基于GSM的隧道围岩深部位移监测报警系统

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【摘 要】为了解决汽车和火车隧道顶板岩层的深部位移变化，把隧道顶板岩层的深部位移变化及时的传送到安全检查人员手里，设计一种基于gsm的隧道围岩深部位移监测报警系统。本系统通过位移传感器，把岩层深部位移变化通过位移监测电路，传输到CPU电路，如果位移变化超过了设定的阈值，则通过GSM报警系统，把预警信号通过短信的形式发送到安全检查员手里，对危险进行报警。

【关键词】GSM；隧道围岩；位移传感；报警系统

一、设计背景

我国正处于社会经济高速发展的时期，基础设施建设占有非常重要的地位。近几年来，公路和铁路的基础建设早已进入快速发展的时期。但是我国还是一个山地丘陵比较多的国家，特别是在地形、气候、水文、地质条件非常复杂的西南部及西北部地区。以大量隧道通过地形复杂、高差较大的地段成为我们必然选择，随着设计、施工技术的发展，现在隧道施工的长度和难度不断增大。由于岩层的坚固性各有差异，为了预防由于隧道围岩变形造成的交通事故，研究了隧道围岩深部位移的监测报警系统。

二、设计思路

本次作品设计采用STC公司提供的STC15F2系列单片机开发板。首先把4个拉绳式位移传感器放置到指定的位置。然后通过参数转换电路模块将数据转换成电信号传送给单片机。本次作品使用了四个采样通道采样四组数据。然后，通过单片机进行处理，将采样的结果以电压与位移的形式显示出来。不仅如此，该作品通过利用矩阵按键的控制，使数码管显示位移，电压，阈值，基准值，产品编号等数据结果。同时，利用按键可以改变阈值、产品编号，实时测量基准值，打开短信报警，进行数据存储等功能并使数码管显示回到初始界面。当岩层改变量超过设定值时，短信报警会发出短信，提醒人员哪个编号单片机的哪一通道出现危险。

三、系统设计

（一）CPU电路。我们采用的STC公司提供的以IAP15F2K61S2型号单片机为主体的开发板。我们使用了USB下载电路对单片机进行程序下载；运用了LED电路对系统的运行进行指示说明；运用数码管显示电路对离层变化、阈值、基值、电压、编号和短信发送条数进行显示；运行矩阵按键来设定阈值和基值，同时对其进行储存；运用蜂鸣器电路，对产生的危险进行报警。

（二）位移监测电路。系统中离层位移的检测通过拉绳式位移测量模块配合相应的放大调整电路实现。为了实现电流信号的精确测量，检测电路采用单电源12V供电的运放 LM358设计。通过本电路实现0～20mA电流向0～5V电压的转换，单片机根据测得的电压值计算位移量。

（三）位移传感器。测量时，先用安装杆将锚头送至相应的位置，将基点钉到A位置，利用精密的拉绳式位移传感器测量模块来检测位移变化，当发生隧道深部岩层变形时，将A点压到B位置，拉绳式位移传感器将会把位移信息以电信号的形式传到参数转换电路，然后再把信号传送到单片机。

（四）GSM短信报警电路。当所测位移变化大于设定阈值时，CPU电路将会给GSM发出报警信号。GSM接收到报警信号后，把报警信号以短信的形式发出，通知安全检查人员第几个装置的第几个通道发生危险。

四、使用说明

系统使用时，需将拉绳式传感器拉绳钻入指定区域，然后开机进行初值设置。通过矩阵按键SL3键可以切换到不同的通道；通过SL7键可以切换到一个测量值、电压值、阈值、基准值，该系统的阈值可以通过按键来改变大小；SL11键改变阈值的位，以方便改变阈值；SL15键改变该位的大小；SL4键是取基值键，按下时当前的测量值就被设为基准值；SL16键可以对当前的阈值与基准值进行存储，防止掉电后阈值和基准值丢失。

五、测试分析

针对所设计的系统，我们进行了测试实验。通过改变拉绳式位移传感器的伸长量，用毫米尺测量位移变化，把所测得标准位移量与数码管显示量比较，得出精确度。

六、结语

本文提出的隧道深部位移预警系统，充分利用了GSM技术的优势，可以远距离预警。本系统同时具有高精度、高可靠、高灵活等优点。本文的创新点在于，充分结合硬件、软件的优势，设计并实现了一种具有无线通信功能的高精度、自动化岩层报警系统，从而为保障隧道的安全提供了一种新的技术手段

参考文献

[1] 解志刚.隧道围岩变形预测及其在工程中的应用[D].兰州交通大学硕士学位论文，2012.

作者简介：吴麒麟（1991.02- ），男，安徽合肥人，华北科技学院在校学生，研究方向：电气工程及其自动化；李宝龙（1991.07- ），男，山东滕州人，华北科技学院在校学生，研究方向：电气工程及其自动化；冯文明（1983.09- ），男，河南项城人，华北科技学院讲师，硕士。