一种具有自组网功能的地表裂缝传感器的制造方法
一种具有自组网功能的地表裂缝传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于防灾减灾技术领域，具体是一种地表裂缝传感器。产品适用于桥梁裂缝监测、水库大坝裂缝监测以及边坡的地表裂缝监测等。
【背景技术】
[0002]近年来，由于对大型工程的监测预防不到位，自然灾害(滑坡、泥石流类灾害)的频繁发生，我国每年都要遭受大量的经济损失和人员伤亡，因而对灾害监测、预防工作及其相关传感器的研宄格外重视。而对边坡体环境量监测的一个重点是山体土壤裂缝的宽度，对桥梁与水库大坝的维护研宄也是研宄的重点，因此对地表裂缝传感器的研宄具有重要的意义。
[0003]现有使用的地表裂缝传感器一般由裂缝传感器本体、柔性芯钢丝、锚固头等组成。传感器原理为电感调频类，裂缝传感器本体内有一个圆柱形金属螺旋线圈，线圈内有一个可以移动的磁芯(即测杆)，在实际应用中通过线圈的电感变化实现非电量电测。这种地表裂缝传感器存在如下缺点和不足:测距范围小(一般测距范围在O?200mm)、成本高昂(一般价格在千元以上)、难以维护(因为传感器为固封状态，无法打开)等。
[0004]而且，现有的地表裂缝传感器一般通过有线方式进行组网，在山体滑坡监测区域，地理条件一般比较复杂，线路架设困难、电源供给不便，使得有线系统部署起来非常困难且监测网络结构的可靠性不高。
[0005]由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，利用超声波进行检测往往比较迅速、方便且计算简单。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物时返回来，超声波接收器收到反射波停止计时(超声波在空气中的传播速度为340m/s)，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，8卩:s = 340t/2o发明人通过对本领域的深入研宄，力求利用超声波发射器这一工作原理并结合专业知识，设计出更优化的超声波测距传感器，遂有本案产生。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的是提供一种测距范围大、成本更低、易维护、功耗更小的具有自组网功能的地表裂缝传感器。
[0007]为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0008]一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，包括防水保护外壳、防水保护内壳、超声波测距模块和天线；所述超声波测距模块包括电源部分、超声波换能器、单片机、数字温度传感器和ZigBee通信模块，由电源部分为整个超声波测距模块提供工作电源，数字温度传感器连接在单片机的采集输入端，超声波换能器和ZigBee通信模块分别与单片机进行双向连接；
[0009]所述防水保护外壳和所述防水保护内壳均为一端封闭、另一封开口的筒状结构，且所述防水保护内壳的外径略小于或等于所述防水保护外壳的内径，所述防水保护内壳和所述防水保护外壳以开口对开口的方式相互插接在一起形成伸缩式套筒，所述防水保护内壳的开口与所述防水保护外壳的封闭端之间填充有防水柔性填充物，所述防水保护内壳的封闭端露出在所述防水保护外壳的开口外；所述天线安装在所述防水保护内壳露出所述防水保护外壳的开口外的部分上，所述超声波测距模块安装在所述防水保护内壳中；所述防水保护内壳的封闭端和所述防水保护外壳的封闭端分别通过固定支座安装在裂缝的两侧。
[0010]所述超声波测距模块安装在所述防水保护内壳的内腔中接近所述防水保护内壳的开口的位置上。
[0011]所述单片机采用PIC16F684芯片及其外围电路。
[0012]所述温度传感器的型号为DS18B20。
[0013]采用上述方案后，本实用新型的一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，其超声波测距模块具有ZigBee通信模块，结合ZigBee通信技术可实现无线通信和自组网功能，能实现监测区域的监测点自组网并能远距离传输。且由伸缩套筒式的防水保护外壳和防水保护内壳构成地表裂缝传感器的壳体，壳体很容易分拆，易于维护，而且整体结构简单，成本较低(一般价格500元以下)。另外，防水保护外壳和防水保护内壳相对运动的行程可以通过调整二者的长度来实现，只需增加防水保护外壳和防水保护内壳能相对运动的行程而无需作其他任何改变，就可以加大地表裂缝传感器的测量范围，根据需要可以实现3mm-3000mm的测量范围。
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型的结构示意图；
[0015]图2为本实用新型中超声波测距模块的外形结构图；
[0016]图3为本实用新型中超声波测距模块的电路原理框图；
[0017]图4为本实用新型中单片机的电路原理图；
[0018]图5为本实用新型地表裂缝传感器的自组网原理示意图。
【具体实施方式】
[0019]本实用新型一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，如图1-4所示，包括防水保护外壳10、防水保护内壳20、超声波测距模块30和天线40。
[0020]如图1所不，防水保护外壳10和防水保护内壳20均为一端封闭、另一封开口的筒状结构，且防水保护内壳20的外径略小于或等于防水保护外壳10的内径，防水保护内壳20和防水保护外壳10以开口对开口的方式相互插接在一起形成伸缩式套筒。防水保护内壳20的开口与防水保护外壳10的封闭端11之间填充有防水柔性填充物50。防水保护内壳20的封闭端21露出在防水保护外壳10的开口外，天线40安装在防水保护内壳20露出防水保护外壳10的开口外的部分上。超声波测距模块30安装在防水保护内壳中接近防水保护内壳20的开口的位置上。工作时，天线40和超声波测距模块30与防水保护内壳20 —起随裂缝的伸缩移动。防水保护内壳20的封闭端21开设有供电源线通过的小孔22。防水保护内壳20的 封闭端21和防水保护外壳10的封闭端11分别连接有固定支座60，固定支座60分别开设有固定螺丝孔61，通过相配合的螺丝将固定支座60安装在裂缝的两侧。
[0021]为了提高防水保护外壳10与防水保护内壳20两者间的密封度，可在之间垫设防水垫层。为了防止水从小孔22渗入防水保护内壳20内，可对小孔22进行防水处理，如，在小孔22的内周沿设置防水垫圈。
[0022]如图2-4所示，超声波测距模块30包括电源部分31、超声波换能器32、单片机33、数字温度传感器34和ZigBee通信模块35。由电源部分31为整个超声波测距模块30提供工作电源，数字温度传感器34连接在单片机33的采集输入端，超声波换能器32和ZigBee通信模块35分别与单片机33进行双向连接。
[0023]本实施例中，电源部分31包括+5V主电源及备用电源，因地表裂缝传感器大多安置在室外，像山坡、桥梁等地区，考虑到这点，所以+5V主电源采用太阳能发电装置提供电力，备用电源选用锂电池，利用电源切换电路来控制备用电源和主电源的切换。
[0024]本实施例中，超声波换能器32采用现有公知的超声波换能器，主要由超声波发射传感器和接收传感器组成；单片机33采用PIC16F684芯片及其外围电路；温度传感器34的型号为DS18B20 ；ZigBee通信模块35采用现有公知的ZigBee通信模块；天线40采用2.4GHz 天线。
[0025]工作时，单片机33产生40KHz的超声波信号经放大后由超声波换能器32的超声波发射传感器发射出去，超声波信号遇到障碍物(裂缝的侧壁)反射回来，由超声波换能器32的超声波接收传感器接收后经解码送入单片机33，单片机33测出超声波发射并经反射回来的时间t，乘以V = 3440m/s(15°C )的声音速度，则超声波换能器32的发射和接收点面至障碍物之间的距离s = t*v/2。考虑到温度对超声波测距的影响，因此加入数字温度传感器34进行温度校正，保证测量精度。为了提高测距精度，减少误差，可根据公知手段在单片机软件上进行温度补偿和进行常规的数据滤波处理。测量数据经过单片机串口加载到ZigBee通信模块35进行组网传输，汇集到上位机进行数据管理。
[0026]由于无线传输技术的不断提高和成熟，使得ZigBee这种无线通信技术得到了较大的发展，而ZigBee自组网原理首先协调器根据配置物理信道主动扫描，选择合适的物理信道和网络号，建立起网络。其次路由或者终端设备根据配置物理信道被动扫描，选择合适的物理信道和网络号并加入网络。网络中协调器网络地址固定为0，路由和终端设备地址可以由网络随机分配或者预配置。最后网络中设备根据网络地址进行数据发送和接收。如图5所示，应用时，将本实用新型的地表裂缝传感器(内置超声波换能器和ZigBee通信模块)设置为终端，上位机设置为协调器，一般传输距离为2000m，也可在其中设置路由设备以达到远距离传输。
[0027]设置合适的数据采集时间间隔，通过ZigBee通信模块的组网功能，达到上位机与传感器节点之间的透明传输，上位机根据实际收到的数据进行数据处理并在显示屏上显示，达到报警功能。
【主权项】
1.一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，其特征在于:包括防水保护外壳、防水保护内壳、超声波测距模块和天线；所述超声波测距模块包括电源部分、超声波换能器、单片机、数字温度传感器和ZigBee通信模块，由电源部分为整个超声波测距模块提供工作电源，数字温度传感器连接在单片机的采集输入端，超声波换能器和ZigBee通信模块分别与单片机进行双向连接； 所述防水保护外壳和所述防水保护内壳均为一端封闭、另一封开口的筒状结构，且所述防水保护内壳的外径略小于或等于所述防水保护外壳的内径，所述防水保护内壳和所述防水保护外壳以开口对开口的方式相互插接在一起形成伸缩式套筒，所述防水保护内壳的开口与所述防水保护外壳的封闭端之间填充有防水柔性填充物，所述防水保护内壳的封闭端露出在所述防水保护外壳的开口外；所述天线安装在所述防水保护内壳露出所述防水保护外壳的开口外的部分上，所述超声波测距模块安装在所述防水保护内壳中；所述防水保护内壳的封闭端和所述防水保护外壳的封闭端分别通过固定支座安装在裂缝的两侧。2.根据权利要求1所述的一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，其特征在于:所述超声波测距模块安装在所述防水保护内壳的内腔中接近所述防水保护内壳的开口的位置上。3.根据权利要求1所述的一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，其特征在于:所述单片机采用PIC16F684芯片及其外围电路。4.根据权利要求1所述的一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，其特征在于:所述温度传感器的型号为DS18B20。
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，包括伸缩套筒式的防水保护外壳和防水保护内壳、超声波测距模块和天线；其超声波测距模块具有ZigBee通信模块，结合ZigBee通信技术可实现无线通信和自组网功能，能实现监测区域的监测点自组网并能远距离传输。且由伸缩套筒式的防水保护外壳和防水保护内壳构成地表裂缝传感器的壳体，壳体很容易分拆，易于维护，而且整体结构简单，成本较低。另外，防水保护外壳和防水保护内壳相对运动的行程可以通过调整二者的长度来实现，只需增加防水保护外壳和防水保护内壳能相对运动的行程而无需作其他任何改变，就可以加大地表裂缝传感器的测量范围，根据需要可以实现3mm-3000mm的测量范围。
【IPC分类】G01S15/88
【公开号】CN204694843
【申请号】CN201520252902
【发明人】蔡植善
【申请人】泉州师范学院
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年4月24日
【技术领域】
[0001]本实用新型属于防灾减灾技术领域，具体是一种地表裂缝传感器。产品适用于桥梁裂缝监测、水库大坝裂缝监测以及边坡的地表裂缝监测等。
【背景技术】
[0002]近年来，由于对大型工程的监测预防不到位，自然灾害(滑坡、泥石流类灾害)的频繁发生，我国每年都要遭受大量的经济损失和人员伤亡，因而对灾害监测、预防工作及其相关传感器的研宄格外重视。而对边坡体环境量监测的一个重点是山体土壤裂缝的宽度，对桥梁与水库大坝的维护研宄也是研宄的重点，因此对地表裂缝传感器的研宄具有重要的意义。
[0003]现有使用的地表裂缝传感器一般由裂缝传感器本体、柔性芯钢丝、锚固头等组成。传感器原理为电感调频类，裂缝传感器本体内有一个圆柱形金属螺旋线圈，线圈内有一个可以移动的磁芯(即测杆)，在实际应用中通过线圈的电感变化实现非电量电测。这种地表裂缝传感器存在如下缺点和不足:测距范围小(一般测距范围在O?200mm)、成本高昂(一般价格在千元以上)、难以维护(因为传感器为固封状态，无法打开)等。
[0004]而且，现有的地表裂缝传感器一般通过有线方式进行组网，在山体滑坡监测区域，地理条件一般比较复杂，线路架设困难、电源供给不便，使得有线系统部署起来非常困难且监测网络结构的可靠性不高。
[0005]由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，利用超声波进行检测往往比较迅速、方便且计算简单。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物时返回来，超声波接收器收到反射波停止计时(超声波在空气中的传播速度为340m/s)，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，8卩:s = 340t/2o发明人通过对本领域的深入研宄，力求利用超声波发射器这一工作原理并结合专业知识，设计出更优化的超声波测距传感器，遂有本案产生。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的是提供一种测距范围大、成本更低、易维护、功耗更小的具有自组网功能的地表裂缝传感器。
[0007]为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0008]一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，包括防水保护外壳、防水保护内壳、超声波测距模块和天线；所述超声波测距模块包括电源部分、超声波换能器、单片机、数字温度传感器和ZigBee通信模块，由电源部分为整个超声波测距模块提供工作电源，数字温度传感器连接在单片机的采集输入端，超声波换能器和ZigBee通信模块分别与单片机进行双向连接；
[0009]所述防水保护外壳和所述防水保护内壳均为一端封闭、另一封开口的筒状结构，且所述防水保护内壳的外径略小于或等于所述防水保护外壳的内径，所述防水保护内壳和所述防水保护外壳以开口对开口的方式相互插接在一起形成伸缩式套筒，所述防水保护内壳的开口与所述防水保护外壳的封闭端之间填充有防水柔性填充物，所述防水保护内壳的封闭端露出在所述防水保护外壳的开口外；所述天线安装在所述防水保护内壳露出所述防水保护外壳的开口外的部分上，所述超声波测距模块安装在所述防水保护内壳中；所述防水保护内壳的封闭端和所述防水保护外壳的封闭端分别通过固定支座安装在裂缝的两侧。
[0010]所述超声波测距模块安装在所述防水保护内壳的内腔中接近所述防水保护内壳的开口的位置上。
[0011]所述单片机采用PIC16F684芯片及其外围电路。
[0012]所述温度传感器的型号为DS18B20。
[0013]采用上述方案后，本实用新型的一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，其超声波测距模块具有ZigBee通信模块，结合ZigBee通信技术可实现无线通信和自组网功能，能实现监测区域的监测点自组网并能远距离传输。且由伸缩套筒式的防水保护外壳和防水保护内壳构成地表裂缝传感器的壳体，壳体很容易分拆，易于维护，而且整体结构简单，成本较低(一般价格500元以下)。另外，防水保护外壳和防水保护内壳相对运动的行程可以通过调整二者的长度来实现，只需增加防水保护外壳和防水保护内壳能相对运动的行程而无需作其他任何改变，就可以加大地表裂缝传感器的测量范围，根据需要可以实现3mm-3000mm的测量范围。
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型的结构示意图；
[0015]图2为本实用新型中超声波测距模块的外形结构图；
[0016]图3为本实用新型中超声波测距模块的电路原理框图；
[0017]图4为本实用新型中单片机的电路原理图；
[0018]图5为本实用新型地表裂缝传感器的自组网原理示意图。
【具体实施方式】
[0019]本实用新型一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，如图1-4所示，包括防水保护外壳10、防水保护内壳20、超声波测距模块30和天线40。
[0020]如图1所不，防水保护外壳10和防水保护内壳20均为一端封闭、另一封开口的筒状结构，且防水保护内壳20的外径略小于或等于防水保护外壳10的内径，防水保护内壳20和防水保护外壳10以开口对开口的方式相互插接在一起形成伸缩式套筒。防水保护内壳20的开口与防水保护外壳10的封闭端11之间填充有防水柔性填充物50。防水保护内壳20的封闭端21露出在防水保护外壳10的开口外，天线40安装在防水保护内壳20露出防水保护外壳10的开口外的部分上。超声波测距模块30安装在防水保护内壳中接近防水保护内壳20的开口的位置上。工作时，天线40和超声波测距模块30与防水保护内壳20 —起随裂缝的伸缩移动。防水保护内壳20的封闭端21开设有供电源线通过的小孔22。防水保护内壳20的 封闭端21和防水保护外壳10的封闭端11分别连接有固定支座60，固定支座60分别开设有固定螺丝孔61，通过相配合的螺丝将固定支座60安装在裂缝的两侧。
[0021]为了提高防水保护外壳10与防水保护内壳20两者间的密封度，可在之间垫设防水垫层。为了防止水从小孔22渗入防水保护内壳20内，可对小孔22进行防水处理，如，在小孔22的内周沿设置防水垫圈。
[0022]如图2-4所示，超声波测距模块30包括电源部分31、超声波换能器32、单片机33、数字温度传感器34和ZigBee通信模块35。由电源部分31为整个超声波测距模块30提供工作电源，数字温度传感器34连接在单片机33的采集输入端，超声波换能器32和ZigBee通信模块35分别与单片机33进行双向连接。
[0023]本实施例中，电源部分31包括+5V主电源及备用电源，因地表裂缝传感器大多安置在室外，像山坡、桥梁等地区，考虑到这点，所以+5V主电源采用太阳能发电装置提供电力，备用电源选用锂电池，利用电源切换电路来控制备用电源和主电源的切换。
[0024]本实施例中，超声波换能器32采用现有公知的超声波换能器，主要由超声波发射传感器和接收传感器组成；单片机33采用PIC16F684芯片及其外围电路；温度传感器34的型号为DS18B20 ；ZigBee通信模块35采用现有公知的ZigBee通信模块；天线40采用2.4GHz 天线。
[0025]工作时，单片机33产生40KHz的超声波信号经放大后由超声波换能器32的超声波发射传感器发射出去，超声波信号遇到障碍物(裂缝的侧壁)反射回来，由超声波换能器32的超声波接收传感器接收后经解码送入单片机33，单片机33测出超声波发射并经反射回来的时间t，乘以V = 3440m/s(15°C )的声音速度，则超声波换能器32的发射和接收点面至障碍物之间的距离s = t*v/2。考虑到温度对超声波测距的影响，因此加入数字温度传感器34进行温度校正，保证测量精度。为了提高测距精度，减少误差，可根据公知手段在单片机软件上进行温度补偿和进行常规的数据滤波处理。测量数据经过单片机串口加载到ZigBee通信模块35进行组网传输，汇集到上位机进行数据管理。
[0026]由于无线传输技术的不断提高和成熟，使得ZigBee这种无线通信技术得到了较大的发展，而ZigBee自组网原理首先协调器根据配置物理信道主动扫描，选择合适的物理信道和网络号，建立起网络。其次路由或者终端设备根据配置物理信道被动扫描，选择合适的物理信道和网络号并加入网络。网络中协调器网络地址固定为0，路由和终端设备地址可以由网络随机分配或者预配置。最后网络中设备根据网络地址进行数据发送和接收。如图5所示，应用时，将本实用新型的地表裂缝传感器(内置超声波换能器和ZigBee通信模块)设置为终端，上位机设置为协调器，一般传输距离为2000m，也可在其中设置路由设备以达到远距离传输。
[0027]设置合适的数据采集时间间隔，通过ZigBee通信模块的组网功能，达到上位机与传感器节点之间的透明传输，上位机根据实际收到的数据进行数据处理并在显示屏上显示，达到报警功能。
【主权项】
1.一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，其特征在于:包括防水保护外壳、防水保护内壳、超声波测距模块和天线；所述超声波测距模块包括电源部分、超声波换能器、单片机、数字温度传感器和ZigBee通信模块，由电源部分为整个超声波测距模块提供工作电源，数字温度传感器连接在单片机的采集输入端，超声波换能器和ZigBee通信模块分别与单片机进行双向连接； 所述防水保护外壳和所述防水保护内壳均为一端封闭、另一封开口的筒状结构，且所述防水保护内壳的外径略小于或等于所述防水保护外壳的内径，所述防水保护内壳和所述防水保护外壳以开口对开口的方式相互插接在一起形成伸缩式套筒，所述防水保护内壳的开口与所述防水保护外壳的封闭端之间填充有防水柔性填充物，所述防水保护内壳的封闭端露出在所述防水保护外壳的开口外；所述天线安装在所述防水保护内壳露出所述防水保护外壳的开口外的部分上，所述超声波测距模块安装在所述防水保护内壳中；所述防水保护内壳的封闭端和所述防水保护外壳的封闭端分别通过固定支座安装在裂缝的两侧。2.根据权利要求1所述的一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，其特征在于:所述超声波测距模块安装在所述防水保护内壳的内腔中接近所述防水保护内壳的开口的位置上。3.根据权利要求1所述的一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，其特征在于:所述单片机采用PIC16F684芯片及其外围电路。4.根据权利要求1所述的一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，其特征在于:所述温度传感器的型号为DS18B20。
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有自组网功能的地表裂缝传感器，包括伸缩套筒式的防水保护外壳和防水保护内壳、超声波测距模块和天线；其超声波测距模块具有ZigBee通信模块，结合ZigBee通信技术可实现无线通信和自组网功能，能实现监测区域的监测点自组网并能远距离传输。且由伸缩套筒式的防水保护外壳和防水保护内壳构成地表裂缝传感器的壳体，壳体很容易分拆，易于维护，而且整体结构简单，成本较低。另外，防水保护外壳和防水保护内壳相对运动的行程可以通过调整二者的长度来实现，只需增加防水保护外壳和防水保护内壳能相对运动的行程而无需作其他任何改变，就可以加大地表裂缝传感器的测量范围，根据需要可以实现3mm-3000mm的测量范围。
【IPC分类】G01S15/88
【公开号】CN204694843
【申请号】CN201520252902
【发明人】蔡植善
【申请人】泉州师范学院
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年4月24日
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