基于北斗短報文的泥石流監測預警系統

吳 悅，任 濤，王 璇

（中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，保定071051）

對于泥石流災害的監測[1]在我國地質災害監測預警工程中占有非常重要的地位，因為近年來這類災害爆發頻率高、造成危害大，給國家和人民群眾的生命財產帶來重大的損失，例如2010年甘南舟曲的特大泥石流災害、2012年甘肅岷縣特大冰雹山洪泥石流災害；在泥石流災害監測中，對于泥石流物源區的監測是至關重要的，可以為早期預警提供較長的時間，但是物源區通常位于深山部位，手機網絡無法覆蓋，這樣監測數據就無法實時傳輸到監控中心，給早期預警工作造成了很大的困擾。北斗系統是國家大力發展的戰略性產業[2]，除了定位、授時等功能外，還可以發送短報文，目前在全國范圍內可以保證在任何地點、任何時間的無障礙雙向通信。

本文將北斗終端的通信功能與泥石流監測儀器相結合，采用實時采集與發送數據的方法以滿足地質災害監測預警的需要。文中以泥石流災害為研究對象，設計的監測預警系統，實時采集雨量、泥水位、地聲等數據，通過北斗短報文發送到遠程的監控中心，根據獲得的數據分析結果，為泥石流早期預警工作創造了有利條件[3]。

1 系統設計

本系統主要由傳感器、采集傳輸儀和監控中心軟件組成，結構如圖1所示。傳感器主要采集雨量、地聲、泥水位三類變量；采集傳輸儀分為2個部分，由數據采集板和北斗終端組成；監控中心服務器控制軟件采用C/S模式設計，用于顯示、存儲監測的數據和下發控制命令，主要實現了針對不同類型地質災害監測信息的采集與存儲等重要功能。

圖1 系統總體框圖Fig.1 Overall frame of the system

1.1 數據采集板

由16位超低功耗PIC嵌入式處理器PIC24F16 KA102、24位模數轉換器ADS1256、電源控制模塊等核心模塊組成，數據采集板原理如圖2所示。

圖2 數據采集板框圖Fig.2 Overall frame of the data acquisition board

PIC24F16KA102屬于Microchip的超低功耗16位單片機系列產品線，具有豐富的外設功能部件和增強的計算性能，此外還具有一系列能在工作時顯著降低功耗的功能，主要包含動態時鐘切換、打盹模式工作、基于指令的節能模式等，屬于超低功耗器件，工作電壓范圍為1.8 V～3.6 V。ADS1256是一種24位Δ-ΣADC，為TI工業級產品，內部集成有輸入多路復用器、輸入緩沖器、可編程增益放大器。

儀器系統選取直流12 V做為主電源，電源控制部分采用分區供電的設計指導思想，功能模塊工作時被供給電源，在其它時間徹底切斷電源以最大限度降低功耗[4]，整個系統受程序控制[5]，目前分為CPU電源、AD電源、5 V傳感器電源、12 V傳感器電源。CPU電源通過降壓模塊LTC3631由12 V降壓為3.3 V，最大輸出電流100 mA；AD電源通過低壓差線性穩壓器LP3878由12 V降壓為5 V，最大輸出電流800 mA；5 V傳感器電源通過降壓開關穩壓器LM2596S由12 V降壓為5 V，最大輸出3 A電流；12 V傳感器電源通過繼電器G6E-134P，直接從主電源獲取；這2個傳感器電源由處理器控制打開或關閉，為一些功耗較大的傳感器定時供電。

RS485是很多種智能傳感器的標準接口[6]，儀器上預留了一路這類接口，可以通過串聯的方式進行擴充。RS232接口用于連接北斗終端。為了進一步降低噪聲，增加抗干擾性，電路板設計為四層板，電源層和地層放置在板子中間，把模擬器件和數字器件分別放置在底層和頂層。

1.2 北斗終端

北斗終端由北斗衛星UM330模塊和電源、RS232電平轉換模塊構成，北斗衛星模塊UM330是基于多系統多頻率高性能SoC芯片（NebulasTM），采用單芯片接收機方案，同時支持BD1基帶以及BD2/GPS基帶和射頻，實現更高的集成度和更低的功耗，支持短報文收發。

1.3 采集傳輸儀工作模式

采集傳輸儀通常工作于低功耗模式，外部12 V電源通過LTC3631轉換為3.3 V為PIC24供電，儀器時鐘通常處于低頻率模式下，整機功耗控制在0.024 W以下，外部中斷與時鐘維持運行，當有外部事件發生或定時時間到，PIC24進行時鐘切換，把時鐘由內部31 kHz轉換為外部7 MHz，進入正常工作狀態，通過GPIO口導通繼電器為AD轉換器、通訊終端、外部有源傳感器、RS485模塊提供12 V和5 V電源，通過ADS1256采集8路電壓、電流類型數據，通過RS485采集智能儀器的數據，雨量數據通過外部中斷實時獲取。數據采集完畢后通過串口把數據傳輸到通訊終端，得到通訊終端發送成功的回復后，關斷繼電器，切換工作時鐘，自身重新進入低頻率模式，等待下一次；如果數據發送有錯誤且多處重發依然無效，則把數據暫存，進入低頻率模式，在下一個定時時間與新的采集數據一起發送。

1.4 監控中心軟件

監控中心軟件由C#+SQLServer組合開發完成，其中程序采用C#高級編程語言開發實現，數據存儲則采用SQLServer實現，由于SQLServer是網絡數據庫，允許并發的操作數據，這樣也為預警信息系統實時使用監測數據提供了統一的數據平臺，軟件組成結構如圖3所示。

圖3 軟件組成結構圖Fig.3 Structure of the Sofiware composition

整個系統的工作機制主要由三個響應過程組成：客戶端軟件通過配置與服務器軟件通信，再由服務器軟件響應客戶端事件請求；服務器軟件通過TCP Socket/SMS監控終端數據上傳并解析[7]，并能夠實現控制命令的下發；服務器軟件實現對終端數據的緩存，同時通過數據接口與SQLServer數據庫進行實時存儲和交互等，達到采集數據存儲和管理的目的。

通過在數據庫中保存終端ID與其相對應的協議類型的映射，在接收到采集終端的上行數據后首先解析出終端ID，再根據對應關系判斷終端所使用協議類型，最后分派給相對應的解析模塊處理。發送模塊工作原理相仿，先根據協議指定格式把要發送的命令數據前加上終端ID和協議類型的標識，然后發送給收發器完成發送任務。

2 泥石流災害監測指標

依據“崩塌、滑坡、泥石流監測規范”和“六類地質災害應急防治技術標準手冊”要求，泥石流監測預警系統主要選取了雨量、泥水位、地聲做為主要監測內容的技術指標，這3種參數主要代表了泥石流監測中的形成條件 （雨量代表了氣象水文條件）監測、運動特征（泥水位代表了動態要素、地聲振幅代表了動力要素）監測[8]。通過觀察以上類型的數據，可以比較完整地勾勒出災害體的當前形態，如果對長期積累的數據進行深入的比較與分析，再結合當地的地質調查情況，可以初步推斷出監測預警的臨界值，可以極大推動泥石流早期預警工作。

3 應用情況

基于北斗短報文的泥石流監測預警系統目前已經在“重要地質災害隱患監測示范（遼寧）”、“北京房山地災監測”等國家重大地質災害監測預警工程中得到大量應用，尤其在四川雅安地區發生的“4.20”廬山震后次生災害監測應急工作中發揮了重要的作用。

根據國土資源部“4.20”雅安地震指揮部的統一部署，對災區寶興縣冷木溝和教場溝泥石流進行了應急監測，部署了6套泥石流監測預警系統如圖4所示，實現了高海拔峽谷區無網絡信號情況下的泥石流地質災害監測。

圖4 現場布置Fig.4 Site layout

2013年5月23日16點10分，寶興縣城遭遇局地強降雨襲擊，17點05分，監控到洪峰越過原來的一號大壩沖向道路，且有瞬時加強的趨勢；17點25分，從降雨與泥水位變化曲線見圖5上分析，暴雨累計降雨量已達到63.5 mm，此時監測點Z2發出了報警信號，說明泥水位上升1 m后達到預定預警值，主溝上游形成的洪峰已經到達中游，有發生泥石流災害的跡象，寶興縣防災減災指揮部及時組織溝內開展應急搶險的四川省地礦局909隊150余名施工人員和60臺套大型機械設備以及可能受威脅的500余名群眾果斷撤離，避免了人員傷亡和財產損失。

圖5 降雨與泥水位變化曲線Fig.5 Relationship between rain and mud level

4 結語

基于北斗短報文的泥石流監測預警系統，依據國家頒布的泥石流監測預警規范與技術標準，選取了具有代表性的技術指標做為監測參數，通過北斗終端，以短報文的形式把數據實時傳輸到后方的監控中心，為泥石流監測早期預警工作奠定了基礎，在國家重大地質災害監測預警工程和應急監測工作中發揮了作用；使用北斗傳輸數據，相應的拓展了北斗系統的應用范圍，為北斗系統健康生態鏈的發展增加了重要的一環。

[1] 張樹成，江帆.六類地質災害應急防治技術標準手冊[M].北京：地質出版社，2010.

[2] 何樹權.北斗應用技術發展模式的思考[J].數字通信世界，2013（8）：28-30.

[3] 殷躍平，吳樹仁.滑坡監測預警與應急防治技術研究[M].北京：科學出版社，2012.

[4] 車健.嵌入式系統中低功耗設計[J].電子測量技術，2005（3）：16-18.

[5] 李云.專業嵌入式軟件開發[M].北京：電子工業出版社，2012.

[6] 張小貝，周鳳星.基于嵌入式控制器和RS485的智能家居系統[J].電子測量技術，2012（8）：62-65.

[7] 蘇賽，朱昭俊，段哲，黃浩.基于C#的TCP網絡通信的研究與應用[J].電腦編程技巧與維護，2013（4）：39-41.

[8] 中華人民共和國國土資源部.DZ/T0221-2006崩塌、滑坡、泥石流監測規范[S].北京：中國標準出版社，2006. ■