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

(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(jì)

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(xiǎn)救災(zāi)人員提供堰塞湖潰壩應(yīng)急預(yù)警保護(hù)，設(shè)計(jì)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(wú)線傳輸模塊作為節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)采集傳輸；由無(wú)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(chǎng)應(yīng)急預(yù)警終端機(jī)來(lái)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(shí)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(guó)是一個(gè)地震、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家。而地震、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害通常會(huì)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(duì)下游民眾財(cái)產(chǎn)和安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅外，對(duì)河流生態(tài)、自然環(huán)境、人類社會(huì)等多方面的影響也是巨大的，這種影響從時(shí)間上看是十分漫長(zhǎng)的[1]。

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

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)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(gè)，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(wú)線采集傳輸模塊組成；第二部分是現(xiàn)場(chǎng)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(cè)對(duì)象

在堰塞湖庫(kù)容曲線一定的情況下，決定堰塞湖潰壩風(fēng)險(xiǎn)的主要外動(dòng)力因素是上游來(lái)水量的大小[3]。其主要來(lái)源為徑流量較大的河道，在此稱之為入湖流量，可通過(guò)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(lái)計(jì)算得出。假設(shè)河道寬度為定值B(m)，利用水位傳感器可測(cè)得河水深度為h(m)，流速傳感器測(cè)得的河水流速為v(m/s)，則河道徑流量可按公式(計(jì)算得出。同理可以計(jì)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(lái)自水的壓力超過(guò)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(jì)堰塞湖潰壩時(shí)的水位。因此，系統(tǒng)通過(guò)水位傳感器來(lái)實(shí)時(shí)獲取水位信息，根據(jù)水位的變化趨勢(shì)來(lái)預(yù)估堰塞湖水位達(dá)到潰壩水位的時(shí)間。

堰塞湖所屬流域內(nèi)的降雨量的大小對(duì)堰塞壩的安全性有很大的影響，一方面降雨量的大小將對(duì)堰塞湖水位和上游來(lái)水造成直接影響，另一方面降雨也會(huì)給搶險(xiǎn)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(gè)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(diǎn)通過(guò)降雨量傳感器進(jìn)行降雨量數(shù)據(jù)采集。

(二)無(wú)線采集傳輸模塊

無(wú)線采集傳輸模塊由相應(yīng)的傳感器和無(wú)線傳輸模塊組成。無(wú)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(duì)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(wú)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(hào)并以無(wú)線短傳的方式將數(shù)據(jù)傳送到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急預(yù)警終端。

(三)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急預(yù)警終端簡(jiǎn)述

控制點(diǎn)是整個(gè)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的重要責(zé)任。一方面，面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并通過(guò)預(yù)警模型對(duì)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(chǎng)救災(zāi)的指揮人員，以啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案；另一方面，現(xiàn)場(chǎng)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(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

三、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急預(yù)警硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)模塊、無(wú)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(diǎn)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(chǔ)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(duì)數(shù)據(jù)分析和管理等任務(wù)?，F(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)應(yīng)急預(yù)警終端硬件架構(gòu)框圖

(一)電源模塊設(shè)計(jì)

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(shí)可以搭配太陽(yáng)能板以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)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(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)內(nèi)部需要存儲(chǔ)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(jì)了容量大、數(shù)據(jù)讀寫速度快的SD卡存儲(chǔ)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(duì)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(dòng)電路如圖4所示。

圖4 SD卡驅(qū)動(dòng)電路

(三)433MHz無(wú)線通信模塊接口電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)安裝在野外，傳感器與現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。433MHz頻率傳輸有起獨(dú)到的特點(diǎn)，李快快等[5]指出433MHz工作頻段相對(duì)比較干凈，工作頻率較低，繞射性能好傳輸時(shí)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(wú)線通訊。

CC1101作為一款第成本的1GHz以下的無(wú)線收發(fā)器，常用于低功耗無(wú)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(zhǎng)度協(xié)議和可變數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度協(xié)議,兩者可用于發(fā)送最長(zhǎng)為255字節(jié)的數(shù)據(jù)包。對(duì)于超過(guò)255字節(jié)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包,可以使用無(wú)限長(zhǎng)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(jì)

基于STM32的地震堰塞湖應(yīng)急預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主程序流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后首先對(duì)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(cè)參數(shù)配置標(biāo)識(shí)，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(shí)發(fā)送召測(cè)命令到無(wú)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，判斷對(duì)應(yīng)的參數(shù)是否超過(guò)預(yù)警閾值，若超過(guò)閾值則啟動(dòng)報(bào)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(cè)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(yǔ)

本文采用基于嵌入式技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一套針對(duì)堰塞湖潰壩或漫頂?shù)鹊膽?yīng)急預(yù)警系統(tǒng)。主要對(duì)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(jì)。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和無(wú)線通信，當(dāng)相關(guān)參數(shù)超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)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(shí)例分析[J]. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)(工程科學(xué)版),2010,(05):44-51.

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

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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