一種山體滑坡監(jiān)測裝置的原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊鵬程，茆學(xué)謙，劉 暢，劉元龍，孫 佳，張 磊

（徐州工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018）

山體滑坡是地殼表層運(yùn)動(dòng)的一種地質(zhì)現(xiàn)象，是我國山區(qū)最常見的災(zāi)害之一，它嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，影響正常的生產(chǎn)和生活。山體滑坡災(zāi)害的發(fā)生往往受到包括持續(xù)降雨、地震等在內(nèi)的自然因素以及劈山挖礦、開山建路等人為因素的影響，多種因素的綜合影響導(dǎo)致滑坡災(zāi)害具有突發(fā)性和難以發(fā)現(xiàn)性[1]。若無法準(zhǔn)確預(yù)測山體滑坡，突如其來的災(zāi)害會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。因此，對山體滑坡的監(jiān)測及預(yù)警尤為重要。本文針對山體滑坡災(zāi)害，設(shè)計(jì)了一種用于監(jiān)測山體滑坡災(zāi)害的原型系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性和有效性。

1 原型系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)由滑坡模擬機(jī)械裝置、拉線傳感器、控制系統(tǒng)與監(jiān)測終端四部分組成，如圖1所示。其各部分功能如下：滑坡模擬機(jī)械裝置模擬滑坡體相對于基巖的滑動(dòng)位移；拉線傳感器將位移信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺豢刂葡到y(tǒng)將電信號轉(zhuǎn)換為電子信息利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行發(fā)送，監(jiān)測終端顯示報(bào)警信息。

圖1 原型系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 滑坡模擬機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滑坡模擬機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示：其主要由絲杠滑臺(tái)、滑坡山體、基巖和拉線傳感器等部分構(gòu)成。裝置以絲杠滑臺(tái)模擬滑坡山體基巖的相對位移：基巖固定在裝置底座（機(jī)架）上，滑動(dòng)山體固連在絲杠滑臺(tái)上，當(dāng)絲杠在電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑動(dòng)山體可沿與基巖的接觸面滑動(dòng)，以此來模擬滑坡運(yùn)動(dòng)。電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，滑坡山體可以恢復(fù)原狀。拉線傳感器穿過滑坡山體深埋在基巖中，當(dāng)滑坡山體與基巖有相對位移時(shí)，扯動(dòng)拉線，傳感器即被觸發(fā)，可以發(fā)出信號。

圖2 滑坡模擬機(jī)械裝置設(shè)計(jì)示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要由主控模塊、無線通訊模塊、電源模塊、傳感器模塊四大模塊構(gòu)成。電路原理圖如圖3所示。

圖3 電路原理圖

3.1.1 主控模塊

主控模塊采用的是STC89C52RC芯片，具有運(yùn)算速度高、功耗低、工作穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，其指令代碼與傳統(tǒng)8051完全兼容。其不同引腳連接有傳感器或其他模塊，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。各引腳連接如圖3所示。

3.1.2 無線通訊模塊

系統(tǒng)采用的GPRS通訊模塊為SIM800C。SIM800C是SIMCOM公司推出的GSM/GPR四頻模塊，支持TCP/P協(xié)議、三頻/四頻/GSM/GPRS，其性能穩(wěn)定，外觀小巧，性價(jià)比相對較高。GPRS模塊的接口信號端TXD、RXD分別與STC89C52RC的RXD、TXD連接，如圖3所示。

3.1.3 傳感器模塊

選用拉線式位移傳感器，傳感器信號輸出端與ADC0809轉(zhuǎn)換模塊的ADIN1引腳相連，實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。ADC0809轉(zhuǎn)換模塊引腳ST、EOC、D3、OE、CLK、ADDCS分別和芯片P1.0 、P1.1 、P1.2 、P1.3 、P1.4 引腳相連，完成位移信息從數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電子信號的過程，最后送往芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，連接如圖3所示。

3.1.4 電源模塊

由于滑坡檢測系統(tǒng)安裝在山區(qū)，所處位置較為偏僻，供電相對困難。所以模型設(shè)計(jì)采用通過太陽能進(jìn)行充電的大容量蓄電池來供電，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定工作。本系統(tǒng)采用6V4A的蓄電池、9V2.3 W的太陽能板以及AMS117-5.0 電源穩(wěn)壓模塊，如圖4所示。通過穩(wěn)壓模塊輸出的5V電壓為單片機(jī)和傳感器供電。

圖4 電源模塊原理圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成基于拉線式傳感器的山體滑坡原型裝置實(shí)物如圖6所示。模型控制部分實(shí)物圖如圖7所示。接入電源，進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)測試，按下開關(guān)，滑動(dòng)山體在絲杠平臺(tái)的帶動(dòng)下開始位移，如圖8所示。當(dāng)位移超過預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)在單片機(jī)控制下經(jīng)通訊模塊將預(yù)警信息以手機(jī)短信的形式發(fā)送至技術(shù)人員的手機(jī)。如圖9所示。

圖6 模型實(shí)物圖

圖7 控制部分實(shí)物圖

圖8 模型展示圖（發(fā)生位移）

圖9 手機(jī)預(yù)警信息

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的山體滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)是基于拉線傳感器并借助于GPRS通訊實(shí)現(xiàn)的，屬于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的典型應(yīng)用。原型樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理的可行性和有效性，可以為后期實(shí)地測量山體滑坡系統(tǒng)提供參考。