山體滑坡遙測預警系統的設計與實現

侯 群， 俞夏琴

（江漢大學 物理與信息工程學院，湖北 武漢 430056）

0 引言

由于山體長年的自然風化及諸多綜合復雜因素的影響，致使山體滑坡造成的自然災害有時危及國家財產及人民生命的安全。尤其在江河庫區所在的山城、山鎮，商貿繁榮，人口密集，危害更甚。為此國家防災減災辦及地質部門進行過自然災害的地質普查，并對重點地區采取有力措施進行整治。整治方案一般采用排水工程，支檔工程與護坡工程相結合的方法綜合治理。但整治后的滑坡體，仍需長年監測。本文是介紹某庫區滑坡體經過整治后的遙測預警系統的設計與實現。

該庫區滑坡體的治理主要是采用抗滑樁加錨索的支檔工程。因此，除了進行滑坡體深層滑坡面位移監測外，還必須進行抗滑樁壓力監測，及錨索預應力動態監測。其中監測設備在整治過程中已預埋好。

1 遙測預警系統的主要功能

1.1 自動數據采集

自動數據采集分以下3種：

① 1路抗滑樁壓力采集；

② 1路錨索預壓力采集；

③ 2路深層位移量采集。

1.2 數據的傳輸與通訊

將采集的數據及其有關信息通過現有中國移動的“GPRS”平臺，傳輸至指揮中心，或防災減災辦公室。

1.3 數據的接收與處理

指揮中心或防災減災辦公室通過上位機系統，接受來自現場的實時數據及有關信息，并顯示預警信號及報警。通過專家分析，對預警信息采取有關措施，避免災害的發生，盡量減少人民生命財產的損失。

2 遙測預警系統原理及組成

2.1 系統的組成原理

本系統是利用 MCS-51單片機，通過位移、壓力等傳感器采集的信號，經過模數轉換，將信息傳送到 GPRS移動通信的基站。GPRS是在現有的GSM系統上發展而來的一種新的分組數據承載業務-GPRS移動網絡，它通過移動網關實現GPRS無線網絡與INTERNET網互聯。GPRS移動網絡將數據或信息通過網關傳輸到互聯網，而后基于IP協議,通過路由將數據包直接傳送到指定 IP的網絡服務器。網絡服務器接收到信息后及時顯示且將數據貯存到指定的數據庫文件中。GPRS網絡傳輸速率高，系統在很短的時間內(幾秒至數十秒,根據信道情況)就可以完成數據的采集與信息的傳輸任務。

2.2 系統設計框圖

基于 GPRS的數據采集及通信系統的組成，分為前端機和服務器兩部份。圖1是前端機系統框圖。圖2是基于GPRS的通信系統圖。

圖1 前端機系統框

圖2 基于GPRS通信系統

3 基于GPRS的通信實現

該系統利用單片機通過串口對GPRS模塊進行收發控制，借用現有的GPRS無線移動網絡實現。

3.1 GPRS網的數據傳輸

GPRS是在GSM的基礎上引入了分組控制單元(PCU)、服務支持節點(SGSN)和網關支持節點(GGSN)等新部件而構成的無線數據傳輸系統，其用戶能夠在端到端分組方式下發送和接收數據。具體的數據傳輸流程為：

① GPRS終端通過接口從客戶系統中取出用戶數據；

② 處理后以 GPRS分組數據的形式發送到 GSM基站(BSS)；

③ 分組數據經SGSN封裝后，發送到GPRS IP骨干網；

④ 若分組數據是發送到另一GPRS終端，則先發送到目的SGSN，再經BSS發送到CPBS終端；若分組數據是發送到外部網絡(如因特網)，則將分組數據包經 GGSN進行協議轉換后，發送到外部網絡[1]。

3.2 GPRS終端的工作原理及硬件實現

基于GPRS的終端系統設計框圖如圖3所示，各部分的工作原理如下：

圖3 GPRS終端實現

（1）控制模塊

控制模塊的作用主要有：

控制模塊通過AT指令初始化GPRS無線模塊，使之附著在GPRS網上，獲得網絡運營商動態分配給GPRS終端的IP地址，并與目的終端或服務器之間建立連接；

控制模塊通過RS232串口向客戶系統收發數據或指令；控制模塊通過RS232串口向TCP／IP模塊收發數據；控制模塊自主或根據遠程控制指令采取其他操作[2]。

（2）TCP／IP模塊

TCP／IP模塊通過RS232串口與GPRS無線模塊通信，提供非透明和透明兩路通道。對應地，該模塊有兩種傳輸模式：透明模式和非透明模式。通過軟件切換，模塊在處于不同的傳輸模式時，數據流向也不同。當傳送 AT指令集時，模塊進入透明模式，可以直接訪問 GPRS無線模塊；當模塊進人非透明傳輸方式時，用戶數據從串口進入TCP／IP模塊后，先打成TCP／IP包，再經串口發送給GPRS模塊；GPRS無線模塊把其封裝成GPRS分組數據包傳到GPRS網上。TCP／IP模塊由基于單片機8052的嵌入式系統實現。

3.3 系統通信的實現

建立系統通信的主要部件及其實現過程簡要說明如下：

① MCS-51系列單片機；

② GPRS模塊。本文以利事達信息技術有限公司開發的GPRS模塊LT8030為例。采用標準的RS232 接口，用戶可以通過單片機或其他CPU的UART口，使用相應的AT命令對模塊進行控制，達到使輕松進入GPRS網絡的目的；

③ 服務器。建立SOCKET連接必須具有公網的IP地址，故應保證服務器中心計算機連接到因特網并且取得公網IP地址。在單片機對GPRS模塊控制之前，服務器端需運行SOCKET端口監聽程序，并且設為監聽狀態，端口號也要設定，例如port：1024；

④ 復用P1.2和P1.3，也就是串口1分別和GPRS模塊的TXD0和RXD0連接，通過軟件置位完成對LT8030的初始化和控制GPRS模塊的收發數據[3]。

4 上位機硬件系統設計

上位機系統數據的采集與發送, 主要由傳感器,51單片機,模數轉換芯片及GPRS模塊等組成。下面分別對系統的主要硬件加以介紹。

4.1 單片機AT89C52的結構和功能介紹

AT89C52單片機是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含 8 kbytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（EPROM）和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用美國ATMEL公司的高密度、不易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內置功能強大的微型計算機的AT89C52提供了高性價比的解決方案。AT89C52是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口，AT89C52可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程[4]。

4.2 AD574模數轉換芯片功能介紹

AD574是帶有12位A/D轉換器以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉換器，是一種速度較快、精度較高的轉換器，其轉換時間大約25微秒。片內有三態輸出緩沖器, 故與單片機接口連接簡單。引腳CS、CE、R/C分別是片選、片使能、數據讀/啟動信號,A0和12/8信號用于控制一次輸出數據的長度。無論是啟動、 轉換還是結果輸出,都要保證CE端為高電平,故89C52的WR、RD端通過與非門與AD574的CE端相連。轉換結果為高8位,低4位與P0口相連, 故12/8端接地。CS、A0、R/C在讀取轉換結果時應保持相應的電平, 故用74LS373鎖存后接入。STS為轉換標志信號,可作為結果輸出時的中斷請求或查詢信號。當CE=1,CS=0時啟動轉換,在啟動信號有效前,R/C必須保持低電平。

4.3 GPRS 模塊

本設計中所采用的是LT8030 GPRS IP Modem 。LT8030基于SIEMENS 的MC35 GPRS模塊，并且內嵌了完整的TCP/IP協議，為用戶提供更簡單的網絡接口。單片機與GPRS模塊一般采用串行異步通信接口，通信速度可設定，通常為9.6 kb/s。采用RS232電纜方式進行連接時，數據傳輸的可靠性較好。單片機通過電平轉換電路與GPRS模塊連接，電路比較簡單，電路原理圖如圖4所示。所涉及的芯片MAX232用于串行通信接口與232通信接口之間的電平轉換[5]。

圖4 單片機與GPRS模擬連接的電路原理

MAX232的T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT為接TTL/CMOS電平的引腳；T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN為接RS232電平的引腳。TTL/CMOS電平的T1IN、T2IN引腳應接AT89C52的串行發送引腳TXD；R1OUT、R2OUT應接AT89C52的串行接收引腳RXD。與之對應，RS232電平的T1OUT、T2OUT應接GPRS模塊的接收端RXD；R1IN、R2IN應接GPRS模塊的發送端TXD[6]。

現選用其中一路發送/接收,R1OUT接AT89C52的RXD，T1IN接AT89C52的TXD,T1OUT接GPRS模塊的RXD, R1IN接GPRS模塊的發送端TXD。因為MAX232具有驅動能力，所以不需要外加驅動電路。

4.4 傳感器選型

（1）滑坡帶位移監測傳感器

鉆孔監測是位移監測中的重要監測項目，深孔測斜可以提供系統的連續監測數據，它不僅能連續準確地測到滑坡滑動面的位置，而且可以測到土體一定時間的向位位置，我們選定在一定深度安裝WQV36-10型測斜傳感器，完成深層位移實時監測。

（2）抗滑樁壓力傳感器

為了解滑坡體傳感器遞給支檔工程的壓力，我們選用TXR型鋼玄式土壓力傳感器，(激勵后的脈沖信號送入89C52的 INT0),安放在抗滑樁群的一定的深度,以監測抗滑樁在完全受力后，初期和基本穩定期的應力變化。

（3）預應力錨索的監測

為了解預應力動態變化和錨索長期工作的性能，我們選用GEOKO4900型鋼玄式錨索測力計安裝于錨索張拉部及尾部。(激勵后的脈沖信號送入89C52的INT1)

本系統的前端機的軟件設計采用C51編程，服務器軟件采用 C+ +6.0作為開發平臺，使用流式套接字，利用WINSOCK API進行網絡編程。數據庫是采用微軟的Access。

5 結語

基于GPRS的數據采集和通信系統的實現，是利用傳感器采集模擬量,通過模數轉換器將模擬量轉化為數字信息，即二進制數據，同時將數據貯存到單片機中。通過單片機通信串口傳輸給GPRS模塊。單片機通過AT指令初始化GPRS無線模塊，使之附著在GPRS網上，獲得網絡運營商動態分配給GPRS終端的IP地址，并與目的終端或服務器之間建立連接，實現無線數據通信。其理論可靠，具有廣泛的應用前景。

[1] 韓斌杰.GPRS原理及其網絡優化[M].北京:機械工業出版社,2003:87.

[2] 李華.現代移動通信新技術- GPRS系統[M].廣州:廣州華南大學出版社,2001:104.

[3] 陳光軍．數據通信技術與應用(修訂版)[M].北京:北京郵電大學出版社,2008:134.

[4] 馬忠梅,籍順心,張凱,等.單片機的C語言應用程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007:150.

[5] 毛昕蓉.基于GPRS技術的配電自動化系統通信解決方案[J].通信技術,2008,41(05):164-166.

[6] 梁松,梁艷,陳繼努.基于GPRS的智能公交系統通信平臺的實現[J].通信技術,2007,40(10):56-58.