山體滑坡遙測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

侯 群， 俞夏琴

（江漢大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430056）

0 引言

由于山體長年的自然風(fēng)化及諸多綜合復(fù)雜因素的影響，致使山體滑坡造成的自然災(zāi)害有時危及國家財產(chǎn)及人民生命的安全。尤其在江河庫區(qū)所在的山城、山鎮(zhèn)，商貿(mào)繁榮，人口密集，危害更甚。為此國家防災(zāi)減災(zāi)辦及地質(zhì)部門進(jìn)行過自然災(zāi)害的地質(zhì)普查，并對重點地區(qū)采取有力措施進(jìn)行整治。整治方案一般采用排水工程，支檔工程與護(hù)坡工程相結(jié)合的方法綜合治理。但整治后的滑坡體，仍需長年監(jiān)測。本文是介紹某庫區(qū)滑坡體經(jīng)過整治后的遙測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。

該庫區(qū)滑坡體的治理主要是采用抗滑樁加錨索的支檔工程。因此，除了進(jìn)行滑坡體深層滑坡面位移監(jiān)測外，還必須進(jìn)行抗滑樁壓力監(jiān)測，及錨索預(yù)應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測。其中監(jiān)測設(shè)備在整治過程中已預(yù)埋好。

1 遙測預(yù)警系統(tǒng)的主要功能

1.1 自動數(shù)據(jù)采集

自動數(shù)據(jù)采集分以下3種：

① 1路抗滑樁壓力采集；

② 1路錨索預(yù)壓力采集；

③ 2路深層位移量采集。

1.2 數(shù)據(jù)的傳輸與通訊

將采集的數(shù)據(jù)及其有關(guān)信息通過現(xiàn)有中國移動的“GPRS”平臺，傳輸至指揮中心，或防災(zāi)減災(zāi)辦公室。

1.3 數(shù)據(jù)的接收與處理

指揮中心或防災(zāi)減災(zāi)辦公室通過上位機(jī)系統(tǒng)，接受來自現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)及有關(guān)信息，并顯示預(yù)警信號及報警。通過專家分析，對預(yù)警信息采取有關(guān)措施，避免災(zāi)害的發(fā)生，盡量減少人民生命財產(chǎn)的損失。

2 遙測預(yù)警系統(tǒng)原理及組成

2.1 系統(tǒng)的組成原理

本系統(tǒng)是利用 MCS-51單片機(jī)，通過位移、壓力等傳感器采集的信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，將信息傳送到 GPRS移動通信的基站。GPRS是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展而來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)-GPRS移動網(wǎng)絡(luò)，它通過移動網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)GPRS無線網(wǎng)絡(luò)與INTERNET網(wǎng)互聯(lián)。GPRS移動網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)或信息通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，而后基于IP協(xié)議,通過路由將數(shù)據(jù)包直接傳送到指定 IP的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器接收到信息后及時顯示且將數(shù)據(jù)貯存到指定的數(shù)據(jù)庫文件中。GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高，系統(tǒng)在很短的時間內(nèi)(幾秒至數(shù)十秒,根據(jù)信道情況)就可以完成數(shù)據(jù)的采集與信息的傳輸任務(wù)。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計框圖

基于 GPRS的數(shù)據(jù)采集及通信系統(tǒng)的組成，分為前端機(jī)和服務(wù)器兩部份。圖1是前端機(jī)系統(tǒng)框圖。圖2是基于GPRS的通信系統(tǒng)圖。

圖1 前端機(jī)系統(tǒng)框

圖2 基于GPRS通信系統(tǒng)

3 基于GPRS的通信實現(xiàn)

該系統(tǒng)利用單片機(jī)通過串口對GPRS模塊進(jìn)行收發(fā)控制，借用現(xiàn)有的GPRS無線移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

3.1 GPRS網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸

GPRS是在GSM的基礎(chǔ)上引入了分組控制單元(PCU)、服務(wù)支持節(jié)點(SGSN)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(GGSN)等新部件而構(gòu)成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。具體的數(shù)據(jù)傳輸流程為：

① GPRS終端通過接口從客戶系統(tǒng)中取出用戶數(shù)據(jù)；

② 處理后以 GPRS分組數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到 GSM基站(BSS)；

③ 分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，發(fā)送到GPRS IP骨干網(wǎng)；

④ 若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到另一GPRS終端，則先發(fā)送到目的SGSN，再經(jīng)BSS發(fā)送到CPBS終端；若分組數(shù)據(jù)是發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)(如因特網(wǎng))，則將分組數(shù)據(jù)包經(jīng) GGSN進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到外部網(wǎng)絡(luò)[1]。

3.2 GPRS終端的工作原理及硬件實現(xiàn)

基于GPRS的終端系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖3所示，各部分的工作原理如下：

圖3 GPRS終端實現(xiàn)

（1）控制模塊

控制模塊的作用主要有：

控制模塊通過AT指令初始化GPRS無線模塊，使之附著在GPRS網(wǎng)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運營商動態(tài)分配給GPRS終端的IP地址，并與目的終端或服務(wù)器之間建立連接；

控制模塊通過RS232串口向客戶系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)或指令；控制模塊通過RS232串口向TCP／IP模塊收發(fā)數(shù)據(jù)；控制模塊自主或根據(jù)遠(yuǎn)程控制指令采取其他操作[2]。

（2）TCP／IP模塊

TCP／IP模塊通過RS232串口與GPRS無線模塊通信，提供非透明和透明兩路通道。對應(yīng)地，該模塊有兩種傳輸模式：透明模式和非透明模式。通過軟件切換，模塊在處于不同的傳輸模式時，數(shù)據(jù)流向也不同。當(dāng)傳送 AT指令集時，模塊進(jìn)入透明模式，可以直接訪問 GPRS無線模塊；當(dāng)模塊進(jìn)人非透明傳輸方式時，用戶數(shù)據(jù)從串口進(jìn)入TCP／IP模塊后，先打成TCP／IP包，再經(jīng)串口發(fā)送給GPRS模塊；GPRS無線模塊把其封裝成GPRS分組數(shù)據(jù)包傳到GPRS網(wǎng)上。TCP／IP模塊由基于單片機(jī)8052的嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)。

3.3 系統(tǒng)通信的實現(xiàn)

建立系統(tǒng)通信的主要部件及其實現(xiàn)過程簡要說明如下：

① MCS-51系列單片機(jī)；

② GPRS模塊。本文以利事達(dá)信息技術(shù)有限公司開發(fā)的GPRS模塊LT8030為例。采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232 接口，用戶可以通過單片機(jī)或其他CPU的UART口，使用相應(yīng)的AT命令對模塊進(jìn)行控制，達(dá)到使輕松進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)的目的；

③ 服務(wù)器。建立SOCKET連接必須具有公網(wǎng)的IP地址，故應(yīng)保證服務(wù)器中心計算機(jī)連接到因特網(wǎng)并且取得公網(wǎng)IP地址。在單片機(jī)對GPRS模塊控制之前，服務(wù)器端需運行SOCKET端口監(jiān)聽程序，并且設(shè)為監(jiān)聽狀態(tài)，端口號也要設(shè)定，例如port：1024；

④ 復(fù)用P1.2和P1.3，也就是串口1分別和GPRS模塊的TXD0和RXD0連接，通過軟件置位完成對LT8030的初始化和控制GPRS模塊的收發(fā)數(shù)據(jù)[3]。

4 上位機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計

上位機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送, 主要由傳感器,51單片機(jī),模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片及GPRS模塊等組成。下面分別對系統(tǒng)的主要硬件加以介紹。

4.1 單片機(jī)AT89C52的結(jié)構(gòu)和功能介紹

AT89C52單片機(jī)是一個低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含 8 kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（EPROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用美國ATMEL公司的高密度、不易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的AT89C52提供了高性價比的解決方案。AT89C52是一個低功耗高性能單片機(jī)，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程[4]。

4.2 AD574模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片功能介紹

AD574是帶有12位A/D轉(zhuǎn)換器以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，是一種速度較快、精度較高的轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間大約25微秒。片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖器, 故與單片機(jī)接口連接簡單。引腳CS、CE、R/C分別是片選、片使能、數(shù)據(jù)讀/啟動信號,A0和12/8信號用于控制一次輸出數(shù)據(jù)的長度。無論是啟動、 轉(zhuǎn)換還是結(jié)果輸出,都要保證CE端為高電平,故89C52的WR、RD端通過與非門與AD574的CE端相連。轉(zhuǎn)換結(jié)果為高8位,低4位與P0口相連, 故12/8端接地。CS、A0、R/C在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時應(yīng)保持相應(yīng)的電平, 故用74LS373鎖存后接入。STS為轉(zhuǎn)換標(biāo)志信號,可作為結(jié)果輸出時的中斷請求或查詢信號。當(dāng)CE=1,CS=0時啟動轉(zhuǎn)換,在啟動信號有效前,R/C必須保持低電平。

4.3 GPRS 模塊

本設(shè)計中所采用的是LT8030 GPRS IP Modem 。LT8030基于SIEMENS 的MC35 GPRS模塊，并且內(nèi)嵌了完整的TCP/IP協(xié)議，為用戶提供更簡單的網(wǎng)絡(luò)接口。單片機(jī)與GPRS模塊一般采用串行異步通信接口，通信速度可設(shè)定，通常為9.6 kb/s。采用RS232電纜方式進(jìn)行連接時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃暂^好。單片機(jī)通過電平轉(zhuǎn)換電路與GPRS模塊連接，電路比較簡單，電路原理圖如圖4所示。所涉及的芯片MAX232用于串行通信接口與232通信接口之間的電平轉(zhuǎn)換[5]。

圖4 單片機(jī)與GPRS模擬連接的電路原理

MAX232的T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT為接TTL/CMOS電平的引腳；T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN為接RS232電平的引腳。TTL/CMOS電平的T1IN、T2IN引腳應(yīng)接AT89C52的串行發(fā)送引腳TXD；R1OUT、R2OUT應(yīng)接AT89C52的串行接收引腳RXD。與之對應(yīng)，RS232電平的T1OUT、T2OUT應(yīng)接GPRS模塊的接收端RXD；R1IN、R2IN應(yīng)接GPRS模塊的發(fā)送端TXD[6]。

現(xiàn)選用其中一路發(fā)送/接收,R1OUT接AT89C52的RXD，T1IN接AT89C52的TXD,T1OUT接GPRS模塊的RXD, R1IN接GPRS模塊的發(fā)送端TXD。因為MAX232具有驅(qū)動能力，所以不需要外加驅(qū)動電路。

4.4 傳感器選型

（1）滑坡帶位移監(jiān)測傳感器

鉆孔監(jiān)測是位移監(jiān)測中的重要監(jiān)測項目，深孔測斜可以提供系統(tǒng)的連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，它不僅能連續(xù)準(zhǔn)確地測到滑坡滑動面的位置，而且可以測到土體一定時間的向位位置，我們選定在一定深度安裝WQV36-10型測斜傳感器，完成深層位移實時監(jiān)測。

（2）抗滑樁壓力傳感器

為了解滑坡體傳感器遞給支檔工程的壓力，我們選用TXR型鋼玄式土壓力傳感器，(激勵后的脈沖信號送入89C52的 INT0),安放在抗滑樁群的一定的深度,以監(jiān)測抗滑樁在完全受力后，初期和基本穩(wěn)定期的應(yīng)力變化。

（3）預(yù)應(yīng)力錨索的監(jiān)測

為了解預(yù)應(yīng)力動態(tài)變化和錨索長期工作的性能，我們選用GEOKO4900型鋼玄式錨索測力計安裝于錨索張拉部及尾部。(激勵后的脈沖信號送入89C52的INT1)

本系統(tǒng)的前端機(jī)的軟件設(shè)計采用C51編程，服務(wù)器軟件采用 C+ +6.0作為開發(fā)平臺，使用流式套接字，利用WINSOCK API進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程。數(shù)據(jù)庫是采用微軟的Access。

5 結(jié)語

基于GPRS的數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)的實現(xiàn)，是利用傳感器采集模擬量,通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，即二進(jìn)制數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)貯存到單片機(jī)中。通過單片機(jī)通信串口傳輸給GPRS模塊。單片機(jī)通過AT指令初始化GPRS無線模塊，使之附著在GPRS網(wǎng)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運營商動態(tài)分配給GPRS終端的IP地址，并與目的終端或服務(wù)器之間建立連接，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信。其理論可靠，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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