基于北斗通信的邊坡位移數據監控系統設計

摘 要：近年來，突發性的山體滑坡、泥石流等自然災害現象不斷發生，如何高效地預防，是人們需要迫切解決的問題之一。文中利用先進電子技術，提出了一種基于單片機+北斗導航模塊的邊坡位移數據采集系統。系統中，位移傳感器將采集到的數據上發送給單片機進行處理，然后通過北斗模塊的短報文功能，上傳到監控中心，實現了偏遠無人值守地區邊坡位置的實施監控。通過實地模擬測試，系統運行穩定，系統誤差在可控范圍內。

關鍵詞：STM32;位移傳感器;北斗導航;數據采集

中圖分類號：U121

1 緒論

隨著人們生活水平的提高，電子技術的發展，使得單片機技術的應用越來越廣，另一方面，近幾年來，隨著突發性的自然災害的不斷發生，如何將電子技術應用到預防和治理災害中來，是目前研究的主要課題之一，對于那些偏遠的網絡不發達地區的監控顯得尤為重要，目前的監測體系大多采用人工收集方式，這樣存在著數據采集不及時，浪費大量人力資源的弊端，文中采用了單片機和北斗導航等模塊設計了遠程監控系統，可以獲取實時動態監測數據，即可以解決偏遠地區的通信障礙問題，又節省了大量的人力，大大提高了信息采集的實時性和可靠性。

2 系統設計

2.1 系統的總體方案

基于STM32的邊坡位移數據監控系統主要由數據采集、數據通信、數據監控三大模塊組成，系統的總體框圖如下圖所示：

數據采集模塊位于現場，由其中的單片機控制位置傳感器實時采集邊坡的位移信息，數據通信模塊，考慮到偏遠地區的網絡不發達，數據通信模塊采用了北斗導航模塊的短報文功能，將采集到的數據以短報文的形式發送給數據監控端，數據監控模塊利用C#語言編寫，實時顯示位置信息，有效預防山體滑坡等自然災害現象。

2.2 數據采集模塊

數據采集模塊主要由單片機STM32F103RCT6作為控制芯片，控制位移傳感器陣列采集位移數據，系統采用太陽能供電，電源部分由太陽能電池板和電源管理模塊組成，數據采集模塊的框圖如圖2所示。

2.2.1 STM32F103RCT6主控芯片

STM32F103RCT6是一種嵌入式-微控制器的集成電路（IC），芯體尺寸是32位，速度可達72MHz，程序存儲器類型是FLASH，容量為256KB，，RAM容量是48K，電壓-電源（Vcc/Vdd）是2V～3.6V，共有3個USART和2個UART串口，51個通用IO口，2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、2個DMA控制器（共12個通道）、3個SPI、2個IIC，完全符合系統中的功能要求。

2.2.2 位移傳感器

位移傳感器采用MPS-S系列傳感器，這類傳感器也可以被稱為拉線尺、拉繩尺或者拉線編碼器等，集成了直線位移傳感器的結構，集合了角度傳感器和直線位移傳感器的有點，是一款結構緊湊，測量精度高、測量行程長、便于安裝的傳感器，行程程選擇空間從50-1300mm不等，具有模擬電流信號：4-20MA，模擬電壓信號0-5V、0-10V和脈沖信號P：A、B、Z相數字輸出。

2.2.3 供電模塊

由于偏遠地區經濟不發達，電力系統不完善，另一方面從環保節源的角度出發，設計中采用了太陽能蓄電池供電方式，為數據采集、數據通信模塊供電，即環保又節能。

2.3 數據通信模塊

數據通信模塊采用的是集北斗一代、北斗二代和GPS一體的FB3511，可以、使用方便，兼容接收RDSS、RNSS/GPS衛星導航信號，FB3511采用一體模塊設計，具有體積小、功耗低，使用簡便實現機動載體的實時高精度定位、測速等功能。

FB3511與STM32F103RCT6的主要接口有RDSS、RNSS、SIM卡、電源等幾部分，這幾個接口的主要定義：

（1）北斗一代RDSS串行接口：接口支持短報文的收發，默認的輸出的TTL電平是3.3V，串口的波特率為115200bps。

（2）北斗二代RNSS串行接口：默認輸出電平同RDSS，也是3.3V的TTL電平，串口的波特率為9600bps。

（3）SIM卡接口：此款北斗模塊自帶了SIM卡槽，可將SIM卡非常方便的插入。

（4）電源接口：FB511具有12V和5V兩種直流電源引腳，數量總共為9個，并有7個接地的引腳，系統中將采用的12V的直流電源，利用了5個引腳并聯。

STM32F103RCT6的兩個串口UART0、UATR1分別接FB3511模塊的RDSS和RNSS接口，連接電路如圖3所示，接口電路如圖4所示，主控芯片STM32F103RCT6通過對兩個串口的設置，可實時讀取監測點的精確的定位信息，并且經FB3511的短報文方式上傳到監控端。

3 測試

最后，系統在龍頭河進行了模擬測試，將上位機和下位機同時進行測試，結果表明，系統測試穩定，采集的數據的誤差在可控的范圍內，系統具有良好的預測邊坡位置的功能。測試中部分數據如圖6所示：

4 結論

基于單片機和北斗衛星導航模塊設計開發了一套監測偏遠地區的邊坡位移數據監控系統，采用了太陽能蓄電池方式供電，有效預防了威脅人民生命和財產安全，影響正常的生產和生活的山體滑坡等自然災害的產生，又起到了環境保護的功能，具有經濟高效的特點，將會在公路工程建設和維護中發揮越來越重要的作用。

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基金項目：廊坊市科技局項目（2018011018）

作者簡介：戴永成（1974-），男，實驗師，2011年碩士畢業于河北工業大學電子與通信工程專業，現主要從事計算機通信與控制方面教學、科研工作。