一种泥石流监测分析预警装置及泥石流监测方法

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

本实施例的一种泥石流监测分析预警装置包括主机和用于接收泥石流灾害体被测点的地声震动信号的智能化传感器。所述主机以8位的FREESCALE处理器MC9S08QE128、RS485驱动电路MAX3082、键盘接口、LCD显示屏、SD卡组合系统核心部分；智能化传感器以8位的FREESCALE处理器MC9S08QE128、RS485驱动电路MAX3082、放大器AD762、数字电位器AD5259、震弦式敏感元件组合系统核心部分。

所述主机的上面板示意图如图1所示，包括LCD显示屏11、16个按键12、3个指示灯13和电源接口14。LCD显示屏11显示采集的地声波形；16个按键12用于设置主机各种工作模式；3个指示灯13包括指示灯L1、指示灯L2、指示灯L3，分别显示各个通道工作状态，闪烁表示数据处于传输状态；电源接口14用于连接220V交流电。另外，所述主机的前面板设置有4个Φ15插头，3个接智能化传感器，1个BDM插头接处理器调试线，预留做以后扩展用；所述主机的后面板设置有SD卡接口用于安插SD存储卡，支持热插拔，12V电源接口用于给仪器供电，充电接口用于给仪器内部集成的电池充电。

其中，所述按键中的部分按键的功能如表1所示。

表1

所述主机包括机箱、内置的电路板和外置的传感器接口，所述主机通过所述传感器接口与所述智能化传感器进行通信；所述电路板包括LCD板、数据存储板和主机电源电路，所述LCD板和数据存储板以SPI接口相互连接，所述主机电源电路为所述主机供电，所述电源电路与220伏交流电源连接或与太阳能电池板连接。所述LCD板通过A、B两路RS485模块接收两路数据，数据存储板通过C路RS485模块接收第三路数据；所述数据存储板将该三路接收的数据存储到SD卡；所述LCD板通过所述LCD显示模块以波形方式显示该三路数据。所述主机的电路原理图如图2所示。另外，所述主机还包括报警单元，用于在地声震动信号超过上触发门限值时发出报警信号。

所述LCD板由第一处理器、EEROM存储器、实时时钟模块、RS485模块、LCD显示模块、薄膜键盘开关单元相互连接组成。所述数据存储板由第二处理器、实时时钟模块、SD卡模块、RS485模块相互连接组成。

所述第一处理器和第二处理器包括参数设置单元和判断单元；所述参数设置单元用于设置数据采集参数，所述数据采集参数包括上触发门限值、下触发门限值、传感器内部放大倍数、系统时间、扫描频率和显示长度；所述判断单元用于判断所述地声震动信号是否超过所述上触发门限值或是否低于所述下触发门限值，所述主机根据所述判断单元的判断结果开始采集或结束采集所述地声震动信号；

所述LCD板的电路原理图如图3所示，参照图3，A部分是MC9S08QE128处理器的接口说明；B部分是泥石流监测分析预警装置的电源，负责主机及前端智能化传感器的供电；E、D部分是A、B数据通道RS485驱动电路MAX3082，通过它们接收A、B智能化传感器的数据；G部分是调试及烧写MC9S08QE128处理器程序的电路；I部分为实时时钟及程序参数配置电路；U部分为LCD显示驱动电路；K部分为键盘驱动电路。

所述数据存储板的电路原理图如图4所示，参照图4，IC4为MC9S08QE128处理器的接口说明；IC2是C数据通道RS485驱动电路MAX3082，通过它接收C智能化传感器的数据；JP1是连接SD卡的接口，用于存储三道的数据；IC3是实时时钟，用于记入存储数据的时间。

所述智能化传感器包括防水外壳、内置的主控电路板、外置的传感器接口和震弦式敏感元件，所述智能化传感器通过所述传感器接口与所述主机进行通信。所述主控电路包括由两个处理器通过RS232串口相互连接组成的CPU控制单元，实现信号放大的运算放大器，实现电压型传感器的数据采集的模数转换器，用于发送采集数据的RS485模块，为所述智能化传感器供电的电源电路；所述震弦式敏感元件用于接收泥石流震动产生的地声在被测点附近的振幅和频率参数。所述智能化传感器的电路原理图如图5所示，参照图5，电路板上包括两个MC9S08QE128处理器、一个模数转换器、一个放大器、一个数字电位器、一个RS485驱动电路、一个敏感元件；敏感元件为震弦式，负责拾取地声信号，将地声震动信号转化为电压信号，通过放大器AD762放到信号，模数转换器集成在一个MCU1处理器MC9S08QE128中，负责把地声模拟信号数字化，MCU1还负责通过IIC接口控制数字电位器AD5259调节放大倍数，通过RS232串口把数据传送给另一个MCU2处理器MC9S08QE128中，MCU2通过RS485驱动电路MAX3082把数据传输到主机。

本发明的泥石流监测分析预警装置可以连接三道智能化传感器，在泥石流灾害发生地区布设时，智能化传感器埋置在灾害体土体10公分以下，用土埋好夯实，当有泥石流引起的岩土体震动时，智能化传感器把地声信号数字化为电压信号，通过RS485总线送入主机，以波形方式实时显示、存储并进行报警，为避免地面干扰和人为导线损害，将连接电缆也埋入地下。另外，本发明的泥石流监测分析预警装置由220V交流电源或12V直流电瓶提供电源，通过不同的接口连接不同的电源，通过加装控制器12V直流接口亦可采用太阳能电池板供电。而且发明的泥石流监测分析预警装置的各电子元件均应按照工业级标准选择，电路板遵循电磁兼容原则下设计，以保证系统正常工作和工作的可靠性。

本发明的泥石流监测分析预警装置具有以下优点：

1、系统工作可靠：本发明的泥石流监测分析预警装置的电子元件按照工业级标准选择，电路板遵循电磁兼容原则下设计，可以保证系统正常工作和工作的可靠性。

2、抗干扰能力强：本发明的泥石流监测分析预警装置对采集的信号在前端即进行了数字化处理，主机接收到的是数字化信号，有效解决了模拟信号在远距离采集传输过程中易混进噪声的问题。

3、获得的有效数据完整：本发明的泥石流监测分析预警装置通过预设的上触发门限值触发和下触发门限值结束，进行一定数量数据的采集与存储，避免了无效数据占用有限的空间。

4、整机功耗低：本发明的泥石流监测分析预警装置支持睡眠功能，在通常时间处于睡眠状态，在外部触发后进行数据采集与存储，完成预设的任务后又进入睡眠状态，极大地降低了功耗。

5、供电多样化：本发明的泥石流监测分析预警装置的主机可以直接220V交流供电，也可选用12V电源接口通过太阳能电池板供电。

实施例二

当采用实施例一所述的泥石流监测分析预警装置时，本发明实施例的一种泥石流监测方法的流程如图6所示，包括以下步骤：

步骤s601，设置数据采集参数。所述数据采集参数包括上触发门限值、下触发门限值、传感器内部放大倍数、系统时间、扫描频率和显示长度；所述上触发门限值的范围为0x7FFF～0xFFF，所述下触发门限值的范围为0～0x7FF，所述传感器内部放大倍数的范围为0～99，所述扫描频率的范围为0～0xFF。

本实施例中，具体的设置方法如下：

首先按F4键进入参数设置界面，然后进行以下调整，其参数设置界面的示意图如图7所示：

(1)传感器内部放大倍数的调整

在参数设置界面下，按“F1”键、按“F2”键、按“F3”键、分别进入各个传感器的参数设置界面，显示的是小键盘，该小键盘界面示意图如图8所示。

在小键盘界面下，按先后顺序按以下按键：M->E->Z->1->Y->4次调整值->Y->0->R->E->9->Y，可以调整传感器的内部放大倍数。详细步骤如下：

第一步：选择到’M’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

？Read AD Value

M Menu

O Turn On The Sensor

F Turn Off The Sensor

*Step Running

A About Us

E Demarcate

注意：有时候，第一次发送“M”命令时，主机LCD会显示乱码，再次发送即可。

第二步：选择到’E’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

..\\demarcate program//..

X-Frequency Set

Y-MAX/MIN Trigger

Z-Scale Amplify

8-Attribute

9-Prog Data to IC

R-Return

第三步：选择到’Z’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]

....\\Set AD5259/....

1-Input AD5259 Value

D-Display Data

0-Return

第四步：选择到’1’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]

\\Set AD5259 Demarcate//

AD5259 Data is：

xxxx

[]

Edit Data Value Y/N？

第五步：选择到’Y’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]Input Value 4bits HEX：

第六步：若调整放大倍数到32。选择到’0’，按两次“确认”键，再选择到’3’，按“确认”键，最后选择到’2’，按“确认”键。在主机上输入的传感器内部放大倍数的范围是0～99。

注意：输入值为4位，不足4位的在前面补0凑足4位。

第七步：选择到’Y’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]

....\\Set AD5259/....

1-Input AD5259 Value

D-Display Data

0-Return

第八步：选择到’0’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

..\\demarcate program//..

X-Frequency Set

Y-MAX /MIN Trigger

Z-Scale Amplify

8-Attribute

9-Prog Data to IC

R-Return

第九步：选择到’R’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

？ReadAD Value

M Menu

O Turn On The Sensor

F Turn Off The Sensor

*Step Running

A About Us

E Demarcate

第十步：选择到’E’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

..\\demarcate program//..

X-Frequency Set

Y-MAX/MIN Trigger

Z-Scale Amplify

8-Attribute

9-Prog Data to IC

R-Return

第十一步：选择到’9’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]

...\\Programme IC//

Data Replace Select Y？

第十二步：选择到’Y’，按“确认”键，传感器的内部放大倍数修改成功。

(2)系统时间的校准

在参数设置界面下，按“校正时间”键，进入时间校正界面，该时间校正界面示意图如图9所示。

在时间校正界面下，按“0”键可以分别选择年、月、日、时、分、秒、“确认”、“返回”，选择到的会反白显示，按一下“1”键，选择到的时间值会减少1，按一下“2”键，选择到的时间值会增加1。选择到“确认”后，按“确认”键，系统时间会调整到当前调整后的时间，按“0”键选择到“返回”，按“确认”键返回到传感器的参数调整界面。

(3)触发门限值的调整

在小键盘界面下，按先后顺序按以下按键：M->E->Y->1->Y->4次调整值->Y->0->R->E->9->Y，可以调整传感器的上触发门限值；按先后顺序按以下按键：M->E->Y->2->Y->4次调整值->Y->0->R->E->9->Y，可以调整传感器的下触发门限值。调整传感器上触发门限值的详细步骤如下：

第一步：选择到’M’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

？Read AD Value

M Menu

O Turn On The Sensor

F Turn Off The Sensor

*Step Running

A About Us

E Demarcate

注意：有时候，第一次发送“M”命令时，主机LCD会显示乱码，再次发送即可。

第二步：选择到’E’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

..\\demarcate program//..

X-Frequency Set

Y-MAX/MIN Trigger

Z-Scale Amplify

8-Attribute

9-Prog Data to IC

R-Return

第三步：选择到’Y’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]

...＞＞Max/Min Set＜＜....

1-Input Mix Value

2-Input Min Value

D-Display Data

0-Return

第四步：选择到’1’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]

\\Set AD5259 Demarcate//

AD5259 Data is：

xxxx

[]

Edit Data Value Y/N？

第五步：选择到’Y’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]Input Value 4bits HEX：

第六步：若上触发门限调整到0xEC0(16进制)。选择到’0’，按“确认”键，然后选择到’E’，按“确认”键，再选择到’C’，按“确认”键，最后选择到’0’，按“确认”键。波形的数值范围是0～0x0FFF，中心点在0x7FFF。上触发门限的范围是0x7FFF～0xFFF；下触发门限的范围是0～0x7FF。

注意：输入值为4位，不足4位的在前面补0凑足4位。

第七步：选择到’Y’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]

....\\Set AD5259/....

1-Input AD5259 Value

D-Display Data

0-Return

第八步：选择到’0’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

..\\demarcate program//..

X-Frequency Set

Y-MAX/MIN Trigger

Z-Scale Amplify

8-Attribute

9-Prog Data to IC

R-Return

第九步：选择到’R’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

？Read AD Value

M Menu

O Turn On The Sensor

F Turn Off The Sensor

*Step Running

A About Us

E Demarcate

第十步：选择到’E’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

..\\demarcate program//..

X-Frequency Set

Y-MAX/MIN Trigger

Z-Scale Amplify

8-Attribute

9-Prog Data to IC

R-Return

第十一步：选择到’9’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]

...\\Programme IC//

Data Replace Select Y？

第十二步：选择到’Y’，按“确认”键，传感器的上触发门限值修改成功。

(4)扫描频率的调整

在小键盘界面下，按先后顺序按以下按键：M->E->Y->1->Y->4次调整值->Y->0->R->E->9->Y，可以调整传感器的扫描频率。调整传感器扫描频率的详细步骤如下：

第一步：选择到’M’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

？Read AD Value

M Menu

O Turn On The Sensor

F Turn Off The Sensor

*Step Running

A About Us

E Demarcate

注意：有时候，第一次发送“M”命令时，主机LCD会显示乱码，再次发送即可。

第二步：选择到’E’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

..\\demarcate program//..

X-Frequency Set

Y-MAX/MIN Trigger

Z-Scale Amplify

8-Attribute

9-Prog Data to IC

R-Return

第三步：选择到’X’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]

..＞Scan Frequency Set＜..

1-Input Frequency Value

D-Display Data

0-Return

第四步：选择到’1’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]

\\Set AD5259 Demarcate//

AD5259 Data is：

xxxx

[]

Edit Data Value Y/N？

第五步：选择到’Y’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]Input Value 4bits HEX：

第六步：若扫描频率为0x32(16进制)。选择到’0’，按两次“确认”键，然后选择到’3’，按“确认”键，最后选择到’2’，按确认键。扫描频率的范围是0～0xff。

注意：输入值为4位，不足4位的在前面补0凑足4位。

第七步：选择到’Y’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]

....\\Set AD5259/....

1-Input AD5259 Value

D-Display Data

0-Return

第八步：选择到’0’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

..\\demarcate program//..

X-Frequency Set

Y-MAX/MIN Trigger

Z-Scale Amplify

8-Attribute

9-Prog Data to IC

R-Return

第九步：选择到’R’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

？Read AD Value

M Menu

O Turn On The Sensor

F Turn Off The Sensor

*Step Running

A About Us

E Demarcate

第十步：选择到’E’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

..\\demarcate program//..

X-Frequency Set

Y-MAX/MIN Trigger

Z-Scale Amplify

8-Attribute

9-Prog Data to IC

R-Return

第十一步：选择到’9’，按“确认”键，若通讯成功并无误码，会显示以下内容：

[]

...\\Programme IC//

Data Replace.Select Y？

第十二步：选择到’Y’，按“确认”键，传感器的扫描频率修改成功。

在进行数据参数设置时，需注意以下事项：

1、在将传感器的电缆头接到泥石流监测分析仪上时，要先将泥石流监测分析仪的电源开关关闭，再连接。

2、在调整传感器的参数时，若要调整参数的传感器未与泥石流监测分析仪连接，要先打开泥石流监测分析仪的电源开关，此时再将传感器的电缆头接到泥石流监测分析仪上；若要调整参数的传感器已经连接在泥石流监测分析仪上，要先将传感器的电缆头从泥石流监测分析仪上拔下，再进行如上操作。

3、在调整传感器的内部放大倍数或者触发门限值时，若发送命令失败([]Input command error)或者有通讯误码，最好断电重启后再从头开始操作。

步骤s602，布设主机和智能化传感器。将主机布设在泥石流灾害体附近安全之处，将智能化传感器布设在泥石流灾害体各处的被测点，所述智能化传感器埋置在所述被测点土体10厘米以下。现场有220V交流电则可以接在电源插座上，没有交流电则通过12V接口接在电瓶以提供电力，如果现场更换电瓶不方便，则可以在电瓶上连接太阳能板以便充电。

步骤s603，通过所述智能化传感器接收所述被测点的地声震动信号。

步骤s604，判断所述地声震动信号是否超过所述上触发门限值，如果是，则转步骤s605，否则转步骤s603；

步骤s605，发出报警信号，采集、显示并存储所述地声震动信号，所述地声震动信号包括振幅和频率。

地声震动信号的显示界面如图10所示。在地声震动信号的显示界面下，按“1”键会减小相应传感器的触发波形显示屏数；按“2”键会增大相应传感器的触发波形显示屏数；按“4”键会减小相应传感器的外部放大倍数；按“5”键会增大相应传感器的外部放大倍数。

在地声震动信号的显示界面中，m为引导头，AAAA为上触发门限值，BBBB为下触发门限值，EE为触发波形显示屏数，FF为探头外部放大倍数，TX分别为1、2、3时分别表示第1通道、第2通道、第3通道，当CC DD为No SD时表示未插SD卡，当CC DD为SD ok时表示SD卡初始化正确，当CC DD为SD XX时表示SD卡格式化不正确或未格式化。

存储地声震动信号时的存储格式如表2所示。

表2

步骤s606，判断接收到的地声震动信号是否低于所述下触发门限值，如果是，则结束所述地声震动信号的采集、显示和存储。

本实施例中侧头静态下的中心信号值为0x7FF，信号的范围为0～0x0FFF，当信号大于上触发门限时，仪器就开始采集信号，采集512个数据点后，在LCD屏幕上显示波形。触发后，默认显示5屏波形(5*48个数据点)，显示的屏数可调。在波形显示屏幕下，按1键减小显示长度，按2键增加显示长度，范围是1～11屏。

本发明可以记录泥石流产生的数据以便对泥石流的机理进行分析，由于对采集的信号在前端进行了数字化处理，主机接收到的是数字信号，有效解决了模拟信号在远距离采集传输过程中易混进噪声的问题；并且，本发明通过预设的上触发门限值触发和下触发门限值结束，对一定数量数据的采集与存储，避免了无效数据占用有限的空间。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。