基于物聯網技術的自動化地質檢測器

楊曉娟 何小玲 譚丹

摘要：本文提出將物聯網及自動化技術應用于地質測量、災害預警當中。針對低功耗、高運算速度的要求選擇STM32F103C8作為微控制器，使用SIM800作為通信模塊，并使用北斗和震動監測模塊作為傳感器。在軟件部分，按功能劃分出通信、測量等模塊，以操作系統為基礎，構架出檢測器的軟件。

關鍵詞：地質監測;物聯網;自動化設計

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-0258-02

1引言

我國地質條件復雜，存在地質災害隱患的地點較多，因此需要長期進行地質監測。傳統地質監測災害監測主要是依靠全站儀等設備，需要有人值守，在時效性以及覆蓋率上遠不及自動化地質監測設備。

隨著物聯網技術的發展，尤其是無線蜂窩通信技術的普及，地質監測的發展呈現出無人化、自動化趨勢，且監測實時性極大提高。本設設計基于物聯網的自動地質監測器，該設備可用于監控地質高危區域的地面變形以及震動情況。

2硬件設計

根據設計要求，監測器需要具備如下模塊。

微型控制器，用于設備上的數據計算以及邏輯控制，由于該控制器處于中心控制地位，需要處理每個模塊的信息，因此需要具備一定的數據處理能力，同時該設備需要長時間依靠電池工作，因此需要具備低功耗能力。STM32F103C8單片機由于具有最高72MHz運算頻率，64KSRAM，因此可滿足高速數據處理要求。該單片機可工作在睡眠、停機和待機模式最低功耗可低至2uA以下。因此該單片機滿足設計要求。

通信模塊，通過無線網絡向預警人員發送數據。通信可選擇無線蜂窩通信和衛星通信兩種方式，前者優勢在于成本低，通信可靠度高，后者優勢在于信號盲區少。由于我國無線蜂窩網絡覆蓋度高達92%以上，綜合成本、性能兩方面考慮，使用SIM800無線蜂窩網絡通信模塊。

定位模塊，用于測定設備安置點的絕對地理位置。定位模塊選擇基于衛星系統的定位模塊，可選GPS系統或者北斗系統，GPS系統現階段建成度較高，因此精度高成本相對高，北斗系統暫時精度較低（2.5米），但成本低?？紤]到該設備投放量較大，處于易損環境，2.5米精度也能滿足需求，因此選擇北斗模塊作為定位測量模塊。

震動監測模塊，監測被測地點震動等級。震動監測模塊可監測到被檢測位置的運動狀態變化，甚至是震動狀態。

電源系統，對設備進行供電。由于該設備長期處于無人監管狀態，且布置地點分散較為廣泛，不便于架設供電線路，因此供電系統需要采用太陽能或者風能等具備離線自充電功能的能源。

上述子系統以STM32單片機為中心節點，各自分別與微控制器連接并通信。電源系統則對所有模塊供應電源。

3軟件系統

軟件系統按照設計任務可劃分為如下模塊：

1）通信模塊，發送實時數據測量結果以及接收遠端查詢要求。該軟件模塊在啟動初始化后將一直在后臺待命運行。

2）位置傳感器讀取模塊。本系統需要滿足低功耗要求，因此該軟件模塊啟動后間歇性運行。不運行時，該模塊控制位置定位系統進入低功耗休眠模式。該模塊運行時，將喚醒位置傳感器并采集一次位置數據，并計算當前位置與前幾次時刻位置差異，一旦監測到位置變化，就通知遠端服務器。

3）震動監測模塊，該模塊可通過觸發單片機的中斷功能運行。一旦該模塊被啟動運行則證明被測點有強烈運動。應立即告警遠端服務器。

由于軟件系統由多個模塊構成，為了降低軟件系統的開發難度，增加模塊化程度，提升系統整體穩定性，因此使用操作系統作為底層支持軟件。STM32單片機支持的操作系統有FreeOs、UcOs、UcLinux等。其中UcOs由于具備豐富的API、完善的開發資料，F1JAsH及內存需求量相對少等特點，因此使用該操作系統作為平臺。

n的取值需合理，太大則會導致系統靈敏度過低，從而使得測量點位移警報測量延遲過大，太小則導致濾波效果降低，從而誤觸發警報。實際測量n=30較為合理。

為進一步提高系統靈敏度，可改變測量策略，一旦監測到PE有明顯變化，則連續不停測量位置數據30次以上，以確認位置變化。