樊 成 周鳳星

(武漢科技大學冶金自動化與檢測技術(shù)教育部工程研究中心，湖北 武漢 430081)

0 引言

我國地域遼闊，地形復雜多變，盤山公路和傍山公路是多山地區(qū)公路的必然形式。近年來，地震、泥石流等自然災害頻發(fā)，山坡的穩(wěn)定性監(jiān)測對于保護盤山公路運輸安全至關(guān)重要。然而，在許多盤山公路路邊山坡都沒有設(shè)置巖體穩(wěn)定性監(jiān)測設(shè)備，僅靠路政部門安排人員定期巡查，不僅耗時耗力，而且無法做到實時獲得準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，一旦山坡巖體出現(xiàn)不穩(wěn)定因素，會導致巨石掉落或路面塌方等危險，嚴重危害人民群眾生命財產(chǎn)安全。本文設(shè)計的用于盤山公路的山坡巖體穩(wěn)定性實時監(jiān)測系統(tǒng)可以很好地解決上述問題，從而最大限度地保障盤山公路的運輸安全。針對某盤山公路的幾個碎石滑落高發(fā)路段，采用超低功耗高性能STM32F205RE 控制器作為主控單元，控制聲發(fā)射傳感器和計數(shù)器等周邊電路采集巖體形變信號，并通過GPRS 無線傳輸技術(shù)將監(jiān)測信號實時傳送至監(jiān)控中心，為路政部門維護保養(yǎng)提供理論依據(jù)。

1 巖體穩(wěn)定性監(jiān)測原理

聲發(fā)射是材料中局部區(qū)域應力集中，快速釋放能量并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的物理現(xiàn)象，有時也稱為應力波發(fā)射，檢測材料的聲發(fā)射現(xiàn)象是常見的無損檢測方法之一。目前聲發(fā)射的表征參數(shù)基本是通過處理聲發(fā)射傳感器輸出的波形得到的，這些參數(shù)主要有聲發(fā)射事件與振鈴計數(shù)率和總數(shù)、幅度及幅度分析、能量及能量分布、有效電壓值、頻譜和波形等［1］。本文具體測量大事件率、總事件率、能率3 個參數(shù)。在實際監(jiān)測中，聲發(fā)射傳感器采集的聲發(fā)射信號經(jīng)放大和濾波處理后，進入兩路電壓比較器，與設(shè)定的閾值電壓值進行比較判斷，然后在單位時間內(nèi)經(jīng)計數(shù)芯片的計數(shù)，得到大事件率和總事件率，分別反映單位時間內(nèi)需要監(jiān)測的聲發(fā)射事件的大事件和總事件的個數(shù)。聲發(fā)射能率反映聲發(fā)射源以彈性波形式釋放的能量，這里的能量分析是針對儀器輸出的信號進行的，得到的能率值是與單位時間聲發(fā)射能量成正比例的量(無量綱)［2］。通過對巖體聲發(fā)射信號在單位時間內(nèi)的事件數(shù)及總能率的變化情況進行研究，映射巖體的振動狀態(tài)，進而預測巖體穩(wěn)定性［3］。

2 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測終端和監(jiān)控中心的上位機服務器組成。監(jiān)測終端主要包括聲發(fā)射傳感器、數(shù)據(jù)采集電路、控制器、數(shù)據(jù)存儲模塊、GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊六部分。監(jiān)控中心部分的設(shè)計是基于Web網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采用接入移動網(wǎng)絡(luò)的服務器接收終端發(fā)回的數(shù)據(jù)，上位機訪問服務器的方式獲得數(shù)據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of the system

監(jiān)控中心上位機連接到服務器，通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令給監(jiān)測終端，完成監(jiān)測終端系統(tǒng)初始化。系統(tǒng)初始化后，采集的聲發(fā)射信號經(jīng)前置放大和濾波處理后得到波形信號，在控制器的控制下，在監(jiān)測周期5 min內(nèi)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集電路處理后存入數(shù)據(jù)存儲模塊，同時由GPRS 數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)至監(jiān)控中心的服務器。

設(shè)計中，考慮到盤山公路坡體面積較大、監(jiān)測環(huán)境復雜等原因，必須在關(guān)鍵路段設(shè)置多個監(jiān)測點。由于聲發(fā)射傳感器測量精度高，易受環(huán)境噪聲的干擾，因此將聲發(fā)射傳感器置于巖層內(nèi)2 m 深處，外部用隔音棉隔絕外部環(huán)境的干擾?？紤]到網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)等原因，若上位機未收到個別監(jiān)測周期的監(jiān)測數(shù)據(jù)，則上位機發(fā)送查詢指令給監(jiān)測終端，監(jiān)測終端調(diào)取存儲模塊中的相應數(shù)據(jù)，重新發(fā)送給上位機服務器，供監(jiān)測人員查詢?？紤]到野外環(huán)境電力供應困難，采用光伏產(chǎn)品供電，進而可使用戶實時監(jiān)測坡體的穩(wěn)定性狀況。

3 監(jiān)測終端硬件設(shè)計

3.1 終端硬件系統(tǒng)原理

硬件系統(tǒng)原理圖如圖2 所示。該設(shè)計采用的控制器STM32F205RE 是基于工作頻率高達120 MHz 的高性能ARM Cortex-M3 32 位RISC 內(nèi)核。產(chǎn)品帶有標準與高級通信接口，包括3 個I2C 接口、4 個USART 和2 個UART 通信接口、3 個SPI 接口、1 個CAN 接口、1 個SDIO 接口。豐富的接口為該監(jiān)測儀的設(shè)計和日后的升級完善工作提供了極大的便利，使本設(shè)計中的閾值、監(jiān)測點編碼等能夠便利地調(diào)整。同時，該控制器的低功耗特點為野外場所的光伏產(chǎn)品供電系統(tǒng)的設(shè)計提供了便利。

圖2 硬件系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of hardware system

監(jiān)測終端工作環(huán)境惡劣，長期無人維護，這對系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。STM32F205RE 有一個獨立看門狗和一個窗口看門狗，提供了更高的安全性、精確性和靈活性。兩個看門狗設(shè)備可用來檢測和解決由軟件錯誤引起的故障。當計數(shù)器達到給定的超時值時，觸發(fā)一個中斷或產(chǎn)生系統(tǒng)復位。為了保證更高的可靠性，在設(shè)計中還增加了一個片外看門狗復位芯片X5045，更加有力地杜絕了死機問題。

根據(jù)巖體聲發(fā)射的特性，傳感器采用聲華公司設(shè)計的內(nèi)置前置放大器的超低頻窄帶傳感器SR10。該傳感器的工作溫度范圍-20 ～120 ℃，頻率范圍1 ～15 kHz，靈敏度峰值＞80 dB，并擁有IP66 防水等級，能夠適應惡劣工作環(huán)境下的巖體聲發(fā)射信號的采集，其靈敏度足以將微小的巖體形變釋放的聲發(fā)射信號采集下來。SR10 的工作原理是內(nèi)部晶體組件受力產(chǎn)生變形，其表面出現(xiàn)電荷，而在電場的作用下，芯片發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生壓電效應。這種壓電效應，將聲發(fā)射波所引起的被檢件表面振動轉(zhuǎn)換成電壓信號。

由于監(jiān)測終端工作環(huán)境惡劣、溫度變化范圍寬和長期無人值守、無法定期校時等特點，為了獲得數(shù)據(jù)采集的精確時間，終端采用了內(nèi)置晶振及數(shù)字溫度計的的高精度時鐘芯片SD3088。該芯片可使用戶不用顧慮因外接晶振、諧振電容等所帶來的元件匹配誤差問題、晶振溫度特性問題及可靠性問題，實現(xiàn)了常溫及寬溫范圍內(nèi)不需用戶干預，全自動、全電源環(huán)境補償?shù)母呔取⒏呖煽坑嫊r功能。

存儲單元由4 片EEPROM 芯片AT24C512 級聯(lián)構(gòu)成，可提供2 Mb 的存儲空間，供系統(tǒng)存儲大事件、總事件和能率3 個參數(shù)，避免網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等因素造成的數(shù)據(jù)丟失。同時，大容量SD 卡用于存儲經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后的聲發(fā)射信號的波形數(shù)據(jù)，供監(jiān)測人員調(diào)閱研究。EEPROM 級聯(lián)電路圖和SD 卡電路圖如圖3 所示。

圖3 EEPROM 級聯(lián)電路和SD 卡存儲電路圖Fig.3 EEPROM cascade circuit and SD card storage circuit

3.2 數(shù)據(jù)采集單元的實現(xiàn)

傳感器所采集的聲發(fā)射信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集單元處理，得到的各數(shù)字量傳遞給控制器STM32。數(shù)據(jù)采集單元如圖4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集單元Fig.4 The data acquisition unit

數(shù)據(jù)采集單元主要由濾波器、放大器、電壓跟隨器、A/D 轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、電壓平方器、壓頻轉(zhuǎn)換器和計數(shù)器等器件組成。其中，濾波器采用高集成度通用有源濾波器UAF42。它具有設(shè)計方便的特點，只需改變UAF42 芯片的外接電阻和電容的參數(shù)和連接方式，就可以輕松構(gòu)成各種滿足工程實際需要的濾波器。利用Burr-Brown 公司提供的FILTER42 軟件，設(shè)計人員只需要根據(jù)電路的設(shè)計要求輸入?yún)?shù)，就可以計算出相應的元件值，提高效率［4］。這里采用了低通濾波方式，電路圖如圖5 所示。

圖5 濾波電路Fig.5 The filtering circuit

式(1)為該低通濾波電路的截止頻率計算公式:

式中:fosc為濾波器截止頻率;R = RF1= RF2為外接電阻;C 為芯片內(nèi)部電容。這里R 設(shè)置了5 個參數(shù)供選擇，分別對應不同的截止頻率，從而應對不同的巖體信號進行采集。

圖6 AD633 電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of AD633 circuit

3.3 通信模塊的設(shè)計

GPRS 模塊選用SIEMENS MC75i GPRS 工業(yè)通信模塊。該模塊支持850、900、1 800 和1 900 (單位:MHz)4 種頻率，E-GPRS 下行速率可達460 kbit/s，工作溫度-30 ～+75℃，體積小，并且板載SIM 卡插槽，性能非常強勁，能適應在惡劣工作環(huán)境下工作。同時，該模塊內(nèi)部嵌有TCP/IP 協(xié)議棧，STM32 可以直接使用AT 指令集控制模塊，將UART 串口上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP 數(shù)據(jù)包進行網(wǎng)絡(luò)傳送，用戶不需涉及底層傳輸協(xié)議，便于程序設(shè)計。GPRS 模塊通過與移動基站通信連入移動網(wǎng)絡(luò)，再通過移動網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)連入互聯(lián)網(wǎng)。這里為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性，監(jiān)測終端的采樣計數(shù)周期設(shè)置為5 min，保證了監(jiān)測過程的連貫性。此外，GPRS 模塊不會由于長期不發(fā)送數(shù)據(jù)而自動下線。

4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)測終端程序由C 語言編寫完成，主要包括STM32 系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集過程的控制、數(shù)據(jù)存儲和讀取過程的控制(包括EEPROM 和SD 卡的讀寫控制)、GPRS 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的控制。整個數(shù)據(jù)采集過程中，STM32 主要通過控制Intel8254 計數(shù)器計數(shù)得到大事件率、總事件率、能率3 個巖體聲發(fā)射信號參數(shù);同時，通過控制AD976A 芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將聲發(fā)射原始波形信號轉(zhuǎn)化為可存儲的數(shù)字信號。數(shù)據(jù)存儲過程中，控制器分別對EEPROM 和SD 卡進行讀寫操作，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲和讀取。GPRS 數(shù)據(jù)傳輸過程中，STM32 控制器控制GPRS 模塊與上位機建立聯(lián)系，連接成功則發(fā)送數(shù)據(jù)，連接不成功則繼續(xù)嘗試連接。當GPRS 模塊受到網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等因素干擾，數(shù)據(jù)未成功發(fā)送時，控制器從EEPROM 中讀取數(shù)據(jù)，并控制GPRS模塊重新發(fā)送數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖7 所示。

上位機軟件采用Java 編程語言開發(fā)，通過Eclipse開發(fā)平臺進行編譯。上位機軟件設(shè)計的主要思想是創(chuàng)建一個基于TCP/IP 協(xié)議的多線程服務器端，與一個或多個GPRS 模塊建立Socket 通信。Socket 是建立在TCP、UDP 等傳輸層協(xié)議之上的套接字規(guī)范，是進行TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計的關(guān)鍵應用技術(shù)。它屏蔽了網(wǎng)絡(luò)通信的細節(jié)，可以為用戶直接提供應用程序與網(wǎng)絡(luò)之間的標準接口，極大地簡化了網(wǎng)絡(luò)編程。程序首先通過TCP 函數(shù)實現(xiàn)Socket 通信，然后對接收到的聲發(fā)射監(jiān)測信息做圖形化處理，同時以二進制的文件格式存儲到預先指定的路徑中，完成對信息的處理、分析和存儲工作［5］。

圖7 監(jiān)測終端程序流程圖Fig.7 Flowchart of the program of monitoring terminal

5 結(jié)束語

盤山公路山坡巖體穩(wěn)定性實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時采集、存儲發(fā)送和實時監(jiān)控，通過參數(shù)調(diào)節(jié)，可適應不同巖體，性能穩(wěn)定，可靠性高，實時監(jiān)測頻率高，可以得到準確的實時監(jiān)測效果。同時，高可靠性的設(shè)計、太陽能電池板和大容量鋰電池的應用可以實現(xiàn)長期免維護實時監(jiān)測，大大降低了人工巡檢的人力成本和開銷，有效預防和減少了盤山公路山坡巖體失穩(wěn)導致的安全事故。

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