凍土路基溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)

孟上九 李想 孫義強(qiáng) 王淼

摘 要：季凍區(qū)路基在凍融作用下常常發(fā)生凍脹、融沉等病害，其中路基土的溫、濕度水平是致災(zāi)的重要因素。針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測手段單一，路基溫、濕度全時(shí)空監(jiān)測困難等問題，利用遠(yuǎn)程無線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于GPRS（通用分組無線服務(wù)）通信技術(shù)的季凍土路基溫、濕度雙參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測路基溫、濕度變化。系統(tǒng)采用土壤專用的溫、濕度傳感器作為采集終端；以STC89C52單片機(jī)作為主控制器，通過編輯AT指令控制GPRS連通網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)收發(fā)，實(shí)現(xiàn)溫、濕度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和存儲(chǔ)。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證該系統(tǒng)采集精度高、穩(wěn)定可靠、操作方便，可實(shí)現(xiàn)對(duì)季凍土路基內(nèi)部溫、濕度的實(shí)時(shí)無損監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：季節(jié)凍土；溫濕度監(jiān)測；GPRS通信

DOI：10.15938/j.jhust.2018.03.012

中圖分類號(hào)： TN929.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2018）03-0066-06

Design of the Frozen Soil Roadbed Temperature

and Humidity Wireless Monitoring System

MENG Shang-jiu1， LI Xiang1，2， SUN Yi-qiang1， WANG Miao1

（1.Disaster Prevention Research Center for Civil Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China；

2.School of Measure-control Technology and Communication Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：The seasonal roadbed of the frozen soil often frost， heave， thaw and settle under the circumstance of frozen and thawed. Among all the factors that cause such damage， temperature and humidity levels are the most significant. According to the problems like too simple measure and monitoring methods， hard to have all space-time monitoring and measure of roadbed and so on in the past， we use remote wireless transmission technique to design two-parameter of monitoring and measure system of temperature and humility in the roadbed of seasonal frozen soil based on the GPRS（General Packet Radio Service） communication technique which can real-timely monitor and measure the change of temperature and humility of the roadbed. The system uses special-purpose soil sensors of temperature and humility as collection terminals； uses STC89C52 single chip as the main controller to achieve remote transmission and storage of data of temperature and humility by editing AT commands to control GPRS network connection and data sending and receiving. We have tested this system and prove that it is a system of high-precision of collection， stabilization， reliability， simple operation which can be used for real-time and undamaged monitoring and measure of temperature and humility of inner-roadbed of seasonal frozen soil.

Keywords：seasonal of frozen soil； temperature and humidity monitoring； GPRS communication

0 引 言

季節(jié)性凍土在世界范圍內(nèi)廣泛分布，而季凍區(qū)公路路基在凍融循環(huán)作用下易發(fā)生凍脹、融沉等災(zāi)害，使路基失穩(wěn)乃至破壞，土體濕度（即含水量）和溫度的變化是導(dǎo)致諸多道路災(zāi)害的直接因素。因此，連續(xù)獲取季凍區(qū)路基土溫度和濕度數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律對(duì)防治路基凍融破壞具有重要意義[1]。

在季凍區(qū)路基溫濕度研究與監(jiān)測方面，Konard[2]等通過對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)的研究描述了路基土在正凍狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)形成和水分遷移的計(jì)算模型。何東坡[3]等利用DS18B20溫度傳感器獲得了路基內(nèi)部在不同時(shí)期、深度的溫度分布狀況。毛雪松[4]等利用自主研發(fā)的溫度-濕度-荷載綜合模型在室內(nèi)進(jìn)行模擬路基凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)。韓春鵬[5]等進(jìn)行寒區(qū)公路路基溫度場的自動(dòng)監(jiān)測，并分析了溫度特性。受季凍區(qū)惡劣自然環(huán)境和現(xiàn)場條件限制，目前已有的溫濕度測監(jiān)方法較為繁瑣、能實(shí)現(xiàn)溫濕度現(xiàn)場聯(lián)測的比較少。

本文從季凍土路基的溫濕度監(jiān)測實(shí)際需求出發(fā)[6]，設(shè)計(jì)一種基于GPRS多傳感器的凍土路基溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以GPRS網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，建立數(shù)據(jù)采集終端與監(jiān)測中心之間的通信連接，并進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用硬件和軟件組合的設(shè)計(jì)方式。系統(tǒng)硬件由溫濕度傳感器、主控制器、GPRS模塊和電源模塊構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集終端，其功能包括數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、發(fā)送和電源的提供。系統(tǒng)軟件的組成包括采集端軟件編寫和后端遠(yuǎn)程服務(wù)器即監(jiān)測中心的建立，服務(wù)器將數(shù)據(jù)由代碼的形式轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗円锥奈淖趾蛨D表形式，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程監(jiān)測。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了滿足現(xiàn)場實(shí)際的測量需求，適應(yīng)我國廣大的季節(jié)性凍土區(qū)域的環(huán)境特點(diǎn)，系統(tǒng)應(yīng)克服高寒和潮濕等自然條件，能夠做到長期可持續(xù)的并且免維護(hù)的穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)硬件在設(shè)計(jì)必須具有抗低溫、防潮濕、耐腐蝕、抗干擾能力強(qiáng)、測量精度可靠、能量可持續(xù)和便于安裝等特點(diǎn)。

系統(tǒng)硬件即數(shù)據(jù)采集終端[7]，以STC89C52RC-40I工業(yè)級(jí)單片機(jī)作為主控制器，外圍硬件包括高精度的溫度傳感器SHT20，土壤型濕度傳感器SMS-II-100，四頻GPRS模塊SIM800，電源模塊以及串口模塊等。以上各硬件模塊的工作溫度范圍都在-40℃～+85℃且滿足工業(yè)級(jí)環(huán)境要求，可減少低溫和其它條件的干擾，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

溫度和濕度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)發(fā)送給STC89C52單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過分析和處理，并通過AT指令控制GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心，考慮到土壤溫濕度在一天當(dāng)中的變化較為緩慢，為減少系統(tǒng)能量損耗采用DS1302N時(shí)鐘芯片作為時(shí)鐘電路控制時(shí)間，初步設(shè)定采集的時(shí)間間隔為2h[8]。

2.1 溫濕度傳感器模塊及其封裝

監(jiān)測路基溫度采用Sensirion公司生產(chǎn)的SHT20溫濕度傳感器，它配有能隙溫度傳感器和相對(duì)濕度傳感器，內(nèi)部由放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、OTP內(nèi)存和數(shù)字處理單元組成。傳感器溫度測量量程為-40℃～+125℃，精度在負(fù)溫下的誤差為±0.3℃，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[9]。封裝后可直接埋于土壤里進(jìn)行溫度測量。SHT20與單片機(jī)的接線電路如圖3所示。

SHT20輸出的數(shù)字信號(hào)是采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線進(jìn)行通訊，控制器可通過I2C總線進(jìn)行命令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的讀取，該芯片由4引線封裝，易與單片機(jī)連接和通信。

雖然SHT20同樣具有測量濕度的能力，但它只能測量空氣濕度，土壤濕度和空氣濕度不具有相同的定義，故測量方法也不同。由于受到季凍土路基內(nèi)部監(jiān)測環(huán)境影響，這就要求濕度傳感器具有耐低溫、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[10]。本設(shè)計(jì)采用大連祺峰科技的土壤型濕度傳感器SMS-II-100，它的濕度測量量程為0～100%，測量精度5%RH（最大值），其內(nèi)部等效為串聯(lián)RLC諧振電路如圖4所示。

SMS-II-100是基于FDR（頻域反射技術(shù)）的一種土壤含水量傳感器，它利用電磁脈沖原理、根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù)ε，從而得到土壤容積含水量θυ[11]。因?yàn)閭鞲衅鞑扇‰妷狠敵?，還需通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0832將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

溫度傳感器SHT20要長期的埋在土體里面進(jìn)行測量，這對(duì)于傳感器內(nèi)的集成電路來說是一種極大的考驗(yàn)，在眾多不安全因素中，水的存在對(duì)電路破壞性是最大的，因此在埋設(shè)之前必須要對(duì)傳感器進(jìn)行封裝處理。SHT20采用灌封處理，在傳感器外加上一層護(hù)套，護(hù)套由銅顆粒燒結(jié)和PE材料構(gòu)成，特點(diǎn)是防水透氣，對(duì)測量值無任何干擾。而濕度傳感器的不銹鋼探針要與土壤接觸不要求特定的封裝，傳感器實(shí)物如圖5所示。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

由于監(jiān)測系統(tǒng)需放置在野外環(huán)境中工作，布置電線比較困難，且數(shù)據(jù)的采集周期長。實(shí)驗(yàn)證明，選擇太陽能電池板加鉛酸蓄電池的供電方案，經(jīng)濟(jì)實(shí)用[12]。系統(tǒng)采取30W的單晶硅電池板，蓄電池采用12V/20Ah的鉛酸蓄電池供電，電池板和蓄電池之間由基于智能芯片控制的多功能光伏充放電管理系統(tǒng)EPOW-PS10進(jìn)行控制。為了進(jìn)一步節(jié)省電量，在非工作時(shí)間，通過軟件設(shè)計(jì)將系統(tǒng)置于低功耗狀態(tài)。

系統(tǒng)外部的輸入電壓為12V，STC89C52單片機(jī)供電電壓和濕度傳感器SMS-II-100允許供電電壓均為5V，溫度傳感器SHT20的最佳工作電壓為3.3V，GPRS無線模塊SIM800的工作電壓為4V，因此本系統(tǒng)需要的電壓有5V、3.3V和4V。12V轉(zhuǎn)5V的電源采用美國NS公司的LM2596芯片來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換電路如圖6所示。

3.3V的電源部分采用先將12V通過LM2596轉(zhuǎn)成5V之后，再通過芯片LM1117-3.3V來實(shí)現(xiàn)，防止因壓差過大導(dǎo)致芯片發(fā)熱。對(duì)于SIM800模塊來說，當(dāng)以最大功率發(fā)射時(shí)，電流峰值瞬間最高可達(dá)到2A，所以采用MICREL公司的大電流低電壓穩(wěn)壓芯片MIC29302提供電源。兩種降壓電源電路見圖7。

2.3 GPRS與單片機(jī)接口電路

GPRS模塊采用SIMCOM公司的工業(yè)級(jí)四頻SIM800芯片，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、傳真信息和數(shù)據(jù)的傳輸。其中SIM800采用RS-232異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口，接口電平采用RS-232電平。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的串口采用的是與RS-232不同的TTL電平，成功的實(shí)現(xiàn)兩者通信必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)采用MAXIM公司生產(chǎn)的，包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器的MAX232芯片作為電平轉(zhuǎn)換芯片。通信接口電路如圖8所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)可以分成系統(tǒng)初始化、GPRS初始化、單片機(jī)控制溫濕度傳感器采集和讀取程序、單片機(jī)與GPRS模塊的串口通信程序、GPRS模塊網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)發(fā)送程序、時(shí)鐘電路提供系統(tǒng)時(shí)鐘程序等。數(shù)據(jù)采集終端的主程序流程圖如圖9所示。

3.2 GPRS通信

GPRS是一種基于GSM系統(tǒng)的通用無線分組服務(wù)技術(shù)，提供端到端的廣域無線IP連接。SIM800內(nèi)集成TCP/IP協(xié)議棧，TCP稱為傳輸控制協(xié)議，主要目的是進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的傳輸并確保無誤，它提供了錯(cuò)誤檢測、數(shù)據(jù)復(fù)原和超時(shí)重發(fā)等機(jī)制來保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸[13]。

單片機(jī)與GPRS模塊通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，使用AT指令控制GPRS模塊[14]。若單片機(jī)發(fā)送指令正確，SIM800將返回OK或其它指令，錯(cuò)誤則返回ERROR或其它指令。單片機(jī)通過返回的指令來確定下一步的執(zhí)行程序。單片機(jī)控制GPRS連接網(wǎng)絡(luò)程序流程如圖10。

3.3 監(jiān)測中心軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的監(jiān)測中心軟件采用Microsoft公司Visual Basic 6.0版本的可視化編程軟件設(shè)計(jì)而成[15]，通過VB6.0的Winsock控件的監(jiān)聽功能監(jiān)聽來自GPRS模塊的TCP連接請(qǐng)求。當(dāng)服務(wù)器監(jiān)聽到連接請(qǐng)求后，采集到的數(shù)據(jù)被TCP/IP協(xié)議棧打包，GPRS主動(dòng)通過連接Internet網(wǎng)絡(luò)，按照預(yù)先設(shè)置好的IP地址和端口號(hào)呼叫遠(yuǎn)程服務(wù)器。服務(wù)器接收到請(qǐng)求并確認(rèn)正確后接受建立Socket連接接收數(shù)據(jù)，然后拆包并將數(shù)據(jù)寫入到Access 2007數(shù)據(jù)庫中，完成了數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和管理，提供了友好的人機(jī)交互界面[16]。監(jiān)測中心軟件可以通過選擇不同的監(jiān)測點(diǎn)，接收并實(shí)時(shí)顯示此點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)，還可顯示當(dāng)日的天氣情況，以及對(duì)歷史數(shù)據(jù)的讀取和打印。監(jiān)測中心軟件設(shè)計(jì)流程圖和操作界面分別如圖11、圖12所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在試驗(yàn)場地選取兩組測試點(diǎn)，其中測點(diǎn)A距離地面10cm，測點(diǎn)B距離地面30cm，每組各由一只溫度和濕度傳感器組成。兩組傳感器埋設(shè)如圖13所示。

監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)測數(shù)據(jù)繪制的溫、濕度曲線如圖14和圖15所示。

通過對(duì)監(jiān)測點(diǎn)26個(gè)小時(shí)（4月4日上午8點(diǎn)-4月5日上午10點(diǎn)）的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測繪制的溫度曲線可以得出以下結(jié)論：路基土的溫度在一天內(nèi)是不斷變化的，在日出前后溫度達(dá)到最低，日出后路基溫度不斷上升，在當(dāng)日下午3時(shí)達(dá)到最大值，隨后盡管日照強(qiáng)度減弱，但地面熱量仍有累積，熱量向下傳導(dǎo)使路基溫度繼續(xù)上升，在下午7點(diǎn)左右達(dá)到峰值，隨后路基溫度開始下降。由于熱量在傳遞過程中的損耗，不同深度溫度不同，從圖中可以看出深度為10cm的溫度變化較大，而30cm的溫度變化較小。

從上圖的路基濕度曲線來看，路基的濕度在一天當(dāng)中同樣會(huì)發(fā)生變化，但變化并不明顯。而濕度在路基深度上存在很大差異，從表層到30cm深度路基含水量呈增加趨勢(shì)。但這并不說明路基土的含水量一直穩(wěn)定，因?yàn)樵诖杭救谘┮约跋募敬笥甓紩?huì)導(dǎo)致路基含水量的急劇變化，所以既需要對(duì)此進(jìn)行長期觀測，又需要有以“天”為單位的加密實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)的后續(xù)工作將為此展開。

5 結(jié) 論

本文從道路安全監(jiān)測角度出發(fā)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套季凍區(qū)路基溫、濕度實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)。使用小型化的土壤溫、濕度傳感器，以單片機(jī)為控制核心，以GPRS為通信工具，可以將路基溫、濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和顯示。實(shí)現(xiàn)了對(duì)路基溫、濕度的連續(xù)監(jiān)測、自動(dòng)采集、存儲(chǔ)和網(wǎng)上傳輸。該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、精度高、成本低廉，為凍土路基溫、濕度的實(shí)時(shí)采集及安全監(jiān)測提供了技術(shù)手段，具有較高的實(shí)用性。該系統(tǒng)也可為農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域以及其它隱蔽工程的在線安全監(jiān)測提供技術(shù)手段。

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