楊元清 秦剛 榮夢(mèng)杰 叱嬋娟 李貴斌

[摘 要]滑坡地質(zhì)災(zāi)害具有臨界突發(fā)性、破壞力巨大等特點(diǎn)，隨著人類工程活動(dòng)的日趨頻繁，造成的損失也越來(lái)越大，其中大部分具有很強(qiáng)的隱蔽性，不借助先進(jìn)的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備很難發(fā)現(xiàn)其存在的安全隱患。地表偵察衛(wèi)士以STM32單片機(jī)為主控芯片，經(jīng)由加速度計(jì)、陀螺儀等對(duì)滑坡形變信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，結(jié)合角度解算與多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)得到整個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象的形變量，并將采集到的形變信息通過(guò)VPN服務(wù)器傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端，能夠提前采取有效措施，把地質(zhì)災(zāi)害造成的危害降到最低。

[關(guān)鍵詞]滑坡監(jiān)測(cè)；陀螺儀；加速度計(jì)；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

[中圖分類號(hào)]V279 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

在我國(guó)，一方面滑坡災(zāi)害分布廣泛，工程防治、機(jī)理研究、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等起步較晚，而另一方面又面臨著國(guó)內(nèi)滑坡監(jiān)測(cè)儀器和監(jiān)測(cè)方法發(fā)展滯后的局面。因此，為了有效降低滑坡等地質(zhì)災(zāi)害給人類帶來(lái)的損失。研究一種應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的地表偵察衛(wèi)士，并探求其監(jiān)測(cè)方法及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的應(yīng)用具有重大的科研和工程意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

“地表偵察衛(wèi)士”由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)算線、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)射端、無(wú)線數(shù)據(jù)接收端、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)組成?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)算線主要負(fù)責(zé)檢測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)采集以及角度和震動(dòng)信息的解算，然后將處理后的數(shù)據(jù)信息通過(guò)RS485通訊總線進(jìn)行傳輸，通過(guò)無(wú)線傳輸顯示在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)上?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)通過(guò)搭建的VPN服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中并可以執(zhí)行查詢?nèi)蝿?wù)，同時(shí)可以將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示出來(lái)方便工作人員分析。若檢測(cè)到的姿態(tài)角度超過(guò)設(shè)定的預(yù)警值，可以及時(shí)報(bào)警通知管理人員，同時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以對(duì)山體滑坡的形變程度進(jìn)行評(píng)估。如圖1為地表偵察衛(wèi)士的總體結(jié)構(gòu)框圖。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，測(cè)算線由若干測(cè)算模塊通過(guò)RS485通訊總線的方式進(jìn)行連接組合而成。對(duì)被監(jiān)測(cè)區(qū)域的形變量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)算模塊采集到被監(jiān)測(cè)區(qū)域的形變量。測(cè)算模塊主要由以STM32微處理器為核心的最小系統(tǒng)模塊、陀螺儀和加速度計(jì)構(gòu)成的滑坡信息采集模塊、電源模塊、通信模塊及存儲(chǔ)模塊組成。

2.1 核心控制單元模塊

由STM32F103C8T6作為的系統(tǒng)的主控制器，它采用36管腳VFQFPN封裝，由32位中央處理單元（CPU12X）、256KB程序Flash（P-lash）、48KB RAM組成片內(nèi)存儲(chǔ)器，足夠存儲(chǔ)并運(yùn)行復(fù)雜的姿態(tài)角度的解算算法，而且容量大，體積小。處理速度快可達(dá)72MHZ，與51單片機(jī)相比速度更快，功能更加強(qiáng)大。

2.2 電源模塊

電源是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分，穩(wěn)定可靠的電源模塊能夠?yàn)橄到y(tǒng)穩(wěn)定工作提供能源保障。為了提高系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)傳感器和整個(gè)系統(tǒng)電源的需要，本系統(tǒng)采用ASM1117芯片將5V的電源轉(zhuǎn)換為3.3V為滑坡測(cè)算模塊提供工作電壓。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集模塊采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的三軸數(shù)字陀螺FXAS21002與FXOS8700CQ6加速度磁力計(jì)傳感器。該模塊為IIC通信協(xié)議，供電電壓3.3V，工作溫度范圍較廣（-40℃至+85℃）；角速率分辨率為0.0625 dps/LSB；輸出數(shù)據(jù)頻率（ODR）范圍：12.5 Hz至800 Hz。經(jīng)過(guò)融合后，可以得到準(zhǔn)確的角度信息。

2.4 通信模塊

采用MAX3485EN總線通訊電路，它是一種8管腳的收發(fā)器，RS-485采用半雙工通信方式，將TTL電平轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)輸出，在接收端再進(jìn)行信號(hào)還原，所以RS-485具有很強(qiáng)的抑制共模能力和高信號(hào)接收靈敏度。

2.5 存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)芯片選用AT24C02存儲(chǔ)芯片。AT24C02具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)，適用于具有大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，AT24C02與CPU之間采用IIC兩線制通信方式。將AT24C02的寫保護(hù)引腳WP接地，允許寫操作；SCL、SDA經(jīng)過(guò)+5V的上拉后分別接入主控制器的PA7和PA6口，主控制器通過(guò)這兩個(gè)口模擬I2C時(shí)序與存儲(chǔ)芯片通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中對(duì)各個(gè)功能模塊的編程設(shè)計(jì)是通過(guò)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的編程思想，完成對(duì)地表偵察衛(wèi)士軟件功能的實(shí)現(xiàn)。為保證振動(dòng)信號(hào)的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳送，各個(gè)功能模塊更加靈活高效地實(shí)現(xiàn)各自的功能。地表偵察衛(wèi)士的軟件系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)模塊：

初始化模塊：初始化的作用主要是將系統(tǒng)各個(gè)部分從休眠等其他非工作狀態(tài)喚醒，讓系統(tǒng)開始運(yùn)行到工作狀態(tài)。本系統(tǒng)下位機(jī)監(jiān)測(cè)端的初始化程序主要包含時(shí)鐘初始化、主控制器端口初始化、通信模塊初始化、存儲(chǔ)模塊初始化以及傳感器設(shè)備初始化等。

定時(shí)器模塊：系統(tǒng)軟件運(yùn)行工作時(shí)定時(shí)器被正確設(shè)定和執(zhí)行確保系統(tǒng)的高效工作。單片機(jī)的定時(shí)器設(shè)置為10ms，用定時(shí)中斷函數(shù)控制著采樣時(shí)間，即執(zhí)行一次定時(shí)中斷就進(jìn)行一次等間隔采樣。

姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊：STM32支持IIC總線的通信方式。所以設(shè)計(jì)通過(guò)GPIO口采用模擬IIC通信協(xié)議的方式，需要對(duì)模擬IIC協(xié)議中包含例如起始時(shí)序、應(yīng)答時(shí)序等子程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而對(duì)加速度計(jì)、陀螺儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

程序各個(gè)功能模塊之間相互依存，相互配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡形變的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

本文完成了系統(tǒng)模塊和整體的調(diào)試。實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡形變量準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示與報(bào)警，從而可以預(yù)見地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，采取及時(shí)有效的措施來(lái)減低其危害。

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