山体滑坡监测及预警系统设计

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《电子器件杂志》2014年第三期

1系统设计

1．1预警系统终端机山体滑坡预警监测系统的终端机由各种水文、气象传感器模块(三轴加数度陀螺仪，GPS模块)、无线通信模块、电源模块和主控制器模块组成。图2为线、角加速度采集传输模块连接框图，图3为位移采集传输模块连接框图。

1．1．1线、角加速度采集传输模块主要用到的模块有:主控制模块(STC12C5A60S2)、三轴加速度陀螺仪模块(MPU－6050)、无线传输模块(SIM300)。(1)主控制模块所采用的主控制芯片是STC12C5A60S2。它是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机［7］，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8倍～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10bitA/D转换(250ksample/s，即25万次/s)，两个串口。在对线、角加速度采集传输设计中只是把它作为普通的51单片机来使用(单串口)。(2)三轴加数度陀螺仪模块采用的芯片是MPU－6050，MPU－60X0系列是全球首例9轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP(DigitalMotionProcessor)。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250°/s、±500°/s、±1000°/s、±2000°/s(%dps)，加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16gn(重力加速度)。(3)无线传输模块本设计采用的GPRS通信模块为SIM300。SIM300是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS双频模块，支持TCP/IP协议、三频/四频/GSM/GPRS，支持PDU模式和文本模式的短消息传送，支持数据和传真信息的高速传输，使用时更加方便灵活。GPRS通讯适用于间断的、突发性的或少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输，且具有实时在线，按量收费等优点［8］。在该设计中，GPRS模块的接口信号端GRX、GXD分别与STC12C5A60S2的RxD、TxD连接，如图2所示。当主控制模块和GPRS模块启动后，MCU通过串口直接向GPRS模块发送AT指令使其接入GPRS网络并进行参数设置。其内容包括波特率、网关、GPRS模块的类别、测试GPRS服务是否开通等。

1．1．2位移采集传输模块主要用到的模块有主控制模块(STC12C5A60S2)、全球定位系统(GPS)模块、无线传输模块(SIM300)。在对位移采集传输设计中使用了STC12C5A60S2的双串口功能。MCU将从串口1传输的GPS数据解析后，经过串口2数据传给SIM300。该设计中，GPRS模块的接口信号端GRX、GXD分别与STC12C5A60S2的RxD(2)、TxD(2)连接。全球定位系统(GPS)模块采用的芯片为u－blox公司生产的NEO－6M－0－001。捕获冷启动29s，温启动27s，辅助启动＜3s，热启动＜1s，灵敏度:捕获－162dBm，跟踪－147dBm，冷启动－146dBm。GPS模块的Tx、Rx端分别与STC12C5A60S2的RxD、TxD相连，如图3所示。

1．1．3电源模块由于监测系统终端机分布在野外，供电较困难，终端机采用蓄电池供电，蓄电池容量大、自放电率低，并采用太阳能板对其进行涓流充电，可以保证系统长期稳定地工作。本设计中采用的是9V\2．3W的太阳能板，6V\4A的蓄电池，以及AMS1117－5．0电源稳压模块，连接图如图4所示。图中的二极管是防止蓄电池对太阳能板进行反充电。蓄电池的实际电压为6．7V，经过AMS1117－5．0电源稳压模块后在OUT+\－端输出5V电压，可以为单片机、GPRS模块、GPS模块供电1．2预警平台本设计中，预警平台是通过短信和报警器的播报方式通知相关人员的。用到的硬件有:单片机STC89C52、无线传输模块(SIM300)、报警器ES－626、手机。其中STC89C52与SIM300模块的连接方式与图2一样。选用的报警器可工作在6V～12V之间，在12V时，可达到120dB的声音。它是由继电器对其进行控制的，继电器是通过达林顿管(ULN2003)来驱动的。继电器的‘1’为常开端口，‘3’为常闭端口。原理图如图5所示。通过MCU(STC89C52)对LED1、LED2、继电器进行控制。在报警前，LED2(绿灯)亮，LED1(红灯)灭，继电器处于常闭状态，报警器不工作;当接收到监控系统控制站的报警指令后，LED2灭，LED1亮，继电器处于常开状态，报警器工作，且手机会收到一条预警短信。本设计选择的实验滑坡采集点有三处，标记为1、2、3号地区。短信内容如图6所示，提醒相关人员做好防范。

1．3监控系统控制站监控系统控制站，主要负责将终端机传送过来的加速度、位移数据存储、显示，判断数据是否达到预警门限值，如果达到门限值时就会发送一条指令给预警平台，预警平台将会启动报警装置。本设计的上位机软件是借助于网络调试助手这款软件。它支持UDP，TCP协议，集成TCP服务器和客户端;可以自动发送校验位，支持多种校验格式;支持间隔发送，循环发送，批处理发送等功能。图7为监控终端接收到的放大256倍的线、角加速度数据。其中A后面的3个数据分别表示X、Y、Z轴的线加速度，单位为gn(重力加速度)，G后面的3个数据分别表示X、Y、Z三轴旋转方向的角加速度，单位为°/s。图8为监控终端收到的GPS位移数据。例如图8中第1行数据，设为A点“h:36．6N:325249E:1194821t:33”，它表示该滑坡采集地处于高度36．6，北纬32°52''''49″，东经119°48''''21″的位置。t为北京时间的秒，前后t相减就得到了采集间隔时间Δt=21s。如果数据变为B点，处于高度5．2，北纬32°52''''51″，东经119°48''''19″的位置。那么A、B两处距离将通过下面方法进行计算。

2结论

本设计对山移、加速度信息进行监测，确保了预警的准确性;预警平台的设计大大方便了预警的播报;采用GPRS无线网络传输数据保证了监控站可以在无限远处设立，利于远程监控。本设计在经过实地验证后，能够及时、可靠地对滑坡灾害的发生进行预警，有效地解决了有线传输及人工播报方式的缺陷。

作者：陈炜峰席万强周峰刘云平单位：南京信息工程大学信息与控制学院南京易周能源科技有限公司