一種新型雪崩監(jiān)測預警系統(tǒng)

陳盼　陳健

摘 要：伴隨著全球氣候變暖，冰凍圈雪崩災害潛在風險逐漸增加，雪崩災害已受到社會各界的廣泛關注。雪崩摧毀森林和度假勝地，會給當?shù)氐穆糜谓洕斐煞浅４蟮挠绊?，大型雪崩會掩埋山下居民的房屋，甚至活埋當?shù)鼐用?。由此可見，對雪崩的監(jiān)測和預警顯得尤為重要。本文介紹了一種基于陀螺儀傳感器和GPS的新型監(jiān)測預警系統(tǒng)，可以有效的對雪崩進行監(jiān)測和預警。

關鍵詞：雪崩；監(jiān)測；預警；陀螺儀

1 引言

雪崩是指覆雪處于一種“危險”的平衡狀態(tài)下，如果稍微有外力作用，就會失去平衡，造成雪塊滑動，進而引起更多的覆雪運動，使大量的積雪瞬間傾盆而下的現(xiàn)象。雪崩既是一種奇特的自然景象，又是一種破壞巨大的自然災害。雪崩發(fā)生時從部分雪體開始，范圍迅速蔓延，終至于大量覆雪瞬間傾盆而下，削山丘而平溝壑，令地貌為之一變，擁有驚人的破壞力。

國內外研究成果簡介：目前，國內外研究人員在雪崩形成機制、拋程、動態(tài)模擬、風險評價與區(qū)劃、預防與防治等領域取得了較大進展。

2 設計思路

為了對雪崩進行準確的監(jiān)測和預警，設計出了一種基于GPS，陀螺儀傳感器，超聲波脈沖以及單片機等模塊的雪崩監(jiān)測和預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠提高監(jiān)測結果的準確性和使預警更加智能化，能有效的預防雪崩對人類生活帶來的不利影響。同時該系統(tǒng)還可以在雪崩發(fā)生后對陀螺儀采集到的數(shù)據進行處理，得出雪體的運動速度和方向。

3 設計原理

本設計由GPS，陀螺儀傳感器，超聲波雪深傳感器模塊，GPRS通信模塊，單片機模塊以及電源模塊組成，各模之間相互配合工作，想預警中心發(fā)送實時采集的山體積雪信息，并對雪崩做出預警和數(shù)據采集。

3.1 陀螺儀傳感器模塊

陀螺儀是一種用來傳感與維持方向的裝置，基于角動量守恒的理論設計出來的，陀螺儀一旦開始旋轉，由于輪子的角動量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。因此根據陀螺儀傳感器采集到的雪體的加速度和位移數(shù)據可以判斷出是否有發(fā)生雪崩的可能。當陀螺儀傳感器采集的雪體運動很微弱時，可以得出雪體處于受力比較穩(wěn)定的狀態(tài)，不會發(fā)生雪崩；反之，當采集的雪體運動很劇烈時，就可以判斷出將要或者已經發(fā)生雪崩。同時將采集到的數(shù)據經過分析以后可以得出雪體運動的方向和速度，計算出人們可以逃生的時間，為人們逃生提供參考。

3.2 超聲波雪深傳感器模塊

超聲波雪深傳感器模塊是應用超聲波在聲阻抗不同的兩種物質界面上產生反射的性質測量界面距離的原理來測量雪的深度。它由發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖，傳到目標經反射后返回接收器，測出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時間。由此便可計算出積雪深度，用公式表示：D=H-0.5Vt。式中：D為積雪深度；H為超聲波傳感器安裝高度；V為超聲波在空氣中的傳播速度；t為超聲波往返時間。

根據超聲波雪深傳感器模塊采集到的數(shù)據，通過分析處理可以得出發(fā)生雪崩積雪的深度，從而判斷出雪崩的等級及破壞力大小，為是否需要疏散居民提供依據。

3.3 GPS模塊

一旦發(fā)生雪崩GPS模塊能夠提供發(fā)生雪崩的具體位置，人們根據位置信息判斷該地區(qū)有無人居住和活動，從而確定是否要發(fā)出預警和進行救援。

3.4 單片機模塊

單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)。

在該系統(tǒng)中單片機模塊將陀螺儀傳感器模塊和超聲波雪深傳感器模塊采集到的數(shù)據信息進行處理分析，得出是否發(fā)生雪崩，雪深，雪速等信息。然后控制GPRS通信模塊將得到的信息傳送給監(jiān)測中心部門，供人們作出一系列決定。

3.5 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用高性能工業(yè)級無線模塊及嵌入式處理器，以實時操作系統(tǒng)作為軟件支撐平臺，為用戶提供高速，穩(wěn)定可靠，永遠在線的透明數(shù)據傳輸通道。利用該模塊通過通信網絡與監(jiān)控中心進行信息傳遞，將單片機模塊處理分析后得到的數(shù)據和GPS模塊采集到的數(shù)據傳送給監(jiān)控中心，達到通信和數(shù)據傳遞的功能。

3.6 電源模塊

由于該系統(tǒng)終端機分布在野外，供電較困難，所以終端機采用蓄電池供電，蓄電池容量大、自放電率低，并采用太陽能板對其進行涓流充電，可以及時補充蓄電池的消耗，延長供電時間，使該系統(tǒng)能夠全天工作，實時監(jiān)控預警。

[參考文獻]

[1]王世金，任賈文.國內外雪崩災害研究綜述.《地理科學進展， 2012，31（1）；1529-1536.

[2]曹瑞，包空軍.基于超聲波傳感器新技術的應用EJ].機械與電子，2009，（3）：49O一492.

[3]Brazenec W A，Doesken N J.An evaluation of two uhrasonicsnow depth sensors for potential use at automated sneface weather observing sites[J].Journal of Atmospheric and Oee—anic Technology，2006，（25）：1—10.

[4]泰永元.慣性導航[M].北京：科學出版社，2006：287—305.

[5]張小強，楊放春.一種基于GPRS技術的無線監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國數(shù)據通信，2004，1.

[6]梁延偉，梁海河，王柏林.超聲波傳感器雪深測量與人工觀測對比試驗分析.氣象科技，2012，4（2）.

[7]張毅剛.單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2010.