灘岸坍塌遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬東曉+劉澤+王海林

【摘要】 基于 GPRS 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)， 結(jié)合土壓力、加速計(jì)等多種傳感器的數(shù)據(jù)特點(diǎn)， 利用VC++設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了灘岸坍塌遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。除遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能外，還實(shí)現(xiàn)灘岸坍塌遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)預(yù)警等功能。

【關(guān)鍵詞】 坍塌監(jiān)測(cè) 傳感器 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集 GPS

一、研究背景

灘岸災(zāi)害發(fā)生時(shí)，無(wú)法第一時(shí)間了解危險(xiǎn)地帶的實(shí)際情況。針對(duì)此要求，迫切的需要一種可以實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)地帶監(jiān)測(cè)、自主運(yùn)行、危險(xiǎn)報(bào)警、集中監(jiān)測(cè)的坍塌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以長(zhǎng)時(shí)間脫離人員的監(jiān)管，在發(fā)生坍塌滑坡等情況下向后臺(tái)報(bào)警，從而節(jié)省人力物力時(shí)間，實(shí)現(xiàn)大范圍的有效監(jiān)測(cè)，同時(shí)獲取地勢(shì)變化情況，為防汛搶險(xiǎn)提供科技支撐。

二、灘岸坍塌遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能需求分析

系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)灘岸的變化監(jiān)測(cè)，在發(fā)生傾斜或坍塌滑坡時(shí)能夠及時(shí)感知，需要有傳感器探測(cè)當(dāng)前地勢(shì)是否滿(mǎn)足規(guī)定的地勢(shì)變化范圍內(nèi)，若地勢(shì)變化超限應(yīng)能夠被探測(cè)到。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠間隔一定的時(shí)間后觀察傳感器探測(cè)的數(shù)據(jù)是否滿(mǎn)足設(shè)置閾值要求或超限時(shí)給出超限標(biāo)志，需實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，并對(duì)轉(zhuǎn)換后的物理量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

若地勢(shì)變化超出設(shè)置范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)向指揮中心發(fā)出警報(bào)信息，供管理單位及時(shí)了解情況制定應(yīng)對(duì)措施。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能獨(dú)立運(yùn)行而無(wú)需外部條件輸入，如天線(xiàn)，供電等，監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠自身探測(cè)地勢(shì)信息而不用外接其他設(shè)備?？紤]到野外、雨季等影響，監(jiān)測(cè)設(shè)備不應(yīng)采用太陽(yáng)能電池等方案。

根據(jù)黃灘坍塌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能要求，需對(duì)地勢(shì)的信息進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)前常用的傳感器有振動(dòng)、磁場(chǎng)、陀螺、加速度計(jì)、光敏等原理，結(jié)合地勢(shì)的緩慢變化特點(diǎn)和各區(qū)域特性的一致性分析，采用加速度計(jì)敏感重力加速度計(jì)，從而采集地勢(shì)能夠普遍應(yīng)用于各個(gè)區(qū)域，利用加速度計(jì)敏感重力加速度從而求解地勢(shì)信息的基本原理如圖1所示：

地球表面垂直方向重力加速度為g，加速度敏感方向與重力加速度反方向夾角為θ，則加速度計(jì)采集的地勢(shì)信息關(guān)系為：

A=-g×cosθ

若灘岸坍塌造成監(jiān)測(cè)設(shè)備傾斜，則傾斜角θ增大，加速度計(jì)探測(cè)的值減小。地勢(shì)探測(cè)原理為安裝時(shí)通過(guò)水平尺調(diào)平兩方向的水平度，設(shè)定初始安裝角度小于5o，若加速度計(jì)探測(cè)傾斜角大于20°即探測(cè)值小于-0.766g則表明灘岸發(fā)生坍塌。

單軸加速度計(jì)在垂直個(gè)方向上產(chǎn)生傾斜時(shí)皆能探測(cè)到，采集地勢(shì)信息可采用定時(shí)周期采集加速度值，或通過(guò)硬件電路比較器，若超限則產(chǎn)生標(biāo)志位變化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的功能。

三、灘岸坍塌遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

加速度計(jì)敏感垂直方向上的重力加速度，若灘岸發(fā)生坍塌，則傾斜角增大，敏感的加速度值減小，控制器采集加速度值，判斷加速度范圍，若超限則與GSM模塊通訊，通過(guò)GSM向特定的指揮中心號(hào)碼發(fā)送警報(bào)信息。

四、灘岸坍塌遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在需監(jiān)測(cè)坍塌的灘岸上，設(shè)置一個(gè)水平臺(tái)，可以是木樁或水泥柱。安裝面平整，將坍塌監(jiān)測(cè)器放置在臺(tái)面上，通過(guò)水平器調(diào)整在5度范圍內(nèi)，通過(guò)螺釘固定監(jiān)測(cè)器。安裝監(jiān)測(cè)器完畢后，扯掉電池絕緣片，監(jiān)測(cè)器開(kāi)始工作，等待指令，通過(guò)手機(jī)向監(jiān)測(cè)器內(nèi)的SIM卡號(hào)碼發(fā)送指揮中興電話(huà)號(hào)碼，監(jiān)測(cè)器將號(hào)碼存儲(chǔ)下來(lái)，在需報(bào)警時(shí)向該號(hào)碼發(fā)送警報(bào)短信。通過(guò)GPS獲得當(dāng)前經(jīng)緯度等信息，使用手機(jī)向監(jiān)測(cè)器內(nèi)的SIM卡號(hào)碼發(fā)送該位置信息，監(jiān)測(cè)器將位置信息存儲(chǔ)下來(lái)再報(bào)警短信中添加該位置信息。

通過(guò)手機(jī)向監(jiān)測(cè)器內(nèi)的SIM卡號(hào)碼發(fā)送開(kāi)始工作指令，則監(jiān)測(cè)器開(kāi)始監(jiān)測(cè)灘岸地勢(shì)信息，操作人員不得擅自晃動(dòng)監(jiān)測(cè)器，初始化完成。監(jiān)測(cè)設(shè)備需定期維護(hù)，維護(hù)內(nèi)容為檢查是否正常工作和電池更換。檢查監(jiān)測(cè)器是否正常工作可采用發(fā)送詢(xún)問(wèn)短信獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，或者從臺(tái)面上拆下監(jiān)測(cè)器晃動(dòng)，是否有警報(bào)信息發(fā)送。電池更換方式為拆下監(jiān)測(cè)器外殼，更換電池，安裝外殼，發(fā)送開(kāi)始工作指令。

五、結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)灘岸坍塌監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用需求和使用環(huán)境等概述，明確了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求，針對(duì)功能要求進(jìn)行了詳細(xì)的需求分析和解決實(shí)施方案，從而形成了整體的系統(tǒng)工作原理。結(jié)合系統(tǒng)框圖，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用方法，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路和使用方法有了一定的指導(dǎo)，為后續(xù)工作的實(shí)施奠定了整體框架基礎(chǔ)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 羅利銳， 劉志 剛， 超 前 地 質(zhì) 預(yù) 報(bào) 系 統(tǒng) 的 提 出 及 其發(fā)展方向[J] . 巖土力學(xué).2011

[2] 沃肯巴赫.高級(jí) Vc++ 編程寶典： 中文版[M] . 馮飛，焦瑜凈，譯. 北京： 清華大學(xué)出版社，2009： 12- 13