[发明专利]一种基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统及方法

权利要求书

1.一种基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，所述监测系统包括：降雨量预判层、传感器层、信号调理层、数据采集层、通讯传输层、数据分析层、供电层；其中，

所述降雨量预判层直接与传感器层相连，包括雨量传感器和阈值判断模块，雨量传感器和阈值判断模块中间设置信号调理层接口；所述传感器层同时与信号调理层相连，信号调理层与数据采集层相连，数据采集层通过通讯传输层与数据分析层通讯，供电层为降雨量预判层、传感器层、信号调理层、数据采集层及通讯传输层供电；

当非降雨环境时，雨量传感器及阈值判断模块无数据，传感器层、信号调理层、数据采集层和通讯传输层工作在低功耗模式；

当降雨环境时，雨量传感器监测实时雨量，阈值判断模块对雨量进行分级判断，并根据所判断的雨量级别，自适应调整传感器层的工作模式，使传感器层的工作模式与当前雨量级别相适应；同时传感器层联动信号调理层和数据采集层，数据采集层根据接收到的来自信号调理层的调理后的实时监测数据，自适应调整工作模式，进入实时监控和实时传输阶段，将实时采集的监测数据样本上传给数据分析层；数据分析层根据接收到的采集数据，计算存在水流柱体时岩溶洞穴内的气压。

2.根据权利要求1所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，传感器层至少包括水位传感器和气压传感器，所述传感器设置在岩溶洞穴现场。

3.根据权利要求1所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，信号调理层通过IO接口电路与雨量传感器相连，通过RS485接口电路与水位传感器相连，通过高精度AD转化电路与气压传感器相连。

4.根据权利要求1所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，数据采集层采用嵌入式微处理器进行数据采集。

5.根据权利要求1所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，通讯传输层用于将数据采集层的采样数据发送给数据分析层，采用混合组网模式。

6.根据权利要求5所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，所述混合组网模式，为低功耗窄带物联网NB_IOT无线传感网、4G无线通信公众网及北斗通信网互为补充的混合通信网络；通讯过程中，当存在移动传输网络时，通过NB_IOT或4G通信网络将监测数据传输到数据分析层；当不存在移动传输网络时，采用北斗通信网络将监测数据传输到数据分析层。

7.根据权利要求1所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，供电层为直流供电模块，包括太阳能/风能供电来源、充电电源管理控制器及可充电锂电池组。

8.根据权利要求1所述的基于降雨环境的岩溶洞穴内气压的监测系统，其特征在于，所述数据分析层，通过地质灾害监测预警云服务器实现；所述云服务器接收到数据采集层的采样数据后，通过下述过程预测气压变化：

根据水位传感器的数据，获得水压数据，通过公式(1)计算岩溶洞穴内水流柱体高度；

式(1)中，U为张开结构面内静水压力，γw为水重度，h为结构面内水头高度，S为结构面内充水部分平均面积，单位m²；

根据水流柱体高度及气压传感器数据，通过公式(2)计算岩溶洞穴内气压，并根据岩溶洞穴受力模型分析岩体受力极限；

P＝ρ×g×△H×S (2)

式(2)中，P为气体负压产生的吸力，单位N，ΔH为溶洞内气压的水流柱体高度(单位m)，S为岩腔的平均横断面积，单位m²。