地表偵察衛(wèi)士設(shè)計與研究

楊元清 秦剛 榮夢杰 叱嬋娟 李貴斌

[摘 要]滑坡地質(zhì)災(zāi)害具有臨界突發(fā)性、破壞力巨大等特點，隨著人類工程活動的日趨頻繁，造成的損失也越來越大，其中大部分具有很強的隱蔽性，不借助先進的監(jiān)測儀器設(shè)備很難發(fā)現(xiàn)其存在的安全隱患。地表偵察衛(wèi)士以STM32單片機為主控芯片，經(jīng)由加速度計、陀螺儀等對滑坡形變信息進行實時采集，結(jié)合角度解算與多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)得到整個監(jiān)測對象的形變量，并將采集到的形變信息通過VPN服務(wù)器傳送至遠程監(jiān)測端，能夠提前采取有效措施，把地質(zhì)災(zāi)害造成的危害降到最低。

[關(guān)鍵詞]滑坡監(jiān)測；陀螺儀；加速度計；遠程監(jiān)測

[中圖分類號]V279 [文獻標(biāo)識碼]A

在我國，一方面滑坡災(zāi)害分布廣泛，工程防治、機理研究、預(yù)測預(yù)報等起步較晚，而另一方面又面臨著國內(nèi)滑坡監(jiān)測儀器和監(jiān)測方法發(fā)展滯后的局面。因此，為了有效降低滑坡等地質(zhì)災(zāi)害給人類帶來的損失。研究一種應(yīng)用于滑坡監(jiān)測領(lǐng)域的地表偵察衛(wèi)士，并探求其監(jiān)測方法及監(jiān)測數(shù)據(jù)的應(yīng)用具有重大的科研和工程意義。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

“地表偵察衛(wèi)士”由現(xiàn)場測算線、無線數(shù)據(jù)發(fā)射端、無線數(shù)據(jù)接收端、現(xiàn)場監(jiān)測平臺和遠程監(jiān)測平臺組成?，F(xiàn)場測算線主要負責(zé)檢測傳感器的數(shù)據(jù)采集以及角度和震動信息的解算，然后將處理后的數(shù)據(jù)信息通過RS485通訊總線進行傳輸，通過無線傳輸顯示在現(xiàn)場監(jiān)測平臺上。現(xiàn)場監(jiān)測平臺通過搭建的VPN服務(wù)器實現(xiàn)與遠程監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)測平臺可以將數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中并可以執(zhí)行查詢?nèi)蝿?wù)，同時可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示出來方便工作人員分析。若檢測到的姿態(tài)角度超過設(shè)定的預(yù)警值，可以及時報警通知管理人員，同時監(jiān)測平臺可以對山體滑坡的形變程度進行評估。如圖1為地表偵察衛(wèi)士的總體結(jié)構(gòu)框圖。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，測算線由若干測算模塊通過RS485通訊總線的方式進行連接組合而成。對被監(jiān)測區(qū)域的形變量進行監(jiān)測，測算模塊采集到被監(jiān)測區(qū)域的形變量。測算模塊主要由以STM32微處理器為核心的最小系統(tǒng)模塊、陀螺儀和加速度計構(gòu)成的滑坡信息采集模塊、電源模塊、通信模塊及存儲模塊組成。

2.1 核心控制單元模塊

由STM32F103C8T6作為的系統(tǒng)的主控制器，它采用36管腳VFQFPN封裝，由32位中央處理單元（CPU12X）、256KB程序Flash（P-lash）、48KB RAM組成片內(nèi)存儲器，足夠存儲并運行復(fù)雜的姿態(tài)角度的解算算法，而且容量大，體積小。處理速度快可達72MHZ，與51單片機相比速度更快，功能更加強大。

2.2 電源模塊

電源是系統(tǒng)設(shè)計中的一個重要組成部分，穩(wěn)定可靠的電源模塊能夠為系統(tǒng)穩(wěn)定工作提供能源保障。為了提高系統(tǒng)的可靠性，根據(jù)傳感器和整個系統(tǒng)電源的需要，本系統(tǒng)采用ASM1117芯片將5V的電源轉(zhuǎn)換為3.3V為滑坡測算模塊提供工作電壓。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

本設(shè)計的數(shù)據(jù)采集模塊采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的三軸數(shù)字陀螺FXAS21002與FXOS8700CQ6加速度磁力計傳感器。該模塊為IIC通信協(xié)議，供電電壓3.3V，工作溫度范圍較廣（-40℃至+85℃）；角速率分辨率為0.0625 dps/LSB；輸出數(shù)據(jù)頻率（ODR）范圍：12.5 Hz至800 Hz。經(jīng)過融合后，可以得到準(zhǔn)確的角度信息。

2.4 通信模塊

采用MAX3485EN總線通訊電路，它是一種8管腳的收發(fā)器，RS-485采用半雙工通信方式，將TTL電平轉(zhuǎn)換為差分信號輸出，在接收端再進行信號還原，所以RS-485具有很強的抑制共模能力和高信號接收靈敏度。

2.5 存儲模塊

存儲芯片選用AT24C02存儲芯片。AT24C02具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大等特點，適用于具有大容量數(shù)據(jù)存儲要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，AT24C02與CPU之間采用IIC兩線制通信方式。將AT24C02的寫保護引腳WP接地，允許寫操作；SCL、SDA經(jīng)過+5V的上拉后分別接入主控制器的PA7和PA6口，主控制器通過這兩個口模擬I2C時序與存儲芯片通信，進行數(shù)據(jù)交換。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本項目中對各個功能模塊的編程設(shè)計是通過C語言實現(xiàn)的。軟件設(shè)計采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的編程思想，完成對地表偵察衛(wèi)士軟件功能的實現(xiàn)。為保證振動信號的準(zhǔn)確、實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳送，各個功能模塊更加靈活高效地實現(xiàn)各自的功能。地表偵察衛(wèi)士的軟件系統(tǒng)主要包括以下幾個模塊：

初始化模塊：初始化的作用主要是將系統(tǒng)各個部分從休眠等其他非工作狀態(tài)喚醒，讓系統(tǒng)開始運行到工作狀態(tài)。本系統(tǒng)下位機監(jiān)測端的初始化程序主要包含時鐘初始化、主控制器端口初始化、通信模塊初始化、存儲模塊初始化以及傳感器設(shè)備初始化等。

定時器模塊：系統(tǒng)軟件運行工作時定時器被正確設(shè)定和執(zhí)行確保系統(tǒng)的高效工作。單片機的定時器設(shè)置為10ms，用定時中斷函數(shù)控制著采樣時間，即執(zhí)行一次定時中斷就進行一次等間隔采樣。

姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊：STM32支持IIC總線的通信方式。所以設(shè)計通過GPIO口采用模擬IIC通信協(xié)議的方式，需要對模擬IIC協(xié)議中包含例如起始時序、應(yīng)答時序等子程序進行設(shè)計，從而對加速度計、陀螺儀的數(shù)據(jù)進行采集。

程序各個功能模塊之間相互依存，相互配合，實現(xiàn)對滑坡形變的準(zhǔn)確監(jiān)測。

4 結(jié)論

本文完成了系統(tǒng)模塊和整體的調(diào)試。實現(xiàn)對滑坡形變量準(zhǔn)確、實時的監(jiān)測，并進行數(shù)據(jù)存儲、顯示與報警，從而可以預(yù)見地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，采取及時有效的措施來減低其危害。

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