盤山公路邊坡巖體穩定性實時監測系統

樊 成 周鳳星

(武漢科技大學冶金自動化與檢測技術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公路的必然形式。近年來，地震、泥石流等自然災害頻發，山坡的穩定性監測對于保護盤山公路運輸安全至關重要。然而，在許多盤山公路路邊山坡都沒有設置巖體穩定性監測設備，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測數據，一旦山坡巖體出現不穩定因素，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安全。本文設計的用于盤山公路的山坡巖體穩定性實時監測系統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，控制聲發射傳感器和計數器等周邊電路采集巖體形變信號，并通過GPRS 無線傳輸技術將監測信號實時傳送至監控中心，為路政部門維護保養提供理論依據。

1 巖體穩定性監測原理

聲發射是材料中局部區域應力集中，快速釋放能量并產生瞬態彈性波的物理現象，有時也稱為應力波發射，檢測材料的聲發射現象是常見的無損檢測方法之一。目前聲發射的表征參數基本是通過處理聲發射傳感器輸出的波形得到的，這些參數主要有聲發射事件與振鈴計數率和總數、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。在實際監測中，聲發射傳感器采集的聲發射信號經放大和濾波處理后，進入兩路電壓比較器，與設定的閾值電壓值進行比較判斷，然后在單位時間內經計數芯片的計數，得到大事件率和總事件率，分別反映單位時間內需要監測的聲發射事件的大事件和總事件的個數。聲發射能率反映聲發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射能量成正比例的量(無量綱)［2］。通過對巖體聲發射信號在單位時間內的事件數及總能率的變化情況進行研究，映射巖體的振動狀態，進而預測巖體穩定性［3］。

2 監測系統架構

監測系統主要由監測終端和監控中心的上位機服務器組成。監測終端主要包括聲發射傳感器、數據采集電路、控制器、數據存儲模塊、GPRS 數據傳輸模塊、電源模塊六部分。監控中心部分的設計是基于Web網絡技術，采用接入移動網絡的服務器接收終端發回的數據，上位機訪問服務器的方式獲得數據。監測系統架構如圖1 所示。

圖1 系統總體架構圖Fig.1 Architecture of the system

監控中心上位機連接到服務器，通過GPRS 網絡發送指令給監測終端，完成監測終端系統初始化。系統初始化后，采集的聲發射信號經前置放大和濾波處理后得到波形信號，在控制器的控制下，在監測周期5 min內，經過數據采集電路處理后存入數據存儲模塊，同時由GPRS 數據傳輸模塊將數據發至監控中心的服務器。

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

3 監測終端硬件設計

3.1 終端硬件系統原理

硬件系統原理圖如圖2 所示。該設計采用的控制器STM32F205RE 是基于工作頻率高達120 MHz 的高性能ARM Cortex-M3 32 位RISC 內核。產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。豐富的接口為該監測儀的設計和日后的升級完善工作提供了極大的便利，使本設計中的閾值、監測點編碼等能夠便利地調整。同時，該控制器的低功耗特點為野外場所的光伏產品供電系統的設計提供了便利。

圖2 硬件系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of hardware system

監測終端工作環境惡劣，長期無人維護，這對系統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。兩個看門狗設備可用來檢測和解決由軟件錯誤引起的故障。當計數器達到給定的超時值時，觸發一個中斷或產生系統復位。為了保證更高的可靠性，在設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。

根據巖體聲發射的特性，傳感器采用聲華公司設計的內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境下的巖體聲發射信號的采集，其靈敏度足以將微小的巖體形變釋放的聲發射信號采集下來。SR10 的工作原理是內部晶體組件受力產生變形，其表面出現電荷，而在電場的作用下，芯片發生彈性變形而產生壓電效應。這種壓電效應，將聲發射波所引起的被檢件表面振動轉換成電壓信號。

由于監測終端工作環境惡劣、溫度變化范圍寬和長期無人值守、無法定期校時等特點，為了獲得數據采集的精確時間，終端采用了內置晶振及數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，實現了常溫及寬溫范圍內不需用戶干預，全自動、全電源環境補償的高精度、高可靠計時功能。

存儲單元由4 片EEPROM 芯片AT24C512 級聯構成，可提供2 Mb 的存儲空間，供系統存儲大事件、總事件和能率3 個參數，避免網絡不穩定等因素造成的數據丟失。同時，大容量SD 卡用于存儲經過A/D 轉換后的聲發射信號的波形數據，供監測人員調閱研究。EEPROM 級聯電路圖和SD 卡電路圖如圖3 所示。

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

3.2 數據采集單元的實現

傳感器所采集的聲發射信號經過數據采集單元處理，得到的各數字量傳遞給控制器STM32。數據采集單元如圖4 所示。

圖4 數據采集單元Fig.4 The data acquisition unit

數據采集單元主要由濾波器、放大器、電壓跟隨器、A/D 轉換器、電壓比較器、電壓平方器、壓頻轉換器和計數器等器件組成。其中，濾波器采用高集成度通用有源濾波器UAF42。它具有設計方便的特點，只需改變UAF42 芯片的外接電阻和電容的參數和連接方式，就可以輕松構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，設計人員只需要根據電路的設計要求輸入參數，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 為芯片內部電容。這里R 設置了5 個參數供選擇，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 通信模塊的設計

GPRS 模塊選用SIEMENS MC75i GPRS 工業通信模塊。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境下工作。同時，該模塊內部嵌有TCP/IP 協議棧，STM32 可以直接使用AT 指令集控制模塊，將UART 串口上的數據轉換成TCP/IP 數據包進行網絡傳送，用戶不需涉及底層傳輸協議，便于程序設計。GPRS 模塊通過與移動基站通信連入移動網絡，再通過移動網絡網關連入互聯網。這里為了保證監測數據的實時性，監測終端的采樣計數周期設置為5 min，保證了監測過程的連貫性。此外，GPRS 模塊不會由于長期不發送數據而自動下線。

4 監測系統軟件設計

監測終端程序由C 語言編寫完成，主要包括STM32 系統初始化、數據采集過程的控制、數據存儲和讀取過程的控制(包括EEPROM 和SD 卡的讀寫控制)、GPRS 模塊發送數據的控制。整個數據采集過程中，STM32 主要通過控制Intel8254 計數器計數得到大事件率、總事件率、能率3 個巖體聲發射信號參數;同時，通過控制AD976A 芯片進行模數轉換，將聲發射原始波形信號轉化為可存儲的數字信號。數據存儲過程中，控制器分別對EEPROM 和SD 卡進行讀寫操作，實現采集數據的存儲和讀取。GPRS 數據傳輸過程中，STM32 控制器控制GPRS 模塊與上位機建立聯系，連接成功則發送數據，連接不成功則繼續嘗試連接。當GPRS 模塊受到網絡不穩定等因素干擾，數據未成功發送時，控制器從EEPROM 中讀取數據，并控制GPRS模塊重新發送數據。程序流程圖如圖7 所示。

上位機軟件采用Java 編程語言開發，通過Eclipse開發平臺進行編譯。上位機軟件設計的主要思想是創建一個基于TCP/IP 協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 等傳輸層協議之上的套接字規范，是進行TCP/IP 網絡通信程序設計的關鍵應用技術。它屏蔽了網絡通信的細節，可以為用戶直接提供應用程序與網絡之間的標準接口，極大地簡化了網絡編程。程序首先通過TCP 函數實現Socket 通信，然后對接收到的聲發射監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 監測終端程序流程圖Fig.7 Flowchart of the program of monitoring terminal

5 結束語

盤山公路山坡巖體穩定性實時監測系統，實現了數據實時采集、存儲發送和實時監控，通過參數調節，可適應不同巖體，性能穩定，可靠性高，實時監測頻率高，可以得到準確的實時監測效果。同時，高可靠性的設計、太陽能電池板和大容量鋰電池的應用可以實現長期免維護實時監測，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導致的安全事故。

［1］ 高保彬，李回貴，王曉蕾，等.基于小波包變換的不同強度煤樣的聲發射特性［J］.煤田地質與勘探，2013(6):21 -23.

［2］ 姚強嶺，李學華，何利輝，等.單軸壓縮下含水砂巖強度損傷及聲發射特征［J］.采礦與安全工程學報，2013(5):44 -47.

［3］ 鄧飛，羅福友，胡龍飛，等. 水對巖石物理性質及聲發射特征影響研究現狀［J］.采礦技術，2013(6):27 -28，31.

［4］ 顏良，陳儒軍，劉石.基于UAF42 通用濾波芯片的50Hz 陷波器設計［J］.儀器儀表學報，2006(8):30 -33.

［5］ 徐迎曉. Java 語法及網絡應用設計［M］. 北京:清華大學出版社，2002.