阅读说明：本技术 一种基于北斗的自然灾害监测装置 (Natural disasters monitoring devices based on big dipper ) 是由 白恩多 王忠祥 周伟伟 陈晶晶 曹明月 王红星 李悦 于 2020-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于北斗的自然灾害监测装置,涉及自然灾害监测技术领域,通过采用包括装置本体、数据采集系统以及北斗传输终端,数据采集系统与北斗传输终端通信连接,数据采集系统包括探测组件、数据采集仪、数据协议转换器以及供电模块的技术路线,具有监测数据准确,适用性高,传输效果好的特点。(The invention provides a Beidou-based natural disaster monitoring device, which relates to the technical field of natural disaster monitoring.)

一种基于北斗的自然灾害监测装置

技术领域

本发明涉及自然灾害监测领域，具体而言，涉及一种基于北斗的自然灾害监测装置。

背景技术

世界范围内重大的突发性自然灾害包括:旱灾、洪涝、台风、风暴潮、冻害、雹灾、海啸、地震、火山、滑坡、泥石流、森林火灾、农林病虫害、宇宙辐射、赤潮(极少出现，出现了也影响小)等。地质灾害占据自然灾害的绝大部分，地质灾害是指由于自然或人为作用，多数情况下是二者协同作用引起的，在地球表层比较强烈地破坏人类生命财产和生存环境的岩土体移动事件。地质灾害在成因上具备自然演化和人为诱发的双重性，它既是自然灾害的组成部分，同时也属于人为灾害的范畴。在某种意义上，地质灾害已经是一个具有社会属性的问题，已经成为制约社会经济发展和人民安居的重要因素。因此，地质灾害防治就不仅是指预防、躲避和工程治理，在高层次的社会意识上更表现为努力提高人类自身的素质，通过制定公共政策或政府立法约束公众的行为，自觉地保护地质环境，从而达到避免或减少地质灾害的目的。地质灾害主要是指崩塌(即危岩体)、滑坡、泥石流、岩溶地而塌陷和地裂缝等，它们是比较公认的原地壳表层地质结构的剧烈变化而产生的，且通常被认为是突发性的。地质环境灾害是指区域性地质生态环境变异引起的危害，如区域性地而沉降、海水人侵、干旱半干旱地区的荒漠化、石山地区的水土流失、石漠化和区域性地质构造沉降背景下平原或盆地地区的频繁洪灾等，这些问题通常都是由多种因素引起且缓慢发生的，地质界常称其为缓变性地质灾害。

在现有技术中的自然灾害监测中，还存在着监测的方式费时费力，效率低下的不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于北斗的自然灾害监测装置，其能够针对于现有技术的不足，提出解决方案，具有监测数据准确，适用性高，传输效果好的特点。

本发明的实施例是这样实现的：

一种基于北斗的自然灾害监测装置，包括装置本体、数据采集系统以及北斗传输终端，数据采集系统与北斗传输终端通信连接；

装置本体包括至少一个设备箱和至少一个支撑柱，每一个设备箱均设置于对应支撑柱的一端，每一个支撑柱远离对应设备箱的一端均设置有固定板和固定结构，固定结构设置于固定板远离设备箱的一侧；

数据采集系统包括探测组件、数据采集仪、数据协议转换器以及供电模块，供电模块为北斗传输终端、探测组件、数据采集仪和数据协议转换器进行供电，探测组件与数据采集仪通信连接，数据协议转换器通过串口通信连接数据采集仪；

北斗传输终端与数据协议转换器通过串口通信连接。

在本发明的一些实施例中，上述供电模块为蓄电池和太阳能板的组合供电模式，蓄电池设置在设备箱内，太阳能板设置在设备箱顶部，太阳能板覆盖设置有一层透明罩，透明罩是玻璃透明罩或者是塑料透明罩；或者供电模块为市电和UPS电源组合供电模式。

在本发明的一些实施例中，上述探测组件包括气象监测组件、地表沉降监测组件、山体滑坡监测组件、地面崩塌监测组件、地应力监测组件其中的一种或多种。

在本发明的一些实施例中，上述气象监测组件包括不低于五要素监测的气象观测台；

地表沉降监测组件包括静力水准仪、地表位移传感器、水位水温传感器以及分层标；

山体滑坡监测组件包括水位水温传感器、固定倾斜仪、深部位移计、雨量计以及裂缝计；

地面崩塌监测组件包括水位水温传感器、裂缝计、地表倾斜计以及孔隙水压力监测仪；

地应力监测组件包括高精度水温传感器、高精度水位传感器以及压磁应力计。

在本发明的一些实施例中，上述数据采集仪上设置有多个数据接口，WiFi模块，存储空间以及备用电池；数据接口用于数据传输和视频输出和音频输出；WiFi模块用于现场实现组网；存储空间支持数据存储不少于32G；备用电池用于没有电源供应时继续使用仪器，备用电池可供仪器连续使用不少于6个小时。

在本发明的一些实施例中，上述所述数据协议转换器包括微控制器、时钟信号芯片以及串口兼容模块，所述时钟信号芯片以及串口兼容模块均与微控制器通信连接。

在本发明的一些实施例中，上述串口兼容模块包括不少于2个MAX系列串口。

在本发明的一些实施例中，上述微控制器包括单片机。

在本发明的一些实施例中，上述时钟信号芯片包括DS系列时钟信号芯片。

在本发明的一些实施例中，上述北斗传输终端为北斗RDSS一体终端。本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：

效果一，监测数据准确，本发明通过设置装置本体、数据采集系统以及北斗传输终端，数据采集系统与北斗传输终端通信连接，且数据采集系统包括了监测组件和数据采集仪，彼此通信连接的技术方案，利用监测组件和数据采集仪的配合，采用与监测内容相关的监测单元，采集地质和气候的相关数据，再利用数据采集仪将多个采集到的数据进行综合，归纳和整理，以及数据格式的转化等，使得采集的监测数据更具有条理化，清晰，结果准确，有助于后台中心进行判断和分析，提高自然灾害的监测准确率。

效果二，适用性高，本发明通过设置数据采集系统，数据采集系统内设置有监测组件，进一步地，检测组件可以包括多种针对于不同灾害所设置的不同监测单元，可以实现本发明能够针对于不同的监测内容，从而更换不同的监测组件即可，无需更换整套装置，适用性高，成本低廉，节省人力成本。

效果三，传输效果好，本发明通过设置装置本体、数据采集系统以及北斗传输终端，数据采集系统与北斗传输终端通信连接，且数据采集系统包括了监测组件和数据采集仪以及数据协议转换器，并且彼此通信连接的技术方案，由于监测组件和数据采集仪的通信接口与北斗传输终端不一致，若是直接通信，会造成数据损坏，甚至整个装置的故障，因此本发明设置了数据协议转换器，将数据采集仪和北斗传输终端进行串口的兼容，使得传输数据准确，传输数据效果好，有利于后台中心进行更加准确的灾害预测和判断。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例具有多个支撑柱的装置本体；

图2为本发明实施例具有一个支撑柱的装置本体；

图3为本发明实施例工作原理示意图；

图4为本发明实施例的数据协议转换器主动模式工作流程示意图；

图5为本发明实施例的数据协议转换器被动模式工作流程示意图。

图标：1-装置本体，2-设备箱，3-支撑柱，4-固定板，5-固定结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1-图5，图1-图5所示为一种基于北斗的自然灾害监测装置及其工作实施原理。

本实施例提供一种基于北斗的自然灾害监测装置，包括装置本体1、数据采集系统以及北斗传输终端，数据采集系统与北斗传输终端通信连接；通过装置本体1将数据采集系统和北斗传输终端，共同设置在监测点处，可以针对于不同的实际情况，增设一些固定装置，防护装置等，方便将本发明进行固定和防风雨等；通过数据采集系统将自然的参数进行采集，整理，归纳和转换，最后通过北斗传输系统将数据信号传输到后台中心，后台中心综合多个设置在不同地点的本发明监测数据进行综合分析，从而得出自然灾害预警风险和监测判断。

如图1-图2所示，装置本体1包括至少一个设备箱2和对应设置的至少一个支撑柱3，每一个设备箱2均设置于对应支撑柱3一端，每一个支撑柱3远离设备箱2的一端均设置有固定板4和固定结构5，固定结构5设置于固定板4远离设备箱2的一侧；在本实施例中，设备箱2的数量为一个，对应设置有四个支撑柱3，每一个支撑柱3上均设置有固定板4和固定结构5。在其它实施例中，设备箱2的数量也可以为两个或多个，每个设备箱2上对应设置的支撑柱3的数量也可以是1个、2个或多个。支撑柱3对设备箱2进行支撑，设备箱2上可以设置防雨防风结构，固定结构5一般采用螺旋椎体将整个装置本体1固定在待测量的地表层内，旋转进入后进行固定，再利用固定板4对地面平整后，再次固定，防止支撑柱3倾斜(特别是支撑柱3设置数量较少时，如1-3根)。

数据采集系统包括探测组件、数据采集仪、数据协议转换器以及供电模块，供电模块为北斗传输终端、探测组件、数据采集仪和数据协议转换器进行供电，探测组件与数据采集仪通信连接，数据协议转换器通过串口通信连接数据采集仪；

数据采集仪上设置有多个数据接口，WiFi模块，存储空间以及备用电池；数据接口用于数据传输、视频输出和音频输出，包括USB接口，视频转接接口，如VGA接口或者HDMI接口以及音频输入接口，在本实施例中的数据采集仪中，还配套设置有LCD显示屏，实现可触屏接触，方便操作；WiFi模块用于现场实现组网；存储空间支持数据存储不少于32G；备用电池用于没有电源供应时继续使用仪器，备用电池可供仪器连续使用不少于6个小时，当供电模块发生意外时，利用备用电池可以实现数据采集仪的继续使用。需要说明的是，采集仪设置好采集时间和采集间隔。

而本发明既可以设置在条件不是很好的野外，也可以设置在城市的近郊或者附近，因此，供电方式就需要根据实际情况而定；若是本发明的设置位置是野外等条件不佳的地点时，供电模块采用的是蓄电池和太阳能板的组合供电模式，蓄电池设置在设备箱2内，太阳能板设置在设备箱2顶部，太阳能板覆盖设置有一层透明罩，透明罩是玻璃透明罩或者是塑料透明罩；利用太阳能板吸收太阳能并转换成电能储存在蓄电池中，而蓄电池为北斗传输终端、探测组件、数据采集仪和数据协议转换器供电；若是在城市近郊等供电条件较好的地点时，供电模块采用市电和UPS电源组合供电模式，利用市电对UPS电源进行电力传输，而UPS电源则根据实际需求，为北斗传输终端、探测组件、数据采集仪和数据协议转换器进行供电。

数据采集仪不能与北斗传输终端直接相连。这些监测点如果要实现利用北斗卫星通信传输地质灾害监测数据，要解决此类问题，有两种可行的方法。一是修改数据采集仪，如与外部的数据通信接口、内部数据通信程序等。二是设计与实现一个数据协议转换器，在硬件方面，连接数据采集仪通信接口与北斗卫星用户终端通信接口，在软件方面，实现数据采集仪与北斗传输终端的工作方式相互匹配；由于数据采集仪的输出接口均采用的是RS485接口，而北斗传输终端采用的是RS232接口。在本实施例中我们采用第二种方法来设置一个数据协议转换器。但是这里需要转换的不只是仅仅将两个不同接口能够连接就达到目的，如果是这样，直接一个RS232-RS485转换接口就能够完成，这是远远不够的；本发明需要的是一种不仅能够实现不同串口进行连接的转换器，并且该转换器可以实现将数据采集仪和北斗传输终端的工作方式的转换，实现数据的精准转换，提升传输效果。

因此，综合考虑元器件的价格，市场成熟度，功能性以及可靠性等条件，在本实施例中，我们数据协议转换器包括彼此通信连接的微控制器、时钟信号芯片以及串口兼容模块。

串口兼容模块采用的是2个MAX系列串口，包括MAX485和MAX232的串口电路，两个串口电路分别设置在微控制器的两端，分别于数据采集仪RS485串口和北斗传输终端RS232串口电性连接，需要说的是，MAX485和MAX232均为现有技术中较为成熟的串口，本领域的技术人员都能了解具体功能，这里就不做赘述。

微控制器采用的是单片机，经过综合考虑，本实施例采用的是C8051F120，这里的C8051F120是Silicon Lab公司的8051内核混合信号微控制器，速度极快，能达到100MIPS,16x16硬件乘法，12位ADC和12位DAC，支持JTAG调试等诸多特点。

时钟信号芯片包括DS系列时钟信号芯片(附图中的时钟芯片)，这里我们采用的是DS1302，DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.0V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。采用该芯片的原因是，DS1302芯片可以同时提供年、月、日、周积日、时、分、秒时间信息，并做好记录，一个月小于31天时，可以自动调整，并且增加了闰年补偿功能；DS1302芯片与CPU之间采用串行数据传输方式，便于连接；采用标准32.768kHz晶振；具有长期运行可靠性、稳定性高的特点。

整个数据协议转换器通过C8051F120单片机作为微控制器，MAX485和MAX232的串口电路，以及时钟信号芯片的DS1302通信连接构成；当然为了完整的说明本发明的数据协议转换器，还需要电源系统；工作方式如下：JTAG口为在线系统调试提供调试端口，而C8051F120单片机控制整个数据协议转换器的工作和完成数据采集仪与北斗传输终端之间的数据协议转换；时钟信号芯片DS1302为数据协议转换器提供年、月、日、时、分、秒的时间信息，驱动单片机定时工作；MAX232串口电路为单片机与北斗传输终端之间通信提供连接端口；MAX485串口电路为单片机与数据采集仪之间通信提供连接端口；电源系统电路为整个数据采集仪提供3.3V稳定电源。

如图4-图5所示，需要说明的是，本发明的数据协议转换器工作模式有两种，其一采用的是主动定时动作模式，二是被动响应指令模式。在第一种模式下，数据协议转换器主动扫描时钟信息芯片获得时间信息，与开始输入的工作参数进行比较，若是达到要求或者满足条件，数据协议转换器将主动发送读取实时数据的指令给到数据采集仪，然后将读取的实时信息数据利用北斗传输终端传输给外部中心(外部中心管理和接收整个区域内的多个监测点实时数据)。在第二种模式下，本发明的数据协议转换器被动等待其所属外部中心(附图中的分中心)发送的各种指令，将收到的指令经过处理后发送给数据采集仪，并将数据采集仪的到返回信息，进行进一步处理后再返回传输给外部中心。

在本发明的一些实施例中，上述探测组件包括气象监测组件、地表沉降监测组件、山体滑坡监测组件、地面崩塌监测组件、地应力监测组件其中的一种或多种。

气象监测组件包括不低于五要素监测的气象观测台；本实施例中采用的是六要素气象观测台，通过观测空气温度湿度、风速风向、大气压力、雨量、太阳总辐射等数据，进行数据的采集和归纳。

地表沉降监测组件包括静力水准仪、地表位移传感器、水位水温传感器以及分层标；分层标是埋设在覆盖层各不同土层中的标点。在地面沉降区域内将标杆埋设在不同土层的顶、底板上并直通地面，经过稳定性保护处理，通过与其他分层标和基岩标联测，测得不同土层压缩量、膨胀量，从而测算出不同土层的变形量和总的地面沉降量；将这些数据均会进行采集。

山体滑坡监测组件包括水位水温传感器、固定倾斜仪、深部位移计、雨量计以及裂缝计；通过上述探测器和工具，对山体的各项参数进行记录和采集，此类组件的探测仪器或传感器，均为市面常见型号，这里不做限制。

地面崩塌监测组件包括水位水温传感器、裂缝计、地表倾斜计以及孔隙水压力监测仪；通过上述探测器和工具，对地面的各项参数进行记录和采集，此类组件的探测仪器或传感器，均为市面常见型号，这里不做限制。

地应力监测组件高精度水温传感器、高精度水位传感器以及压磁应力计。通过上述探测器和工具，对地应力的各项参数进行记录和采集，此类组件的探测仪器或传感器，均为市面常见型号，这里不做限制。

而探测组件包括多种不同的监测组件，适用于不同的监测对象和监测情况，对于监测点进行数据采集，将多项数据送到数据采集仪中进行整理，归纳，以及转换数据类型。

在本发明的一些实施例中，上述北斗传输终端为北斗RDSS一体终端。具备收发功能模块，可以实现对北斗卫星发送信息数据，该信息数据通过北斗卫星传输给后台中心进行分析、处理，归总；也可以接收后台中心发过来的数据命令等。

本发明实施例工作实施原理：当把本发明装置本体1(具备固定，防护等功能)、数据采集系统和北斗传输终端安装好，并且数据采纳系统和北斗传输终端彼此通信连接，调试没有问题后即可开始正常工作，首先通过探测组件中的具体监测组件进行相应的数据采集，采集的多项实时数据传输给数据采集仪中进行归纳，整理以及数据格式的转化，然后通过数据协议转换器中的MAX485串口电路进行通信连接，将数据传到微控制器中，再传输到MAX232串口电路，并与北斗传输终端进行串口通信连接，而北斗传输终端收到信息数据后，将数据信息发送给北斗卫星，北斗卫星再传输给后台中心(后台中心是整合区域内的监测点的数据)，后台中心将整个区域内多个监测点返回的信息数据，进行综合分析，整合以及判断，发生自然灾害的可能性进行预警，发送相应的指令到北斗卫星，北斗卫星再发送给本发明的北斗传输终端，采取相应的措施。

本发明实施例通过设置装置本体、数据采集系统以及北斗传输终端，数据采集系统与北斗传输终端通信连接，且数据采集系统包括了监测组件和数据采集仪，彼此通信连接的技术方案，利用监测组件和数据采集仪的配合，采用于监测内容分相关的监测单元，采集地质和气候的相关数据，再利用数据采集仪将多个采集到的数据进行综合，归纳和整理，以及数据格式的转化等，使得采集的监测数据更具有条理化，清晰，结果准确，有助于后台中心进行判断和分析，提高自然灾害的监测准确率。本发明通过设置数据采集系统，数据采集系统内设置有监测组件，进一步地，检测组件可以包括多种针对于不同灾害所设置的不同监测单元，可以实现本发明能够针对于不同的监测内容，从而更换不同的监测组件即可，无需更换整套装置，适用性高，成本低廉，节省人力成本。本发明通过设置装置本体、数据采集系统以及北斗传输终端，数据采集系统与北斗传输终端通信连接，且数据采集系统包括了监测组件和数据采集仪以及数据协议转换器，并且彼此通信连接的技术方案，由于监测组件和数据采集仪的通信接口与北斗传输终端不一致，若是直接通信，会造成数据损坏，甚至整个装置的故障，因此本发明设置了数据协议转换器，将数据采集仪和北斗传输终端进行串口的兼容，不仅实现了接口的兼容，还设置了时钟信号芯片，实现同步通信，使得传输数据准确，传输数据效果好，有利于后台中心进行更加准确的灾害预测和判断，提高预警的准确性。

综上，本发明的实施例提供一种基于北斗的自然灾害监测装置，具有监测数据准确，监测内容适用性高，数据传输效果好的特点，适用于自然灾害监测的技术领域。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。