基于STM32 MCU和GSM的滑坡災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何彩霞，何來運(yùn)

(1.安徽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

滑坡是巖石或土壤受河流沖刷、地下水活動(dòng)、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素綜合影響，因?yàn)橹亓ψ饔茫仄旅嬲w向下滑動(dòng)的一種地質(zhì)災(zāi)害[1-3]。滑坡災(zāi)害主要發(fā)生在崎嶇、巖石破碎或多雨地區(qū)。滑坡具有突發(fā)性、難以預(yù)測的特點(diǎn)，在人們未做好充分準(zhǔn)備的情況下，很容易給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大的損失。因此對危險(xiǎn)區(qū)域的日記監(jiān)控的重要性越發(fā)突出。圖1為農(nóng)村地區(qū)發(fā)生的山體滑坡全景。

如果事件發(fā)生前能得到指示，及時(shí)向居民報(bào)告，對降低事件損失有很大的幫助[4]。滑坡災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)即對滑坡災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警，根據(jù)災(zāi)害發(fā)生的情況，緊急向主機(jī)系統(tǒng)發(fā)送精密測量數(shù)據(jù)。由于對災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)的了解不準(zhǔn)確，有必要利用分布式傳感節(jié)點(diǎn)對某一區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)盡量避免測量數(shù)據(jù)因傳感節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)冗余存儲而丟失。同時(shí)，由于傳感節(jié)點(diǎn)易損壞，造成功能停止，傳感節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)需具有自恢復(fù)功能。

圖1 農(nóng)村地區(qū)發(fā)生的山體滑坡全景

近年來，隨著信息技術(shù)的不斷應(yīng)用，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、儀器精度和監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)得到了很大的改進(jìn)[5-7]。但是，無論是滑坡工程監(jiān)測預(yù)報(bào)參數(shù)，還是山路路塹滑坡的特點(diǎn)和施工監(jiān)測預(yù)報(bào)工作，都存在很大的改進(jìn)空間。為了全面監(jiān)測山道路塹滑坡的施工情況，本文開發(fā)了一套采集單元控制軟件，評估雷暴、降雨、其他地質(zhì)和地貌性質(zhì)的局部控制因素和土地利用之間可能的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了多視角分析預(yù)測和多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)通信。

1 遠(yuǎn)程檢測控制系統(tǒng)

1.1 遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)測和降雨監(jiān)測系統(tǒng)的主要參數(shù)是基于地表裂縫的位移、地表傾斜、傾斜巖石和區(qū)域降雨[8-10]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過瀏覽器/服務(wù)器(B/S)模式數(shù)據(jù)服務(wù)，搭建了遠(yuǎn)程Web發(fā)布平臺，實(shí)現(xiàn)多用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享。借助GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)模塊的幫助,向監(jiān)控中心提供的信息被解析和處理后,數(shù)據(jù)將被存儲在數(shù)據(jù)庫，檢測到報(bào)警信息并向檢測系統(tǒng)報(bào)告。

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

基于STM32 MCU和GSM的硬件控制模塊如圖3所示，系統(tǒng)包含現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)異常報(bào)警、GSM通信模塊和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件。

圖3 基于STM32 MCU和GSM的開發(fā)板

(1)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊用于傳感器數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸出控制、數(shù)據(jù)存儲與顯示、GSM模塊驅(qū)動(dòng)與網(wǎng)絡(luò)連接、接收與處理GSM模塊上傳數(shù)據(jù)包等。

(2) GSM通信模塊是系統(tǒng)的通信模塊，負(fù)責(zé)網(wǎng)站采集單元與互聯(lián)網(wǎng)的連接，它是站點(diǎn)采集單元與Internet之間交換數(shù)據(jù)包的媒介。

(3)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控使用行業(yè)組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，這種編程方法可以大大減少軟件開發(fā)的工作量，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期。

2 采集單元的設(shè)計(jì)

采集單元結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、成本低，且具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性和軟件接口兼容性，滿足監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集、處理和存儲要求的同時(shí)支持24小時(shí)連續(xù)工作和無人值守。

圖4 采集單元結(jié)構(gòu)圖

2.1 滑坡數(shù)據(jù)獲取

采用SCAl00T傳感器，精度為±1°，測量范圍為+30°[11]。傳感器安裝在滑坡或巖石，設(shè)置安裝的初始值，將每個(gè)采集值與初始值進(jìn)行比較，得到監(jiān)測點(diǎn)的梯度變化。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與GSM移動(dòng)通信模塊相連，多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)可以向一個(gè)接收端發(fā)送數(shù)據(jù)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用動(dòng)態(tài)采集的方式傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔為3小時(shí)。當(dāng)變化超過±5°時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出警告，同時(shí)自動(dòng)將間隔時(shí)間調(diào)整為1 小時(shí)/次，若變化超出±2°，間隔時(shí)間調(diào)整為30分鐘/次，如果小于±2°，數(shù)據(jù)發(fā)送頻次為則為3小時(shí)/次。

2.2 雨量監(jiān)測

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用的拉繩位移傳感器是一種拉繩自動(dòng)位移傳感器。降雨監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用雙閥控水排水，保證了暴雨期間測量的準(zhǔn)確性和采集的便利性。雨量監(jiān)測可根據(jù)降雨量自動(dòng)調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，利用相對穩(wěn)定點(diǎn)的周圍滑坡相對位置的變化和滑坡監(jiān)測點(diǎn)的變化，得到各監(jiān)測點(diǎn)的相對位移。動(dòng)態(tài)采集模式監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與GSM移動(dòng)通信模塊連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

3 災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的開發(fā)

觀察山體滑坡過程的時(shí)間序列，發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度降低或降雨結(jié)束時(shí)發(fā)生山體滑坡概率更高。這些山體滑坡富含石塊和有機(jī)碎片，還伴有強(qiáng)烈的聲音和當(dāng)?shù)氐牡卣穑拖駱?gòu)造性質(zhì)的地震一樣，這些地震也會(huì)引發(fā)山體滑坡，應(yīng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)注意這些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

3.1 測量模式

本文中傳感節(jié)點(diǎn)采用基于隨機(jī)參數(shù)的不規(guī)則采樣時(shí)間間隔進(jìn)行測量。在測量數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較小的情況下，傳感節(jié)點(diǎn)采用較長的采樣間隔進(jìn)行測量。如果在測量數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度較大的跨越閾值時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)采用較短的采樣間隔進(jìn)行測量。圖5為測量模式下的數(shù)據(jù)流，Node2和Node3是中繼點(diǎn)節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)存儲自己的測量數(shù)據(jù)，并從其他節(jié)點(diǎn)臨時(shí)接收數(shù)據(jù)到自己的內(nèi)存中。測量數(shù)據(jù)通過本地網(wǎng)絡(luò)中的中繼點(diǎn)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)絅ode0，最后傳輸?shù)街鳈C(jī)系統(tǒng)。

圖5 測量模式下的數(shù)據(jù)流

3.2 監(jiān)控軟件的開發(fā)

本文以通用開發(fā)平臺和SQL Server2000數(shù)據(jù)庫為背景，開發(fā)多參數(shù)的滑坡災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)可以修改參數(shù)，包括工作區(qū)的設(shè)置、監(jiān)控、轉(zhuǎn)發(fā)、端口等，還可以設(shè)置參數(shù)操作權(quán)限。系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議，主監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲到后端數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，手動(dòng)傳輸模式可以防止數(shù)據(jù)丟失。

3.3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)圖形平臺

本系統(tǒng)提供了多種情況下的數(shù)據(jù)查詢，可以根據(jù)數(shù)據(jù)和監(jiān)測儀表號查詢相應(yīng)的降雨傾角、位移和監(jiān)測數(shù)據(jù)。對于傾斜、位移和降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以根據(jù)曲線的形狀繪制一天和多天的過程曲線，然后確定坡度變化與降雨量之間的關(guān)系。因此該系統(tǒng)可以確定局部降雨、坡度和位移的閾值。

為了保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)多用戶遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)和共享，采用Web技術(shù)，通過瀏覽器/服務(wù)器(B/S)模式構(gòu)建遠(yuǎn)程Web數(shù)據(jù)服務(wù)交付平臺。當(dāng)用戶訪問Web服務(wù)器上的數(shù)據(jù)時(shí)，遠(yuǎn)程收集的數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)顯示在Web頁面上，監(jiān)測任何有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方的滑坡狀況，滑坡災(zāi)害預(yù)警變得更加快速、高效、直觀。

4 總結(jié)

為了實(shí)現(xiàn)滑坡災(zāi)害的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測，降低災(zāi)害對人民安全和財(cái)產(chǎn)損失的影響，本文建立基于STM32 MCU和GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。本文提出的基于本地傳感節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的自主監(jiān)測系統(tǒng)，利用多種傳感器技術(shù)，結(jié)合GSM技術(shù)和嵌入式技術(shù)，對路塹滑坡參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和預(yù)警。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)自恢復(fù)、節(jié)點(diǎn)布置靈活、災(zāi)后數(shù)據(jù)傳輸效率高等特點(diǎn),可在滑坡災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)揮巨大的作用，為人民的生命財(cái)產(chǎn)提供一份保障。