[發(fā)明專利]一種基于降雨環(huán)境的巖溶洞穴內(nèi)氣壓的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010902166.8
• 申請(qǐng)日: 2020-09-01
• 公開（公告）號(hào): CN111988755A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李濱;王晨輝;高楊;賀凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所
• 主分類號(hào): H04W4/38
• 分類號(hào): H04W4/38;H04L29/08;G08C17/02;G08C19/00;G01W1/14;G01F23/00;G01L11/00
• 代理公司: 北京安瑞克專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11902
• 代理人: 郭紅梅

1.一種基于降雨環(huán)境的巖溶洞穴內(nèi)氣壓的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：降雨量預(yù)判層、傳感器層、信號(hào)調(diào)理層、數(shù)據(jù)采集層、通訊傳輸層、數(shù)據(jù)分析層、供電層；其中，

所述降雨量預(yù)判層直接與傳感器層相連，包括雨量傳感器和閾值判斷模塊，雨量傳感器和閾值判斷模塊中間設(shè)置信號(hào)調(diào)理層接口；所述傳感器層同時(shí)與信號(hào)調(diào)理層相連，信號(hào)調(diào)理層與數(shù)據(jù)采集層相連，數(shù)據(jù)采集層通過通訊傳輸層與數(shù)據(jù)分析層通訊，供電層為降雨量預(yù)判層、傳感器層、信號(hào)調(diào)理層、數(shù)據(jù)采集層及通訊傳輸層供電；

當(dāng)非降雨環(huán)境時(shí)，雨量傳感器及閾值判斷模塊無數(shù)據(jù)，傳感器層、信號(hào)調(diào)理層、數(shù)據(jù)采集層和通訊傳輸層工作在低功耗模式；

當(dāng)降雨環(huán)境時(shí)，雨量傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)雨量，閾值判斷模塊對(duì)雨量進(jìn)行分級(jí)判斷，并根據(jù)所判斷的雨量級(jí)別，自適應(yīng)調(diào)整傳感器層的工作模式，使傳感器層的工作模式與當(dāng)前雨量級(jí)別相適應(yīng)；同時(shí)傳感器層聯(lián)動(dòng)信號(hào)調(diào)理層和數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)采集層根據(jù)接收到的來自信號(hào)調(diào)理層的調(diào)理后的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，自適應(yīng)調(diào)整工作模式，進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)傳輸階段，將實(shí)時(shí)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)樣本上傳給數(shù)據(jù)分析層；數(shù)據(jù)分析層根據(jù)接收到的采集數(shù)據(jù)，計(jì)算存在水流柱體時(shí)巖溶洞穴內(nèi)的氣壓。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于降雨環(huán)境的巖溶洞穴內(nèi)氣壓的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，傳感器層至少包括水位傳感器和氣壓傳感器，所述傳感器設(shè)置在巖溶洞穴現(xiàn)場(chǎng)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于降雨環(huán)境的巖溶洞穴內(nèi)氣壓的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，信號(hào)調(diào)理層通過IO接口電路與雨量傳感器相連，通過RS485接口電路與水位傳感器相連，通過高精度AD轉(zhuǎn)化電路與氣壓傳感器相連。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于降雨環(huán)境的巖溶洞穴內(nèi)氣壓的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)采集層采用嵌入式微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于降雨環(huán)境的巖溶洞穴內(nèi)氣壓的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，通訊傳輸層用于將數(shù)據(jù)采集層的采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)分析層，采用混合組網(wǎng)模式。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于降雨環(huán)境的巖溶洞穴內(nèi)氣壓的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述混合組網(wǎng)模式，為低功耗窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB_IOT無線傳感網(wǎng)、4G無線通信公眾網(wǎng)及北斗通信網(wǎng)互為補(bǔ)充的混合通信網(wǎng)絡(luò)；通訊過程中，當(dāng)存在移動(dòng)傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通過NB_IOT或4G通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析層；當(dāng)不存在移動(dòng)傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)，采用北斗通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)分析層。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于降雨環(huán)境的巖溶洞穴內(nèi)氣壓的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，供電層為直流供電模塊，包括太陽能/風(fēng)能供電來源、充電電源管理控制器及可充電鋰電池組。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于降雨環(huán)境的巖溶洞穴內(nèi)氣壓的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)分析層，通過地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)；所述云服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)采集層的采樣數(shù)據(jù)后，通過下述過程預(yù)測(cè)氣壓變化：

根據(jù)水位傳感器的數(shù)據(jù)，獲得水壓數(shù)據(jù)，通過公式(1)計(jì)算巖溶洞穴內(nèi)水流柱體高度；

式(1)中，U為張開結(jié)構(gòu)面內(nèi)靜水壓力，γw為水重度，h為結(jié)構(gòu)面內(nèi)水頭高度，S為結(jié)構(gòu)面內(nèi)充水部分平均面積，單位m²；

根據(jù)水流柱體高度及氣壓傳感器數(shù)據(jù)，通過公式(2)計(jì)算巖溶洞穴內(nèi)氣壓，并根據(jù)巖溶洞穴受力模型分析巖體受力極限；

P＝ρ×g×△H×S (2)

式(2)中，P為氣體負(fù)壓產(chǎn)生的吸力，單位N，ΔH為溶洞內(nèi)氣壓的水流柱體高度(單位m)，S為巖腔的平均橫斷面積，單位m²。