彭麗英，劉海娟

PENG Li-ying1, LIU Hai-juan2

（1.山東工業(yè)職業(yè)學院，淄博 256414；2.西門子變壓器有限公司，濟南 250022）

0 引言

無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究是預防山體事故發(fā)生的重要手段，尤其在較為復雜的地形。邊坡變形失穩(wěn)是山體事故發(fā)生的主要原因，也是礦業(yè)開采的主要問題。邊坡變形不僅對安全生產(chǎn)的影響將會造成局部或全礦停產(chǎn)，更會導致人員傷亡、設備毀壞和地面建筑破壞等。對此，針對這種較為復雜的地形監(jiān)控也就顯得尤為重要。為此我進行了簡單的研究設計。

1 邊坡等復雜地形穩(wěn)定性監(jiān)控存在的問題

通過對我國大多數(shù)邊坡等復雜地形變形監(jiān)測的研究發(fā)現(xiàn)，采用的監(jiān)測方法存在如下需要解決的問題：

1）無論是地表位移觀測還是巖體內(nèi)部的位移觀測，均存在著有害變形滯后于巖體滑坡的問題。當發(fā)現(xiàn)地表裂縫或巖體內(nèi)部出現(xiàn)較大變形時，邊坡巖體已經(jīng)或正在發(fā)生滑動破壞。此外利用鉆孔測斜觀測巖體內(nèi)部變形的實踐表明，當內(nèi)部變形較小時，受精度的限制不能準確獲得位移量，當位移較大時，鉆孔錯位嚴重使測斜儀器到達觀測孔內(nèi)部受阻而無法測量。因此，無論是地表還是巖體內(nèi)部的位移觀測均不具有實時性；

2）使用的錨索測力計數(shù)據(jù)的獲得需要人工到現(xiàn)場測讀數(shù)據(jù)，受天氣，人為等因素的影響大，不能連續(xù)穩(wěn)定獲得測試數(shù)據(jù)，監(jiān)測現(xiàn)場路途較遠且有些地段人員到達困難，尤其是陰雨天容易產(chǎn)生滑坡災害的時段更不易獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)。此外對于有滑坡危險的較陡邊坡經(jīng)常有石塊等從坡上滾落，人工現(xiàn)場測讀數(shù)據(jù)將存在較大危險。

通過對邊坡穩(wěn)定性監(jiān)控存在的問題的研究，發(fā)現(xiàn)錨索測力計觀測的數(shù)據(jù)較為準確，針對錨索測力計觀測的缺點，本文將錨索測力技術(shù)和無線遠程監(jiān)控技術(shù)結(jié)合在一起，設計了露天煤礦邊坡應力無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的總體設計及分析

本設計是基于GSM網(wǎng)絡短信服務為核心技術(shù)的遠程傳輸方案；以微處理器AT89S52為主控芯片設計了分節(jié)點應力監(jiān)測電路，完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測與傳輸；在制定通信協(xié)議的基礎上，通過MC35i短信模塊的應用完成數(shù)據(jù)的遠程傳送；通過中心監(jiān)測計算機管理軟件的設計以達到監(jiān)控目的。

邊坡監(jiān)測地點多數(shù)都沒有電纜，光纜，電話線等，所以露天煤礦的通信方式就要選用無線通信的方法。無線通信的設計相對于監(jiān)測站而言比較簡單，有許多現(xiàn)有的產(chǎn)品和通信系統(tǒng)可以利用，重點只是在于從多種實現(xiàn)方式中作出最優(yōu)的選擇。由于本設計要求實現(xiàn)復雜地形的監(jiān)控，所以需要遠距離傳輸，并且要保證通信的可靠性，以及考慮到邊坡的具體環(huán)境，所以本設計選用GPRS模塊MC35i，雖然設計上只基于GSM網(wǎng)絡短信形式傳輸，但是為了以后擴展和將來對速度要求的提高，可以選擇GPRS技術(shù)的MC35i模塊，其兼容GSM短信服務。

邊坡應力無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式節(jié)點輪詢的控制結(jié)構(gòu)，各分節(jié)點通過振弦式荷載傳感器采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡以短信的形式傳輸?shù)街行谋O(jiān)控軟件。中心監(jiān)控軟件通過輪流查詢的方式定時或手動監(jiān)測分節(jié)點數(shù)據(jù)和曲線變化，此系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計圖

以節(jié)點1為例，系統(tǒng)的工作流程：中心監(jiān)控軟件定時或手動查詢分節(jié)點1，分節(jié)點1采集振弦式荷載傳感器的數(shù)據(jù)，以短信的形式通過GSM網(wǎng)絡傳送到中心監(jiān)控系統(tǒng)，中心監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)和曲線，進行滑坡預警。

1）分節(jié)點（分節(jié)點應力采集與傳輸控制）設計：此部分包括下位機硬件的設計和軟件的設計，主要完成振弦式荷載傳感器頻率值的采集，以及把頻率值以短信的形式發(fā)送給中心監(jiān)控軟件，中心監(jiān)控軟件將頻率值轉(zhuǎn)換為應力值進行存儲與顯示。

2）通信協(xié)議設計與AT指令介紹：此部分主要介紹系統(tǒng)的通信協(xié)議以及AT指令的使用介紹。

3）中心監(jiān)控軟件設計：此部分工作在PC機的應用層，應用VC++6.0開發(fā)上位機軟件，主要完成如下功能：

（1）MC35i短信模塊的控制：包括VC使用AT指令控制MC35i收發(fā)短信，以及短信模塊參數(shù)的設置；

（2）數(shù)據(jù)庫的存儲與讀?。菏褂肁DO對象連接SQL SERVER 2000數(shù)據(jù)庫，以及用SELECT語句選擇性的讀取數(shù)據(jù)庫；

3 分節(jié)點應力采集與傳輸?shù)挠布O計

邊坡應力無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的分節(jié)點硬件設計決定著應力值脈沖的準確采集以及應力值的穩(wěn)定傳輸。該硬件平臺包括微控制器模塊，GSM模塊，采集信號放大模塊，以及低通濾波模塊，電源穩(wěn)壓模塊，變壓模塊，選通模塊等。

其設計的工作原理是，首先微控制芯片產(chǎn)生一定頻率的方波，經(jīng)逆變變壓器放大，倍壓整流后為300V的直流信號，通過選通通道激勵振弦式荷載傳感器，使其諧振后傳出應力值的脈沖信號，脈沖信號經(jīng)過放大濾波后，將信號送入單片機，單片機檢測脈沖信號的頻率值，通過GSM短信模塊把頻率值發(fā)送給中心節(jié)點監(jiān)測。

邊坡應力無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計要考慮地形的復雜工作環(huán)境，所以芯片選擇工業(yè)級別的，工作溫度為-40℃－＋85℃。

1）分節(jié)點應力采集與傳輸?shù)能浖O計：分節(jié)點軟件設計主要完成振弦式荷載傳感器的頻率數(shù)據(jù)的采集，信號通道的選通，短信模塊的短信發(fā)送與接收的順序控制，頻率采集信號的精確頻率計算。分節(jié)點軟件設計部分在MedVinV3環(huán)境下編譯，使用匯編語言完成整個設計部分。

2）程序的工作流程：首先AT89S52先屏蔽可控硅，目的是防止可控硅選通，干擾系統(tǒng)運行。然后調(diào)用初始化程序，初始化程序包括端口初始化，以及串口波特率的設置（波特率為9600bit/s），選用晶振為11.0592MHz，波特率為9600bit/s的誤差最小。接著設置短信模塊為來短信提示模式，并且進入休眠狀態(tài)，休眠狀態(tài)用串口中斷觸發(fā)恢復正常工作模式。如果接收到短信，就進入短消息處理程序。

4 電源部分設計

電源部分是此系統(tǒng)設計的關鍵，尤其在復雜環(huán)境中要求電池使用的周期要高，為此無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的電源部分選擇太陽能充電控制技術(shù)。

電源控制器的注意事項：

1）接線前請仔細核對并確認太陽能板、蓄電池、負載的額定電壓，三者的額定電壓應相同，且都是12V或者都是24V；

2）太陽能板、負載的額定電流不得大于控制器的額定電流；

3）電源控制器要設置成常開模式。

5 通信協(xié)議設計

通信協(xié)議是系統(tǒng)各設備之間進行互相通信的語言和規(guī)范，軟件的開發(fā)需要在通信協(xié)議的基礎上進行。一個好的通信協(xié)議在很大程度上有利于軟件的模塊化設計。根據(jù)具體的應用環(huán)境以及系統(tǒng)要求來設定基于短信內(nèi)容的通信協(xié)議。

中心節(jié)點：中心監(jiān)測計算機。

分節(jié)點：連接到振弦式傳感器的單片機數(shù)據(jù)采集設備。

6 MC35i短信模塊

從設計的目的及功能上看主要可分四部分組成：GSM基帶處理器，GSM射頻部分，電源ASIC(Application Specific Integrated Circuit）和FLASH。GSM基帶處理器是整個模塊的核心，它由一個CPU和一個DSP處理器內(nèi)核組成。GSM基帶處理器控制著模塊內(nèi)各種信號的傳輸、轉(zhuǎn)換、放大等處理過程。GSM射頻部分是一個單片收發(fā)器SMARTi，它由一個外差式接收器、上變頻調(diào)制環(huán)路發(fā)送器（up conversion modulation loop transmitter）、一個射頻鎖相環(huán)路和一個全集成中頻合成器4個功能塊組成，共同完成對射頻信號的接收和發(fā)送等處理。

7 中心監(jiān)測系統(tǒng)軟件

中心監(jiān)測系統(tǒng)軟件由三部分組成：短信查詢軟件，數(shù)據(jù)瀏覽軟件，以及圖像瀏覽軟件。中心監(jiān)測系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。

圖2 中心監(jiān)測系統(tǒng)軟件框圖

1）短信查詢軟件

短信查詢軟件主要完成手動查詢分節(jié)點數(shù)據(jù)的任務，此界面為主程序界面，其它兩個界面為模態(tài)觸發(fā)對話框。短信查詢軟件包括短信模塊的AT指令控制，數(shù)據(jù)庫的寫入，參數(shù)的設置，串口的初始設置，頻率轉(zhuǎn)換應力值計算等。

2）數(shù)據(jù)瀏覽

數(shù)據(jù)查詢主要完成在固定時間段查詢接收的數(shù)據(jù)。此對話框應用DATETIMEPICKER控件選取時間段，并且通過ADO控件和DATAGRID控件組合完成數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的讀取，數(shù)據(jù)包括手機號，3個振弦的頻率值，日期與時間以及計算后轉(zhuǎn)換的應力值。

3）曲線瀏覽

圖像瀏覽主要包括圖像的描繪，圖像描繪主要應用虛擬內(nèi)存方法，首層圖像為描繪固定網(wǎng)格，二層利用接收數(shù)據(jù)的應力值與時間值自適應設置標定值，三層為數(shù)據(jù)值的描繪。此界面設計還包括標定值的定位顯示，定位顯示可采用MOUSEMOVE方法定位坐標。

8 結(jié)束語

雖然我國對于復雜地形，尤其是礦業(yè)開采地的監(jiān)測非常重視，但是意外事故依然有所發(fā)生，如山體滑坡，泥石流，塌陷等。盡管我的研究設計有所簡略，但希望能夠引起更多人的注意及研究，并能致力于我國的地質(zhì)災難預防，減少我們國家的物力，財力，人力損失，讓我們的國家能更昌盛繁榮！

[1] 中國礦業(yè)大學,平煤集團.滑坡災害與邊坡應力遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)研制及應用研究[R].

[2] 田峰.基于GSM技術(shù)的超遠程無線設備監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].山東科技大學.2004,(5)：23-25.

[3] 何滿潮.滑坡地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預報系統(tǒng)及其工程應用[J].巖石力學與工程學報.2009,(6)：1081-1082.

[4] 蔡美峰,李長洪,等.GPS在深凹露天礦高陡邊坡位移動態(tài)監(jiān)測中的應用[J].中國礦業(yè).2004,(9)：221-222.

[5] 葉丹霞,王家禮.GSM模塊TC35在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J].無線通信.2005,(5)：62-63.