山體滑坡監測及預警系統設計范文

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《電子器件雜志》2014年第三期

1系統設計

1．1預警系統終端機山體滑坡預警監測系統的終端機由各種水文、氣象傳感器模塊(三軸加數度陀螺儀，GPS模塊)、無線通信模塊、電源模塊和主控制器模塊組成。圖2為線、角加速度采集傳輸模塊連接框圖，圖3為位移采集傳輸模塊連接框圖。

1．1．1線、角加速度采集傳輸模塊主要用到的模塊有:主控制模塊(STC12C5A60S2)、三軸加速度陀螺儀模塊(MPU－6050)、無線傳輸模塊(SIM300)。(1)主控制模塊所采用的主控制芯片是STC12C5A60S2。它是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機［7］，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8倍～12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10bitA/D轉換(250ksample/s，即25萬次/s)，兩個串口。在對線、角加速度采集傳輸設計中只是把它作為普通的51單片機來使用(單串口)。(2)三軸加數度陀螺儀模塊采用的芯片是MPU－6050，MPU－60X0系列是全球首例9軸運動處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器DMP(DigitalMotionProcessor)。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為±250°/s、±500°/s、±1000°/s、±2000°/s(%dps)，加速度計可測范圍為±2，±4，±8，±16gn(重力加速度)。(3)無線傳輸模塊本設計采用的GPRS通信模塊為SIM300。SIM300是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS雙頻模塊，支持TCP/IP協議、三頻/四頻/GSM/GPRS，支持PDU模式和文本模式的短消息傳送，支持數據和傳真信息的高速傳輸，使用時更加方便靈活。GPRS通訊適用于間斷的、突發性的或少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸，且具有實時在線，按量收費等優點［8］。在該設計中，GPRS模塊的接口信號端GRX、GXD分別與STC12C5A60S2的RxD、TxD連接，如圖2所示。當主控制模塊和GPRS模塊啟動后，MCU通過串口直接向GPRS模塊發送AT指令使其接入GPRS網絡并進行參數設置。其內容包括波特率、網關、GPRS模塊的類別、測試GPRS服務是否開通等。

1．1．2位移采集傳輸模塊主要用到的模塊有主控制模塊(STC12C5A60S2)、全球定位系統(GPS)模塊、無線傳輸模塊(SIM300)。在對位移采集傳輸設計中使用了STC12C5A60S2的雙串口功能。MCU將從串口1傳輸的GPS數據解析后，經過串口2數據傳給SIM300。該設計中，GPRS模塊的接口信號端GRX、GXD分別與STC12C5A60S2的RxD(2)、TxD(2)連接。全球定位系統(GPS)模塊采用的芯片為u－blox公司生產的NEO－6M－0－001。捕獲冷啟動29s，溫啟動27s，輔助啟動＜3s，熱啟動＜1s，靈敏度:捕獲－162dBm，跟蹤－147dBm，冷啟動－146dBm。GPS模塊的Tx、Rx端分別與STC12C5A60S2的RxD、TxD相連，如圖3所示。

1．1．3電源模塊由于監測系統終端機分布在野外，供電較困難，終端機采用蓄電池供電，蓄電池容量大、自放電率低，并采用太陽能板對其進行涓流充電，可以保證系統長期穩定地工作。本設計中采用的是9V\2．3W的太陽能板，6V\4A的蓄電池，以及AMS1117－5．0電源穩壓模塊，連接圖如圖4所示。圖中的二極管是防止蓄電池對太陽能板進行反充電。蓄電池的實際電壓為6．7V，經過AMS1117－5．0電源穩壓模塊后在OUT+\－端輸出5V電壓，可以為單片機、GPRS模塊、GPS模塊供電1．2預警平臺本設計中，預警平臺是通過短信和報警器的播報方式通知相關人員的。用到的硬件有:單片機STC89C52、無線傳輸模塊(SIM300)、報警器ES－626、手機。其中STC89C52與SIM300模塊的連接方式與圖2一樣。選用的報警器可工作在6V～12V之間，在12V時，可達到120dB的聲音。它是由繼電器對其進行控制的，繼電器是通過達林頓管(ULN2003)來驅動的。繼電器的‘1’為常開端口，‘3’為常閉端口。原理圖如圖5所示。通過MCU(STC89C52)對LED1、LED2、繼電器進行控制。在報警前，LED2(綠燈)亮，LED1(紅燈)滅，繼電器處于常閉狀態，報警器不工作;當接收到監控系統控制站的報警指令后，LED2滅，LED1亮，繼電器處于常開狀態，報警器工作，且手機會收到一條預警短信。本設計選擇的實驗滑坡采集點有三處，標記為1、2、3號地區。短信內容如圖6所示，提醒相關人員做好防范。

1．3監控系統控制站監控系統控制站，主要負責將終端機傳送過來的加速度、位移數據存儲、顯示，判斷數據是否達到預警門限值，如果達到門限值時就會發送一條指令給預警平臺，預警平臺將會啟動報警裝置。本設計的上位機軟件是借助于網絡調試助手這款軟件。它支持UDP，TCP協議，集成TCP服務器和客戶端;可以自動發送校驗位，支持多種校驗格式;支持間隔發送，循環發送，批處理發送等功能。圖7為監控終端接收到的放大256倍的線、角加速度數據。其中A后面的3個數據分別表示X、Y、Z軸的線加速度，單位為gn(重力加速度)，G后面的3個數據分別表示X、Y、Z三軸旋轉方向的角加速度，單位為°/s。圖8為監控終端收到的GPS位移數據。例如圖8中第1行數據，設為A點“h:36．6N:325249E:1194821t:33”，它表示該滑坡采集地處于高度36．6，北緯32°52''''49″，東經119°48''''21″的位置。t為北京時間的秒，前后t相減就得到了采集間隔時間Δt=21s。如果數據變為B點，處于高度5．2，北緯32°52''''51″，東經119°48''''19″的位置。那么A、B兩處距離將通過下面方法進行計算。

2結論

本設計對山體位移、加速度信息進行監測，確保了預警的準確性;預警平臺的設計大大方便了預警的播報;采用GPRS無線網絡傳輸數據保證了監控站可以在無限遠處設立，利于遠程監控。本設計在經過實地驗證后，能夠及時、可靠地對滑坡災害的發生進行預警，有效地解決了有線傳輸及人工播報方式的缺陷。

作者：陳煒峰席萬強周峰劉云平單位：南京信息工程大學信息與控制學院南京易周能源科技有限公司