嵌入式雪崩災(zāi)害無(wú)人監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張賢輝，鐘曉玲，曾 亮

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，四川成都 610000)

新疆果子溝素有“伊犁第一景”之稱，它位于 霍城縣城東北40公里處，是312國(guó)道烏魯木齊-伊犁公路的必經(jīng)通道，冬季時(shí)其遠(yuǎn)山皚皚冰峰，近處的蒼松白雪，相映增輝美不勝收。然而這美麗的冬季景色下隱藏著雪崩的危險(xiǎn)。每年果子溝地區(qū)都會(huì)發(fā)生大小不一的雪崩，重則掩埋公路，影響通行，甚至威脅人們生命財(cái)產(chǎn)。因此在此地建立了一個(gè)雪崩監(jiān)測(cè)預(yù)警站點(diǎn)。此雪崩監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要分為山上數(shù)據(jù)采集站和山下公路旁紅黃燈警示站點(diǎn)兩部分，而且此系統(tǒng)已經(jīng)取得了初步的成效，可靠性得到了驗(yàn)證。

雪崩由于具有突發(fā)性，破壞性和危害性等特點(diǎn)［1］，因此對(duì)無(wú)人監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)性能要求非常高，國(guó)內(nèi)外也有很多測(cè)量自然災(zāi)害的方法，而有些傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)可靠性差，準(zhǔn)確度不高給提前預(yù)測(cè)雪崩帶來(lái)了很大的不便?；诖嗽?，本文設(shè)計(jì)一種以ARM9處理器為核心，uC/OSII為操作系統(tǒng)［2－3］與LED大燈報(bào)警顯示相結(jié)合的系統(tǒng)，具有遠(yuǎn)程操作、功耗低、準(zhǔn)確性高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

降雪量大的地區(qū)由于大雪覆蓋過(guò)多，當(dāng)積累到一定程度時(shí)，厚厚的覆蓋雪層由于重力的作用，在積雪下滑引起雪崩災(zāi)害之前會(huì)導(dǎo)致山體變形和內(nèi)部應(yīng)力的改變，變化會(huì)以加速度的形式體現(xiàn)，致使陡坡觀察點(diǎn)處的三軸加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)生一定變化［4］。通過(guò)ARM處理器處理分析數(shù)據(jù)進(jìn)而判斷是否會(huì)發(fā)生雪崩，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雪崩易發(fā)地區(qū)降雪的監(jiān)測(cè)，并在雪崩發(fā)生時(shí)監(jiān)測(cè)雪崩引起的大地震動(dòng)情況。測(cè)得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee模塊發(fā)送給山下紅黃燈報(bào)警裝置并觸發(fā)山下預(yù)警裝置。報(bào)警裝置主要是紅黃兩個(gè)LED大燈，根據(jù)雪崩發(fā)生的情況呈現(xiàn)不同的閃爍方式以此來(lái)警示路過(guò)的行人和車輛，再通過(guò)GPRS模塊遠(yuǎn)程傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心顯示。具有預(yù)防、預(yù)警和科研等多個(gè)功能，達(dá)到了對(duì)雪崩的監(jiān)測(cè)和提前預(yù)警，為人民的人身和財(cái)產(chǎn)安全提供了幫助和保證［5］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由兩個(gè)站點(diǎn)組成，一個(gè)位于雪崩易發(fā)點(diǎn)正下方，使雪崩發(fā)生時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能及時(shí)將危險(xiǎn)信號(hào)傳至山下公路紅黃燈報(bào)警系統(tǒng)，給過(guò)往車輛以雪崩警示。另一站點(diǎn)即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)位于雪崩易發(fā)點(diǎn)附近，主要用于采集發(fā)生雪崩時(shí)大地震動(dòng)情況，便于今后對(duì)雪崩的科學(xué)研究。雪崩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)板、紅黃燈報(bào)警系統(tǒng)板、位移加速度傳感器、Zigbee模塊、GPRS模塊和太陽(yáng)能電源六個(gè)部分組成。2個(gè)站點(diǎn)分別裝在兩個(gè)可以移動(dòng)的盒子里，因此體積小。其雪崩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

雪崩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)站點(diǎn)將三軸低頻加速度傳感器水平安置在靠近被監(jiān)測(cè)雪地的固定點(diǎn)較硬的附近［6］，這樣傳感器的輸出更準(zhǔn)確可靠;而膠粘連接方式使用快捷，實(shí)際安裝中可通過(guò)軟件增加測(cè)試樣本數(shù)量取均值的方法減少由膠粘的不均勻性帶來(lái)的誤差［7］。三軸低頻加速度傳感器測(cè)量在震動(dòng)過(guò)程中二個(gè)正交方向上的位移加速度值［4］，從而感知山上是否發(fā)生了雪崩，而紅黃燈報(bào)警系統(tǒng)站點(diǎn)則安置在山下公路旁警示路過(guò)的行人和車輛。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程發(fā)送采集數(shù)據(jù)每1次/10min，當(dāng)山體有震動(dòng)時(shí)，X軸、Y軸和Z軸方向的加速度值會(huì)發(fā)生不同程度的變化。若重啟系統(tǒng)或每一分鐘后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)加速度多點(diǎn)采集12個(gè)數(shù)據(jù)并剔除最大和最小異常值計(jì)算十個(gè)數(shù)據(jù)平均值作為正常狀態(tài)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)值，系統(tǒng)軟件這樣設(shè)計(jì)的好處是可以根據(jù)所處的山體環(huán)境自適應(yīng)山體狀態(tài)，避免了有可能不是發(fā)生雪崩而導(dǎo)致的錯(cuò)誤報(bào)警，具有一定的人工智能的特性。當(dāng)真正監(jiān)測(cè)到雪崩發(fā)生時(shí):數(shù)據(jù)大于設(shè)定的最大門(mén)限值即發(fā)生雪崩標(biāo)準(zhǔn)值臨界點(diǎn)［8］或者兩秒鐘內(nèi)有七次數(shù)據(jù)大于最大門(mén)限值標(biāo)準(zhǔn)值，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)Zigbee傳輸模塊［9］向山下的紅黃燈報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送異常信號(hào)。此時(shí)紅燈亮半小時(shí)，半小時(shí)過(guò)后紅燈再閃爍半小時(shí)，然后紅燈熄滅，黃燈再點(diǎn)亮一個(gè)半小時(shí)，最后黃燈熄滅，給在此路通過(guò)的行人和車輛以警示。該Zigbee傳輸速率為250Kbps，根據(jù)具體數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與安裝紅黃燈報(bào)警系統(tǒng)之間的距離可以算出預(yù)警時(shí)間，同時(shí)通過(guò)GPRS傳輸模塊［10］對(duì)山體雪崩狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以短信的形式將雪崩突發(fā)狀況發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)人員。整個(gè)系統(tǒng)無(wú)界面操作適合無(wú)人看管，重啟系統(tǒng)命令、手動(dòng)采集數(shù)據(jù)命令、紅黃燈關(guān)燈命令、震動(dòng)站點(diǎn)異常門(mén)限值修改、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間命令等都是通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器中心控制的，例如系統(tǒng)時(shí)間修改命令格式:年月日星期時(shí)分秒+timeS如發(fā)送1201017132112timeS表示修改系統(tǒng)時(shí)間為2012年1月1日星期天13點(diǎn)21分12秒，后面的timeS是命令識(shí)別字符串，從而使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便。其中三軸加速度傳感器測(cè)量山體震動(dòng)的加速度矢量，通過(guò)ARM處理器進(jìn)行分析比較山體雪崩的狀態(tài)，電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電力支持，蓄電池確保在陰雨天情況下整個(gè)系統(tǒng)也可以正常運(yùn)行。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)站點(diǎn)1硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)站點(diǎn)1硬件主要分為ARM數(shù)據(jù)采集板、三軸低頻位移加速度傳感器、GPRS模塊、Zigbee模塊和電源模塊等幾個(gè)部分。數(shù)據(jù)采集板和位移加速度傳感器都采用5V直流電源，Zigbee模塊用ARM數(shù)據(jù)采集板上二次電源模塊的3.3V直流供電。數(shù)據(jù)采集板控制位移加速度傳感器采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)做處理及判斷，當(dāng)有發(fā)生雪崩的跡象時(shí)，就將異常值與系統(tǒng)時(shí)間一起通過(guò)Zigbee傳輸模塊發(fā)送到公路邊紅黃燈報(bào)警系統(tǒng)站點(diǎn)2。GPRS模塊每隔10分鐘向服務(wù)器終端發(fā)送采集到的加速度傳感器值，通信為雙向。其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)站點(diǎn)1硬件原理如2所示。

2.2 紅黃燈報(bào)警系統(tǒng)站點(diǎn)2硬件設(shè)計(jì)

紅黃燈報(bào)警系統(tǒng)站點(diǎn)2硬件主要分為ARM紅黃燈數(shù)據(jù)處理板、紅黃燈設(shè)備、Zigbee傳輸模塊、電源模塊等幾個(gè)部分。紅黃燈數(shù)據(jù)處理板采用5V直流供電，LED紅黃燈設(shè)備采用12V直流供電，Zigbee模塊使用ARM紅黃燈數(shù)據(jù)處理板上二次電源模塊的3.3V直流電源。紅黃燈報(bào)警系統(tǒng)板通過(guò)Zigbee接收經(jīng)過(guò)站點(diǎn)1處理分析過(guò)的異常數(shù)據(jù)，紅黃燈報(bào)警系統(tǒng)此時(shí)控制繼電器通斷進(jìn)而控制紅黃燈閃爍，其紅黃燈報(bào)警系統(tǒng)站點(diǎn)2硬件原理如圖3所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)站點(diǎn)1硬件原理圖

3 仿真結(jié)果

雪崩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)山頂上雪崩的狀態(tài)，當(dāng)雪崩發(fā)生時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到低頻加速度傳感器的異常值。通過(guò)與正常狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值作比較，如果確實(shí)發(fā)生了雪崩，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)GPRS模塊以短信的形式將采集到的異常值遠(yuǎn)程傳送到服務(wù)終端顯示，提示監(jiān)測(cè)人員。通過(guò)計(jì)算機(jī)里安裝的串口終端模擬由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)顯示，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 紅黃燈報(bào)警系統(tǒng)站點(diǎn)2硬件原理

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)Zigbee模塊將山上的雪崩狀態(tài)發(fā)送給山下的紅黃燈報(bào)警系統(tǒng)，達(dá)到提前預(yù)警的效果。通過(guò)多點(diǎn)布置加速度傳感器，減少單點(diǎn)監(jiān)測(cè)雪崩誤差提高硬件抗干擾能力，利用軟件采樣定理實(shí)現(xiàn)每個(gè)點(diǎn)的加速度傳感器采集多值，求其平均值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較判斷是否有雪崩發(fā)生實(shí)現(xiàn)軟件抗干擾能力以便降低成本。系統(tǒng)采用穩(wěn)定的太陽(yáng)能和蓄電池聯(lián)合供電系統(tǒng)，使其具有體積小、可靠性高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，適用于降雪量大無(wú)人看管的地區(qū)災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

［1］ 陳曉光.雪崩運(yùn)動(dòng)及對(duì)策［J］.國(guó)外公路，1998，18(5):18－24.

［2］王振宇.uC_OS操作系統(tǒng)在ARM系統(tǒng)中的應(yīng)用［D］.吉林:吉林大學(xué)，2004.

［3］李玉剛.嵌入式操作系統(tǒng)uC_OS_在ARM上的移植研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2010，26(8 －2):97 －98，58.

［4］鄧大偉，祝武，欒佰霖，等.基于ARM 的山體滑坡遠(yuǎn)程無(wú)人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012，26(2):89－92.

［5］周石.雪崩危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)的程序和方法［J］.湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2002，25(4):84 －87.

［6］丁鐵華，姚偉，解恒密.低頻量大位移加速度傳感器的研制［J］.佳木斯工學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，12(4):232－237.

［7］陳爽，孫浩.加速度傳感器及其安裝工藝對(duì)碰撞模擬試驗(yàn)結(jié)果的影響［J］.洗車工程，2012，34(11):1033－1038.

［8］王建剛.雪崩災(zāi)害預(yù)報(bào)原理和方法［A］.災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的活動(dòng)及其預(yù)報(bào)技術(shù)［C］.新疆:阿勒泰地區(qū)氣象局，2006.

［9］廈門(mén)才茂.LTE ZTU CM2891技術(shù)參數(shù)［EB/OL］.http://www.gkong.com/co/caimore/pro_content.asp?products_id=1407660，2004.

［10］廈門(mén)才茂.工業(yè)級(jí)GPRS RTU采集終端CM5191技術(shù)參數(shù)［EB/OL］.http://b2b.c-ps.net/2579749_detail.html，2004.