基于北斗通信的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖 斌 ，王洪輝 ，庹先國 ，2，彭鳳凌 ，徐少波

（1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.西南科技大學(xué)核廢物與環(huán)境安全國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，綿陽 621010）

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，每年因地質(zhì)災(zāi)害造成的損失巨大。其中滑坡災(zāi)害占總數(shù)的51%以上，是我國主要的地質(zhì)災(zāi)害類型[1]?，F(xiàn)階段我國地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測主要采用有線和GSM、GPRS等進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，而偏遠(yuǎn)的受災(zāi)地區(qū)通常通信、電力中斷[2]，上述的通信方式存在一定的弊端。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)全疆域無縫覆蓋，同時(shí)不受地面災(zāi)害和環(huán)境條件的限制，具有一次傳送多達(dá)120個(gè)漢字的短報(bào)文通信功能，因此開發(fā)遠(yuǎn)程北斗通信的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)可以為抗災(zāi)救災(zāi)發(fā)揮不可替代的作用[3]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由室外采集節(jié)點(diǎn)、室內(nèi)監(jiān)測中心組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 Block diagram of the system design

室外采集節(jié)點(diǎn)通過在滑坡體適當(dāng)位置安裝位移、傾斜角、雨量傳感器形成一個(gè)小型信息采集站，數(shù)據(jù)采集完成后由主控芯片SOC-C8051F530[4]控制室外北斗通信終端以短報(bào)文的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。室內(nèi)監(jiān)測中心由一個(gè)負(fù)責(zé)接收信息的北斗通信終端和一臺(tái)裝有監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)軟件的PC機(jī)組成。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由空間衛(wèi)星、地面控制中心和用戶終端三部分組成。北斗通信終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒蘙5]：

（1）地面控制中心實(shí)時(shí)掌控衛(wèi)星及用戶工作情況；

（2）用戶終端主動(dòng)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行通信申請(qǐng)，衛(wèi)星接收到后將其轉(zhuǎn)發(fā)到地面控制中心；

（3）地面控制中心收到用戶信號(hào)后，解讀出用戶申請(qǐng)的服務(wù)內(nèi)容，再將相關(guān)信息或通信內(nèi)容發(fā)送到衛(wèi)星；

（4）衛(wèi)星在收到控制中心發(fā)來的通信內(nèi)容后，轉(zhuǎn)發(fā)給用戶或收件人，實(shí)現(xiàn)通信服務(wù)。

2 室外采集節(jié)點(diǎn)

2.1 信息采集站

信息采集站由傳感器電路、信號(hào)調(diào)理電路、太陽能充電電路、電池電源管理電路、主控SOCC8051F530組成，具體框圖如圖2所示。

信息采集站采用SOC-C8051F530做主控MCU，它是一款完全集成的低功耗混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU。C8051F530內(nèi)部集成了一個(gè)增強(qiáng)型的UART，一個(gè)SPI串行接口，一個(gè)12位、16路模擬輸入ADC，三個(gè)通用的16位timer，同時(shí)它是一款汽車工業(yè)級(jí)的芯片，適合在惡劣環(huán)境下使用。

信息采集站中雨量傳感器采用SRY-1型雙閥容柵式雨量計(jì)（分辨率0.01 mm），將降雨量轉(zhuǎn)換成脈沖輸出，送到主控MCU的I/O口進(jìn)行計(jì)數(shù)。位移傳感器采用MSP-S-V型拉繩式位移傳感器，將位移變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化。信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)將位移傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波、幅度控制送入主控MCU的ADC。傾斜角傳感器選用芬蘭VTI公司的高精度雙軸傾斜角傳感器SCA100T（量程±90°，精度0.0025°），將傾斜角轉(zhuǎn)換為數(shù)字串行信號(hào)。

圖2 信息采集站結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of the information collection station

太陽能充電電路采用具有太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能的充電管理集成芯片CN3722，為鉛酸電池充電。電池電源管理電路由鉛酸蓄電池，DCDC電壓變換電路及開關(guān)控制電路組成。鉛酸蓄電池經(jīng)DC-DC電壓變換電路后為傳感器，主控MCU，北斗通信發(fā)送終端等供電，開關(guān)控制電路用于接通或斷開室外采集節(jié)點(diǎn)各部分電路的電源。

2.2 北斗通信發(fā)送終端

北斗通信終端采用國騰電子的北斗/GPS一體式用戶機(jī)，該終端融合了北斗和GPS兩種衛(wèi)星定位模式，具有北斗報(bào)文通信功能，并具備良好的野外環(huán)境適應(yīng)能力。主要指標(biāo)有：①外接直流電源電壓：9 V～36 V，系統(tǒng)中由鉛酸蓄電池為其提供12 V電源；②通訊接口：RS232串行接口；③通訊定位頻率：<1 次/min； ④接口傳輸速率：1200～115200 bit/s，系統(tǒng)中采用9600 bit/s。

2.3 電平轉(zhuǎn)換電路

電平轉(zhuǎn)換電路由SP3232[6]芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)串口TTL電平與北斗RS232串口電平間的轉(zhuǎn)換，硬件電路如圖3所示。

圖3 電平轉(zhuǎn)換電路Fig.3 Circuit diagram of the level translation

3 室內(nèi)監(jiān)測中心

3.1 北斗通信接收終端

北斗通信接收終端也采用國騰電子的北斗/GPS一體式用戶機(jī)，數(shù)據(jù)由RS232串口線送往PC機(jī)。12 V的供電電源由恒率電源科技公司的ACDC模塊AC220S12DC-20W將220 V交流電轉(zhuǎn)換為12 V直流電。

3.2 監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)

監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)軟件由監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示界面和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)組成。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示界面由JSP動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)技術(shù)來完成，可以實(shí)時(shí)顯示傳感器傳回的位移、傾斜角、雨量等滑坡體信息。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Access數(shù)據(jù)庫配合JAVABEAN[6]組件來完成。監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)測預(yù)警平臺(tái)界面圖Fig.4 Interface diagram of the monitoring station

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 北斗通信協(xié)議

信息監(jiān)測站要將信息通過北斗發(fā)送終端發(fā)送到北斗接收終端，必須先將信息編碼成北斗終端的短報(bào)文格式，再送到北斗終端發(fā)送。北斗編碼基本格式[7]：通信命令，命令總長，本機(jī)ID，收方ID，信息內(nèi)容，內(nèi)容長度，發(fā)送的數(shù)據(jù)，校驗(yàn)和。

例如：ID號(hào)為425294的北斗機(jī)向ID號(hào)為425294的北斗機(jī)發(fā)送123456的命令如表1所示。

表1 北斗通信協(xié)議Tab.1 Protocol of the Beidou communication

4.2 信息采集站程序流程

考慮到由鉛酸蓄電池供電的野外監(jiān)測儀器必須是低功耗的[8]，在需要某模塊工作時(shí)才為其開啟供電電源。為了提高數(shù)據(jù)采集精度，對(duì)數(shù)據(jù)采用了多次平均值濾波算法，同時(shí)進(jìn)行曲線擬合以校正傳感器的非線性。信息采集站程序流程如圖5（a）所示。

4.3 北斗通信程序流程

野外設(shè)備中，北斗終端上電后，主控MCU先向北斗發(fā)送IC檢測命令若回復(fù)正確再向北斗發(fā)送通信申請(qǐng)，如圖5（b）的流程進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送通信。

圖5 信息采集站及北斗通信程序流程圖Fig.5 Flow chart of the information collection station and Beidou communication

北斗在接收控制中心的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)串口采取中斷方式，先按位將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)空間中，再提取出修改指令，完成相應(yīng)采集時(shí)間間隔等工作參數(shù)的設(shè)定。

5 實(shí)際應(yīng)用

目前系統(tǒng)應(yīng)用于“貴州省地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與決策支持平臺(tái)”項(xiàng)目，工點(diǎn)位于畢節(jié)至威寧高速公路第4～6合同段人工開挖邊坡，沿垂直裂縫走向安裝了一只量程為1000 mm的位移傳感器，巖體平面安裝了一只傾斜角傳感器，儀器箱旁安裝雨量計(jì)，蓄電池采用山特牌12 V/60 Ah的膠體鉛酸蓄電池，經(jīng)3個(gè)月的測試，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)精度達(dá)到：位移1mm、傾斜角0.03°、雨量0.1 mm，北斗數(shù)據(jù)傳輸丟包率低，蓄電池電量充足，系統(tǒng)總體工作正常穩(wěn)定。系統(tǒng)安裝圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)安裝圖Fig.6 Installation diagram of the system

6 結(jié)語

本文提出了基于北斗通信的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)方案，解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)監(jiān)測儀器的通訊問題，同時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)精度高，能為災(zāi)害應(yīng)急、科學(xué)研究提供及時(shí)有效的滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)。它的使用也對(duì)北斗系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值。

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