本发明属于防灾减灾设备技术领域，具体涉及一种智能崩塌监测装置及其监测方法。
背景技术：
崩塌是山区最常见的自然灾害之一，是指陡峭山坡上岩块、土体在重力作用下，发生突然的急剧的倾落运动。山体崩塌的监测就是通过技术监测山体岩块内部的破裂情况，结合外部变形和倾斜程度，预测山体崩塌的趋势，在山体崩塌前发出预警警报，避免造成生命财产损失。
我国的人员密度较大，许多村庄坐落在复杂山区环境中。此外，我国的许多重要公路和铁路都靠山而建，在山区道路旁边的崩塌往往呈带状分布，崩塌发生时会破坏傍边的公路和铁路，使运输存在重大安全隐患和造成重大经济损失。村庄附近的崩塌会使居民点受到破坏，严重威胁生命财产安全。从过去的人工监测到现在的自动化监测，我国的检测技术取得了一系列进展。但是对于复杂山区崩塌的监测，目前采集传感器设备单一、信息不全面。因此，如何在复杂山区的山体崩塌前对各项因素进行准确监测，是预防崩塌山体崩塌的关键。此外，在复杂山区环境中，传统的传输方式实时性差、数据存在掉包和功耗较大，不能满足复杂山区崩塌灾害实时监测预警和防治的需求，不便于监测和管理。因此，如何降低在复杂山区环境中监测装置的功耗和提高监测数据的保真度时仍需解决的问题。
技术实现要素：
针对现有的防灾减灾设备技术领域中存在对复杂山区崩塌体检测因素单一、设备功耗高、传输实时性差和数据易丢包等问题，本发明提出一种智能崩塌监测装置及其监测方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
第一方面，本发明提供一种智能崩塌监测装置，包括组合式传感器、监测预警终端、无线通信模块、声光报警模块、供电模块和云服务器，所述组合式传感器设置在崩塌源区，所述监测预警终端用于对所述组合式传感器测量的数据进行收集和处理并判断是否达到崩塌阈值，所述组合式传感器通过数据线接入所述监测预警终端，所述监测预警终端分别与声光报警模块和云服务器模块相连接，所述监测预警终端将达到预警的数据信号转化为报警信号发送到所述声光报警模块，所述监测预警终端将所收集和处理的数据通过所述无线通信模块发送到所述云服务器，所述云服务器对所述监测预警终端发送的数据进行详细处理并保存，所述供电模块用于给组合式传感器、监测预警终端和无线通信模块提供电能。
作为优选地，所述组合式传感器包括用于测量崩塌宏观位移量的位移传感器、用于测量崩塌倾斜变化的倾角传感器和用于测量崩塌内部损伤破坏产生次声波的次声传感器，位移传感器、倾角传感器和次声传感器分别连接监测预警终端。
作为优选地，所述监测预警终端包括用于采集所述组合式传感器测量信息并转换为数字信号的adc转换器和用于计算、处理比较、输出报警信号的微处理器以及用于将所述组合式传感器测量信息进行储存的存储器，所述adc转换器与所述组合式传感器建立信号连接，所述存储器通过微处理器与adc转换器建立信号连接。
作为优选地，所述无线通信模块为nb-iot，所述无线通信模块连接所述监测预警终端和所述声光报警模块以及云服务器，所述无线通信模块将声光报警指令发及时发送到所述声光报警模块，所述无线通信模块将监测预警终端采集的原始数据没间隔半小时发送到所述云服务器。
作为优选地，所述声光报警模块安装在崩塌现场，所述声光报警模块通过接受监测预警终端的指令来现场提醒，所述供电模块包括太阳能板、充电控制器和锂电池，所述供电模块为组合式传感器、监测预警终端和无线通信模块提供电力供应。
作为优选地，所述云服务器为阿里云服务器，所述云服务器与所述无线通信模块通信连接，所述云服务器接收所述无线通信模块的数据并对其进行处理、保存，将处理的结果通过手机app或pc电脑的方式显示出来，所述云服务器对数据的处理原理在保存微处理器方式的情况下，将位移加速度值、倾角加速度值和声波检测信号进行融合分析，处理结果供用户远程查看。
第二方面，本发明提供一种智能崩塌监测方法，其包括利用智能崩塌监测装置所采用如的下步骤：
s1，将多个组合式传感器分布安装在崩塌源区，由组合式传感器采集崩塌源区的测量信息；
s2，组合式传感器将采集的测量信息发送到监测预警终端，由监测预警终端对测量信息进行分析和处理；
s3，若监测预警终端接收到的测量信号达到崩塌阈值，则监测预警终端向声光报警模块发送报警信号，并由声光报警模块响应声光警报指令；
s4，监测预警模块将接收处理的信号按时序通过无线通信的方式传送到检测客户端，客户端对接收的信号供后端解算和预警，同时备份传送到云服务器进行保存。
进一步的，在s1中，组合式传感器以3m*3m的矩阵式排布安装在崩塌源区，组合式传感器通过位移传感器采集崩塌源区的宏观位移量、通过倾角传感器采集崩塌源区的倾斜变化、通过次声传感器采集崩塌源区内部损伤破坏产生的次声波信号，倾角传感器数据处理原理和位移传感器处理原理一致，次声传感器是捕捉崩塌内部情况，探测到声波变化则输出报警信号。
进一步的，在s2中，监测预警终端每秒采集组合式传感器的测量信息，通过adc转换器变为数字信号，进行计算处理、存储、比较以及向现场的声光报警模块发送声光报警指令。
进一步的，在s3中，所述微处理器为内部嵌入具有内部基准、采样保持和自动扫描功能的12位adc转换器的msp430单片机，其对数据处理的原理为：
位移传感器第一次采集的数值记为h1，采集时间记为t1；第二采集的数值记为h2，采集时间记为t2；第三次采集的数值记为h3，采集时间记为t3。第四次采集的数值记为h4，采集时间记为t4。计算第一次采样间隔的平均速度为o1为：
第二次采样间隔的平均速度为o2为：
第三次采样间隔的平均速度为v3为：
计算第一阶段内的加速度a1为：
计算第二阶段内的加速度a2为：
最后，使得差值记为a：
a＝a2-a1
当a的值大于阈值时，监测预警终端向声光报警模块发出报警指令。
采用以上技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明提出一种智能崩塌监测装置，支持远程配置传感器，采用组合式传感器对崩塌源区进行测量和数据采集，分别测量崩塌体的位移、倾角和内部次声变化，提高了监测预警效果，且组合式传感器易携带和安装；采用监测预警终端可以实时的采集数据并对其处理分析，将处理结果大于设定的阈值时，输出报警信号，通过现场声光警笛来提醒居民崩塌灾害即将发生，为保护生命财产提供可靠技术保障；采用nb-iot无线通信模块在环境复杂山区进行传输，功耗低、数据保真度高和稳定性高，数据传输成本较低，为云服务器提供实时数据；云服务器对传输过来的数据进行综合处理和保存，提供大数据分析，得到精确预警等级并对崩塌灾害作提前预警，为管理层的决策提供依据。
本发明还提出一种智能崩塌监测方法，将组合式传感器布置在崩塌区域源区，监测崩塌体的变形、倾角和内部次声的变化，监测预警终端分析处理传感器采集的数据，当采集的数据达到阈值时立即启动报警程序，现场可以声光报警，并且通过无线通讯模块将数据发送到客户端，根据后端解算来精确预警，通过短信或电话的方式通知当地居民，避免造成人员伤亡和财产损失。
附图说明
图1是本发明一种智能崩塌监测装置的结构示意图；
图2是本发明一种智能崩塌监测方法的未处理算法框图；
图3是本发明一种智能崩塌检测装置的安装示意图。
附图中，1：供电模块，2：监测预警终端，3：次声传感器，4：位移传感器，5：倾角传感器，6：声光报警模块。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如附图1-3所示，本发明提出了本发明提供一种智能崩塌监测装置，包括组合式传感器、无线通信模块、监测预警终端2、无线通信模块、声光报警模块6、供电模块1和云服务器，组合式传感器设置在崩塌源区，监测预警终端2用于对组合式传感器测量的数据进行收集和处理并判断是否达到崩塌阈值，组合式传感器通过数据线接入监测预警终端2，监测预警终端2分别与声光报警模块6和云服务器模块相连接，监测预警终端2将达到预警的数据信号转化为报警信号发送到声光报警模块6，监测预警终端2将所收集和处理的数据通过无线通信模块发送到云服务器，云服务器对监测预警终端2发送的数据进行详细处理并保存，供电模块1用于给组合式传感器、监测预警终端2和无线通信模块提供电能。
组合式传感器包括用于测量崩塌宏观位移量的位移传感器4、用于测量崩塌倾斜变化的倾角传感器5和用于测量崩塌内部损伤破坏产生次声波的次声传感器3，位移传感器4、倾角传感器5和次声传感器3分别连接监测预警终端2，通过位移传感器4、倾角传感器5和次声传感器3分别测量崩塌变化量，能够全面对复杂山区崩塌体因素进行检测。
监测预警终端2包括用于采集组合式传感器测量信息并转换为数字信号的adc转换器和用于计算、处理比较、输出报警信号的微处理器以及用于将组合式传感器测量信息进行储存的存储器，adc转换器与组合式传感器建立信号连接，存储器通过微处理器与adc转换器建立信号连接。
无线通信模块为nb-iot，无线通信模块连接监测预警终端2和声光报警模块6以及云服务器，无线通信模块将声光报警指令发及时发送到声光报警模块6，无线通信模块将监测预警终端2采集的原始数据没间隔半小时发送到云服务器，通过无线通信模块进行信号传输，保证数据传输的实时性。
声光报警模块6安装在崩塌现场，声光报警模块6通过接受监测预警终端2的指令来现场提醒，供电模块1包括太阳能板、充电控制器和锂电池，供电模块1为组合式传感器、监测预警终端2和无线通信模块提供电力供应，减少设备的功耗，配合充电控制器，将太阳能板收集的多余的能源储存在锂电池内，以备不时之需。
云服务器为阿里云服务器，云服务器与无线通信模块通信连接，云服务器接收无线通信模块的数据并对其进行处理、保存，将处理的结果通过手机app或pc电脑的方式显示出来，云服务器对数据的处理原理在保存微处理器方式的情况下，将位移加速度值、倾角加速度值和声波检测信号进行融合分析，处理结果供用户远程查看，将检测的历史数据存储在云服务器，一方面防止数据丢包，另一方面，方便调取历史数据进行比对分析。
本发明提供一种智能崩塌监测方法，其包括利用智能崩塌监测装置所采用的如下步骤：
s1，将多个组合式传感器分布安装在崩塌源区，由组合式传感器采集崩塌源区的测量信息；
在s1中，组合式传感器以3m*3m的矩阵式排布安装在崩塌源区，组合式传感器通过位移传感器4采集崩塌源区的宏观位移量、通过倾角传感器5采集崩塌源区的倾斜变化、通过次声传感器3采集崩塌源区内部损伤破坏产生的次声波信号，倾角传感器5数据处理原理和位移传感器4处理原理一致，次声传感器3是捕捉崩塌内部情况，探测到声波变化则输出报警信号。
s2，组合式传感器将采集的测量信息发送到监测预警终端2，由监测预警终端2对测量信息进行分析和处理；
在s2中，监测预警终端2每秒采集组合式传感器的测量信息，通过adc转换器变为数字信号，进行计算处理、存储、比较以及向现场的声光报警模块6发送声光报警指令。
s3，若监测预警终端2接收到的测量信号达到崩塌阈值，则监测预警终端2向声光报警模块6发送报警信号，并由声光报警模块6响应声光警报指令；
在s3中，微处理器为内部嵌入具有内部基准、采样保持和自动扫描功能的12位adc转换器的msp430单片机，其对数据处理的原理为：
位移传感器4第一次采集的数值记为h1，采集时间记为t1；第二采集的数值记为h2，采集时间记为t2；第三次采集的数值记为h3，采集时间记为t3。第四次采集的数值记为h4，采集时间记为t4。计算第一次采样间隔的平均速度为v1为：
第二次采样间隔的平均速度为v2为：
第三次采样间隔的平均速度为v3为：
计算第一阶段内的加速度α1为：
计算第二阶段内的加速度α2为：
最后，使得差值记为α：
α＝α2-α1
当α的值大于阈值时，监测预警终端2向声光报警模块6发出报警指令。
s4，监测预警模块将接收处理的信号按时序通过无线通信的方式传送到检测客户端，客户端对接收的信号供后端解算和预警，同时备份传送到云服务器进行保存。
一种智能崩塌监测装置，其主要包括组合式传感器、监测预警终端2、声光报警模块6和供电模块1，由供电模块1向组合式传感器、监测预警终端2和声光报警模块6提供电能，组合式传感器包括次声传感器3、位移传感器4和倾角传感器5，监测预警终端2包括微处理器、存储器和控制器，监测预警终端2与组合式传感器以及声光报警模块6的数据传输采用nb-iot无线通信模块建立连接，监测预警终端2还通过nb-iot无线通信模块与云服务器建立连接。
组合式传感器监测崩塌体的诱导因子，其中位移传感器4由钢丝绳引出通过崩塌体形成的裂缝固定在另一端，倾角传感器5固定在崩塌体上，次声传感器3也布置在崩塌体上探测崩塌体内部破裂情况；供电模块1采用太阳能板和锂电池供电，太阳能板设置在环境比较稳定的地方，锂电池放置在监测预警终端2的内部，当阳光充足的时候，太阳能板供电且给锂电池充电，当光照条件差时，由锂电池供电；nb-iot无线通信模块放置在监测预警终端2的盒内，其天线由线引出吸附在盒外。
监测预警终端2定间隔分别采集位移传感器4、倾角传感器5和次声传感器3的位移值、倾角值和次声值，经过微处理器进行计算处理，当处理结果的数值大于预先设定的阈值时，立即启动报警程序，向声光报警模块6发送报警信号指令，声光报警模块6在现场响应声光报警信息，同时nb-iot无线通信模块将数据传输到云服务器，云服务器对数据进行再次计算，若计算预测到山体崩塌的可能性较高，可以向监测预警终端2反馈报警信号，并有监测预警终端2向声光报警模块6发送报警信号指令，将结果通过手机app或客户端显示出来，采用现场报警和云服务器处理报警相结合的方式，既能根据实地检测结果做出有效预警，还可以根据数据演算结果做出提前预警通报，使得居民点人员提前撤离，可以避免人员伤亡，保护生命财产安全。
本发明支持远程配置传感器，采用组合式传感器对崩塌源区进行测量和数据采集，分别测量崩塌体的位移、倾角和内部次声变化，提高了监测预警效果，且组合式传感器易携带和安装；采用监测预警终端2可以实时的采集数据并对其处理分析，将处理结果大于设定的阈值时，输出报警信号，通过现场声光警笛来提醒居民崩塌灾害即将发生，为保护生命财产提供可靠技术保障；采用无线通信模块在环境复杂山区进行传输，功耗低、数据保真度高和稳定性高，数据传输成本较低，为云服务器提供实时数据；云服务器对传输过来的数据进行综合处理和保存，提供大数据分析，得到精确预警等级并对崩塌灾害作提前预警，为管理层的决策提供依据。
本发明将组合式传感器布置在崩塌区域源区，监测崩塌体的变形、倾角和内部次声的变化，监测预警终端2分析处理传感器采集的数据，当采集的数据达到阈值时立即启动报警程序，现场可以声光报警，并且通过无线通讯模块将数据发送到客户端，根据后端解算来精确预警，通过短信或电话的方式通知当地居民，避免造成人员伤亡和财产损失。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
1.一种智能崩塌监测装置，其特征在于，包括组合式传感器、监测预警终端、无线通信模块、声光报警模块、供电模块和云服务器，所述组合式传感器设置在崩塌源区，所述监测预警终端用于对所述组合式传感器测量的数据进行收集和处理并判断是否达到崩塌阈值，所述组合式传感器通过数据线接入所述监测预警终端，所述监测预警终端分别与声光报警模块和无线通信模块相连接，所述监测预警终端将达到预警的数据信号转化为报警信号发送到所述声光报警模块，所述监测预警终端将所收集和处理的数据通过所述无线通信模块发送到所述云服务器，所述云服务器对所述监测预警终端发送的数据进行详细处理并保存，所述供电模块用于给组合式传感器、监测预警终端和无线通信模块提供电能。
2.根据权利要求1所述的一种智能崩塌监测装置，其特征在于，所述组合式传感器包括用于测量崩塌宏观位移量的位移传感器、用于测量崩塌倾斜变化的倾角传感器和用于测量崩塌内部损伤破坏产生次声波的次声传感器，位移传感器、倾角传感器和次声传感器分别连接监测预警终端。
3.根据权利要求2所述的一种智能崩塌监测装置，其特征在于，所述监测预警终端包括用于采集所述组合式传感器测量信息并转换为数字信号的adc转换器和用于计算、处理比较、输出报警信号的微处理器以及用于将所述组合式传感器测量信息进行储存的存储器，所述adc转换器与所述组合式传感器建立信号连接，所述存储器通过微处理器与adc转换器建立信号连接。
4.根据权利要求3所述的一种智能崩塌监测装置，其特征在于，所述无线通信模块为nb-iot，所述无线通信模块连接所述监测预警终端和所述声光报警模块以及云服务器，所述无线通信模块将声光报警指令发及时发送到所述声光报警模块，所述无线通信模块将监测预警终端采集的原始数据每间隔半小时发送到所述云服务器。
5.根据权利要求4所述的一种智能崩塌监测装置，其特征在于，所述声光报警模块安装在崩塌现场，所述声光报警模块通过接受监测预警终端的指令来现场提醒，所述供电模块包括太阳能板、充电控制器和锂电池，所述供电模块为组合式传感器、监测预警终端和无线通信模块提供电力供应。
6.根据权利要求5所述的一种智能崩塌监测装置，其特征在于，所述云服务器为阿里云服务器，所述云服务器与所述无线通信模块通信连接，所述云服务器接收所述无线通信模块的数据并对其进行处理、保存，将处理的结果通过手机app或pc电脑的方式显示出来，所述云服务器对数据的处理原理在保存微处理器方式的情况下，将位移加速度值、倾角加速度值和声波检测信号进行融合分析，处理结果供用户远程查看。
7.一种智能崩塌监测方法，其特征在于，包括利用如权利要求1-6中任一项所述的一种智能崩塌监测装置，其包括以下步骤：
s1，将多个组合式传感器分布安装在崩塌源区，由组合式传感器采集崩塌源区的测量信息；
s2，组合式传感器将采集的测量信息发送到监测预警终端，由监测预警终端对测量信息进行分析和处理；
s3，若监测预警终端接收到的测量信号达到崩塌阈值，则监测预警终端向声光报警模块发送报警信号，并由声光报警模块响应声光警报指令；
s4，监测预警模块将接收处理的信号按时序通过无线通信的方式传送到监测客户端，客户端对接收的信号供后端解算和预警，同时备份传送到云服务器进行保存。
8.根据权利要求7所述的一种智能崩塌监测方法，其特征在于，在s1中，组合式传感器以3m*3m的矩阵式排布安装在崩塌源区，组合式传感器通过位移传感器采集崩塌源区的宏观位移量、通过倾角传感器采集崩塌源区的倾斜变化、通过次声传感器采集崩塌源区内部损伤破坏产生的次声波信号，倾角传感器数据处理原理和位移传感器处理原理一致，次声传感器是捕捉崩塌内部情况，探测到声波变化则输出报警信号。
9.根据权利要求8所述的一种智能崩塌监测方法，其特征在于，在s2中，监测预警终端每秒采集组合式传感器的测量信息，通过adc转换器变为数字信号，进行计算处理、存储、比较以及向现场的声光报警模块发送声光报警指令。
10.根据权利要求9所述的一种智能崩塌监测方法，其特征在于，在s3中，所述微处理器为内部嵌入具有内部基准、采样保持和自动扫描功能的12位adc转换器的msp430单片机，其对数据处理的原理为：
位移传感器第一次采集的数值记为h1，采集时间记为t1；第二采集的数值记为h2，采集时间记为t2；第三次采集的数值记为h3，采集时间记为t3。第四次采集的数值记为h4，采集时间记为t4。计算第一次采样间隔的平均速度为v1为：
第二次采样间隔的平均速度为v2为：
第三次采样间隔的平均速度为v3为：
计算第一阶段内的加速度a1为：
计算第二阶段内的加速度a2为：
最后，使得差值记为a：
a＝a2-a1
当a的值大于阈值时，监测预警终端向声光报警模块发出报警指令。
技术总结