(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院 陜西 西安 710048)

基于STM32的堰塞湖應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

趙建新劉超高園平

(西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院陜西西安710048)

為了給搶險救災(zāi)人員提供堰塞湖潰壩應(yīng)急預(yù)警保護(hù)，設(shè)計了一套基于STM32的堰塞湖應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F407為核心控制器，以各種傳感器和無線傳輸模塊作為節(jié)點，完成數(shù)據(jù)采集傳輸；由無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭許TM32F407為核心控制器的現(xiàn)場應(yīng)急預(yù)警終端機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期要求，具有一定的現(xiàn)實意義。

STM32；堰塞湖；預(yù)警；數(shù)據(jù)采集

一、引言

堰塞湖是由于滑坡體、泥石流等堆積物形成的堤壩橫向阻塞河谷后，造成上游段壅水而形成的湖泊。我國是一個地震、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家。而地震、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害通常會造成河道擁堵，形成堰塞湖災(zāi)害。堰塞湖作為主要次生地質(zhì)災(zāi)害之一除了堰塞湖發(fā)生漫頂或管涌發(fā)生潰決而對下游民眾財產(chǎn)和安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅外，對河流生態(tài)、自然環(huán)境、人類社會等多方面的影響也是巨大的，這種影響從時間上看是十分漫長的[1]。

目前針對存在安全隱患的堰塞湖主要工程措施是通過開挖導(dǎo)流槽的方式來平緩的降低堰塞湖水位，降低甚至消除堰塞湖帶來的威脅[2]。本文旨在設(shè)計一套實時獲取堰塞湖相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對堰塞湖進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測的系統(tǒng)，為搶險救災(zāi)人員提供堰塞湖應(yīng)急預(yù)警信息，以提高搶險救災(zāi)人員及設(shè)備的安全性。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)項目需求將堰塞湖應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)需要采集的狀態(tài)參數(shù)有五個，分別是入湖流量、滲流、堰流、壩前水位、周邊雨量。系統(tǒng)由兩大部分組成，第一部分是各狀態(tài)參數(shù)采集傳輸模塊，由相應(yīng)的傳感器和無線采集傳輸模塊組成；第二部分是現(xiàn)場應(yīng)急預(yù)警終端。堰塞湖應(yīng)急預(yù)警結(jié)構(gòu)如圖一所示。

圖1 堰塞湖應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(一)被測對象

在堰塞湖庫容曲線一定的情況下，決定堰塞湖潰壩風(fēng)險的主要外動力因素是上游來水量的大小[3]。其主要來源為徑流量較大的河道，在此稱之為入湖流量，可通過水位傳感器和流速傳感器獲取主要河道的流速信息和水位信息來計算得出。假設(shè)河道寬度為定值B(m)，利用水位傳感器可測得河水深度為h(m)，流速傳感器測得的河水流速為v(m/s)，則河道徑流量可按公式(計算得出。同理可以計算出滲流和堰流的數(shù)據(jù)。

Q=v×h×B

(1)

堰塞湖潰壩的根本原因是堰塞湖壩體所承受的來自水的壓力超過了它所能承受的壓力的范圍。根據(jù)堰塞壩本身的幾何結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成可以確定堰塞體所能承受的壓力范圍，進(jìn)而可以估計堰塞湖潰壩時的水位。因此，系統(tǒng)通過水位傳感器來實時獲取水位信息，根據(jù)水位的變化趨勢來預(yù)估堰塞湖水位達(dá)到潰壩水位的時間。

堰塞湖所屬流域內(nèi)的降雨量的大小對堰塞壩的安全性有很大的影響，一方面降雨量的大小將對堰塞湖水位和上游來水造成直接影響，另一方面降雨也會給搶險工作增加難度。因此，降雨量參數(shù)是堰塞湖應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)所需要的一個重要參數(shù)。為提高降雨量的有效性，需要根據(jù)堰塞湖所屬流域的大小以及地形地貌選取適當(dāng)數(shù)量的采集點通過降雨量傳感器進(jìn)行降雨量數(shù)據(jù)采集。

(二)無線采集傳輸模塊

無線采集傳輸模塊由相應(yīng)的傳感器和無線傳輸模塊組成。無線采集傳輸模塊承擔(dān)著數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)闹厝?，它的穩(wěn)定運(yùn)行對系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。用到的傳感器主要有雨量傳感器、水位傳感器和流速傳感器。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的功能是將傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并以無線短傳的方式將數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場應(yīng)急預(yù)警終端。

(三)現(xiàn)場應(yīng)急預(yù)警終端簡述

控制點是整個系統(tǒng)的核心，它承擔(dān)著接收數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、調(diào)控整個系統(tǒng)運(yùn)行的重要責(zé)任。一方面，面對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并通過預(yù)警模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若達(dá)到預(yù)警條件則發(fā)送預(yù)警信息給現(xiàn)場救災(zāi)的指揮人員，以啟動相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案；另一方面，現(xiàn)場應(yīng)急預(yù)警終端將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心來對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

三、現(xiàn)場應(yīng)急預(yù)警硬件設(shè)計

現(xiàn)場應(yīng)急預(yù)警終端機(jī)的硬件電路包括電源模塊、RS232接口、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線通信模塊和人機(jī)交互模塊等組成。其主控芯片選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F407VGT6，它是一款基于CORTEX-M4內(nèi)核的芯片。它的主頻為168MHz高于F1系列的主頻(72MHz)，并且支持單周期DSP指令和浮點單元提高了代碼效率[4]，具有更大的容量的SRAM(192+4KB)，以及直接內(nèi)存存取器和靈活的靜態(tài)存儲控制器。憑借其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)資源，可以很好的完成對數(shù)據(jù)分析和管理等任務(wù)?，F(xiàn)場應(yīng)急預(yù)警終端硬件架構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場應(yīng)急預(yù)警終端硬件架構(gòu)框圖

(一)電源模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用3.3V電壓為主控芯片MSP430供電。系統(tǒng)要求在野外環(huán)境工作，采用12V鋰電池提供直流電源，必要時可以搭配太陽能板以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行時間。采用AMS1117-5以及AMS1117-3.3電源芯片將12V降壓至5V再將壓至3.3V。采集模塊電源電路原理圖如圖3所示。

(二)數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計

由于系統(tǒng)內(nèi)部需要存儲一些圖片用作圖形界面的顯示以及應(yīng)急預(yù)警終端接收到大量的原始數(shù)需要保存，本系統(tǒng)設(shè)計了容量大、數(shù)據(jù)讀寫速度快的SD卡存儲方案。SD卡與STM32單片機(jī)有SPI和SDIO兩種連接方式，SDIO總線接口相對SPI總線接口復(fù)雜，但是讀寫速度快，故采用SDIO模式。SD卡驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 SD卡驅(qū)動電路

(三)433MHz無線通信模塊接口電路設(shè)計

由于系統(tǒng)安裝在野外，傳感器與現(xiàn)場應(yīng)急預(yù)警終端之間的距離較遠(yuǎn)，環(huán)境復(fù)雜以及設(shè)備布設(shè)的便捷性，決定采用無線傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。433MHz頻率傳輸有起獨到的特點，李快快等[5]指出433MHz工作頻段相對比較干凈，工作頻率較低，繞射性能好傳輸時損耗小，這些特性非常吻合本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，故采用433MHz頻率進(jìn)行短距離無線通訊。

CC1101作為一款第成本的1GHz以下的無線收發(fā)器，常用于低功耗無線通信領(lǐng)域，通信距離一般在400到800米之間。CC1101支持固定數(shù)據(jù)包長度協(xié)議和可變數(shù)據(jù)包長度協(xié)議,兩者可用于發(fā)送最長為255字節(jié)的數(shù)據(jù)包。對于超過255字節(jié)長度的數(shù)據(jù)包,可以使用無限長數(shù)據(jù)包協(xié)議。射頻模塊與單片機(jī)連接的電路原理圖如圖5。

圖5 射頻模塊接口電路原理圖

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于STM32的地震堰塞湖應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計主程序流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后首先對STM32單片機(jī)以及CC1101芯片進(jìn)行初始化，然后顯示初始待機(jī)界面。檢測參數(shù)配置標(biāo)識，若需要配置參數(shù)，則進(jìn)入?yún)?shù)配置子程序；否則使CC1101模塊進(jìn)入發(fā)送模式，定時發(fā)送召測命令到無線采集傳輸模塊；使CC1101模塊進(jìn)入接收模式，并接收傳感器采集到的數(shù)據(jù)。STM32單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，判斷對應(yīng)的參數(shù)是否超過預(yù)警閾值，若超過閾值則啟動報警模塊，否則繼續(xù)是CC1101模塊進(jìn)入發(fā)送模式發(fā)送召測命令，程序循環(huán)進(jìn)行下去。

圖6 主程序流程圖

五、結(jié)束語

本文采用基于嵌入式技術(shù)以及無線通信技術(shù)設(shè)計了一套針對堰塞湖潰壩或漫頂?shù)鹊膽?yīng)急預(yù)警系統(tǒng)。主要對應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)的總體方案和應(yīng)急預(yù)警終端的硬件以及軟件部分進(jìn)行了設(shè)計。經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和無線通信，當(dāng)相關(guān)參數(shù)超過設(shè)定的閾值時系統(tǒng)能夠快速的響應(yīng)，發(fā)出預(yù)警信息，結(jié)果達(dá)到了預(yù)期要求。

[1]孔紀(jì)名,阿發(fā)友,鄧宏艷,田述軍,崔云. 基于滑坡成因的汶川地震堰塞湖分類及典型實例分析[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版),2010,(05):44-51.

[2]王光謙,傅旭東,李鐵建,張建新,劉帆,高潔. 汶川地震災(zāi)區(qū)堰塞湖應(yīng)急處置中的計算分析[J]. 中國水土保持科學(xué),2008,(05):1-6.

[3]匡尚富,汪小剛,黃金池,魏迎奇. 堰塞湖潰壩風(fēng)險及其影響分析評估[J]. 中國水利,2008,(16):17-21.

[4]余芳芳,郭來功,李良光. 基于STM32F407的微震信息采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 工礦自動化,2014,(07):9-12.

[5]李快快,張東. 一種433MHz無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與應(yīng)用[J]. 信息技術(shù),2014,(01):131-134.

DesignofabarrierlakeemergencywarningsystembasedonSTM32

ZhaoJianxin,LiuChao,GaoYuanping

(SchoolofElectronicandInformation,Xi’anPolytechnicUniversity,Xi’an710048,China)

In order to provide emergency warning protection for disaster relief workers, a barrier lake emergency warning system based on STM32 is designed.The system takes STM32F407 as the core controller and USES various sensors and wireless transmission modules as nodes to realize data acquisition and transmission.The wireless transmission module transmits data to the on-site emergency warning terminal of STM32F407 as the core controller for data processing.The results show that the system can run steadily and meet the expected requirements, which has certain practical significance.

STM32;barrier lake;early warning;data collection