网控制器等模块。STM32F407芯片具有高性能高集成度、低电压供电、抗干扰力强等特点，其运行环境温度范围为-40～+85℃，适合于工业环境运用。同时该型号单片机，外围模块丰富，功能强大，方便实现功能的升级。图3中电阻R402、复位按键RESET K0、电容C409组成片外复位电路。Y402为8M高速晶振，Y401为32768低速晶振，二者共同构成单片机的片外晶振电路。图4中U204为485通信芯片，采用ISL3178EIBZ，图5 中R201~R205为SD卡上拉电阻，图6中U402为实时时钟芯片，采用PCF8563T，图7中U407为物联网通信芯片，采用NB75。

本实施例中的SLED光源采用北京中讯光普科技有限公司的SLEDxM 系列功率可调SLED 光源，是广泛用于分布式光纤光栅传感系统、光无源器件测试、光谱分析设计的SLED光源，具有输出光功率动态范围大，高波长稳定、高光功率稳定等特点。SLED光源控制接口与STM32F407芯片通过串行控制接口连接，控制器通过串行接口直接下达指令，控制SLED光源的发光。

本实施例中光纤光栅位移传感器采用北京迅天宇科技有限公司的SR-RP-S1型光纤光栅位移传感器，量程为0至500mm ；分辨率为0.05%F·S，光栅中心波长为1525~1565nm，光栅反射率≥90%，工作温度范围为-30℃~+80℃。

本实施例中的光纤光栅解调仪采用丹麦Ibsen公司提供的I-MON 512 OEM 型体光栅解调模块，单通道测量频率最大可达17KHz，能实现高精度、高重复性测量，性能稳定。该模块可应用于温度、应变、振动、加速度等物理量的实时监测与分析，模块接收光纤光栅位移传感器反射回来的光，并解析出中心波长，同时将波长数据传送给控制器。

本实施例中的雨量计采用威海精讯畅通电子科技有限公司的雨量计，测量数据通过485总线传送至控制器模块。控制器模块采用主动查询模式读取雨量计的数据信息。

本实施例中，所述的环形器具有单向传光特性，从SLED光源入射的光只能入射到光纤光栅位移传感器上，从光纤光栅位移传感器反射回来的光只能入射到光纤光栅解调模块上。

本实施例中的电源模块的电气原理图如图8所示。UA1为MC34063电源芯片，为系统提供正12V电源，UA2为LM1085IT-5.0电源芯片，为系统提供正5伏电源，UA3为LM1117MPX-3.3电源芯片，为系统提供正3.3伏电源，电源模块为系统中所有模块提供稳定可靠电源。

本实施例中的485通信模块的原理图如图5所示。U204为ISL3178EIBZ485通信芯片，芯片的3、4引脚与单片机控制模块的串行接口连接，6、7引脚与485总线连接，雨量测量模块传感器接线485总线上。

实施例2：本发明一种三维可视化滑坡体位移在线监测系统的工作流程如图7所示。系统开机后，进行初始化以及自检工作，之后再开启光源，读取数据，最后将数据存储在现地SD卡以及传送回数据中心。具体的工作过程为：

1) 系统初始化及自检，高性能控制器完成与SLED光源、时钟模块、光纤光栅解调模块、数据存储模块接口寄存器、控制变量等的初始化，同时进行各个模块的自检，若有模块存在故障，将故障信息发送回数据监控中心；

2) 开启SLED光源，并等待5S，待光源稳定；

3) 接收上位机指令参数；

4) 启动定时器，计时1S，采集1S内的光波长数据；

5) 计时时间到，调用中断服务程序，计算波长偏移；

6) 根据波长偏移计算滑坡体位移信息；

7) 采集雨量以及时间信息；

8) 判断SD卡存储是否已满，若数据已满，清除最早一天存储的数据信息，并将数据写进SD卡；

9) 将采集的数据发送回数据监控中心；

10) 默认休眠10S后唤醒；

11) 回到第4步，接收上位机指令，进行下一轮检测。

实施例3：将本发明实施例1提供的一种三维可视化滑坡体位移在线监测系统光纤光栅传感器安装在滑坡体裂缝处，如图10至图11所示。光纤光栅位移传感器是实现滑坡体位移的一种准分布式测量方法，通过一根光纤上布设多个传感器的方式，简化了布线，同时结合雨量信息，综合判定滑坡体位移的安全程度，为决策提供辅助支撑，两路光传感的功能相同，可以扩大测量范围。光纤光栅位移传感器A 1，光纤光栅位移传感器B 2，光纤光栅位移传感器C 3，光纤光栅位移传感器D 4安装在滑坡体裂缝7处，光纤光栅位移传感器具体安装个数视滑坡体裂缝长度确定，单路光最多可布置20个光纤光栅位移传感器，如图所示。在滑坡体裂缝处两端分别安装固定桩，光纤光栅位移传感器主体传感单元6固定在一侧固定桩上，光纤光栅位移传感器拉杆5安装在另一侧固定桩上。

以上所述的仅是本发明的部分具体实施例（由于本发明的实施例不能穷举，本发明所记载的保护范围以本发明的记载范围和其他技术要点范围为准），方案中公知的具体内容或常识在此未作过多描述。应当指出，上述实施例不以任何方式限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。