基于STM32的滑坡體在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王真 溫宗周 高園平

摘 要：針對(duì)我國(guó)自然災(zāi)害頻發(fā)且嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，本文以眾多災(zāi)害中最為嚴(yán)重的滑坡災(zāi)害為例進(jìn)行研究，運(yùn)用多傳感器、無線射頻、GPRS通訊、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)設(shè)計(jì)了一款滑坡體在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將滑坡災(zāi)害誘發(fā)因素的數(shù)據(jù)信息通過無線采集終端上傳至現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，并由現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)滑坡災(zāi)害發(fā)生概率進(jìn)行多級(jí)預(yù)警，最終使得整個(gè)系統(tǒng)在預(yù)警過程中形成具有以現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端預(yù)警結(jié)果和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心預(yù)警結(jié)果互為補(bǔ)充、校驗(yàn)功能的多級(jí)預(yù)警系統(tǒng)。該多級(jí)預(yù)警系統(tǒng)可讓潛在滑坡災(zāi)害區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)人員和負(fù)責(zé)該區(qū)域的客戶端防災(zāi)減災(zāi)指揮人員都能夠充分、準(zhǔn)確地掌握潛在滑坡災(zāi)害區(qū)域臨災(zāi)前的坡體活動(dòng)情況，具有一定的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：滑坡監(jiān)測(cè);多傳感器;無線通訊;機(jī)器學(xué)習(xí)

0 引言

在我國(guó)遼闊的地域上，擁有平原、盆地、丘陵、山地、高原五大基本地貌形態(tài)，其中占國(guó)土面積33%的山地最為廣闊，地質(zhì)構(gòu)造和氣候水文條件也較為復(fù)雜，導(dǎo)致我國(guó)成為一個(gè)滑坡災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家[1]。另外，據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究文獻(xiàn)[2]顯示，我國(guó)自2007年至2015年期間所發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害中，滑坡災(zāi)害除2008年以外均占到地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的半數(shù)以上，形勢(shì)十分嚴(yán)峻。其中具有代表性的是僅在2015年全國(guó)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害8224起，共造成229人死亡、58人失蹤、138人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失24.9億元[3]，其中滑坡災(zāi)害5616起，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的68.3%[4]。 由此可見，在所有的地質(zhì)災(zāi)害中所占比重最大的是滑坡，滑坡災(zāi)害亟待予以有效地監(jiān)測(cè)預(yù)警來減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。本文以影響滑坡發(fā)生的各個(gè)因素為依據(jù)，以得出在各因素影響下滑坡發(fā)生的概率為目標(biāo)，準(zhǔn)確無誤地給出潛在災(zāi)害區(qū)域滑坡發(fā)生的概率，使?jié)撛跒?zāi)害區(qū)域的坡體變化情況被人們所預(yù)知，最終實(shí)現(xiàn)潛在災(zāi)害區(qū)域?yàn)?zāi)情信息的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸和多級(jí)預(yù)警功能。監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)不僅可以對(duì)山體、坡體的活躍情況進(jìn)行預(yù)判，降低近鄰人群的生命財(cái)產(chǎn)損失，提高人們對(duì)危險(xiǎn)的感知力，還可以預(yù)先為重要工程建設(shè)用地的選址提供參考?；诙鄠鞲衅?、無線通訊和機(jī)器學(xué)習(xí)的滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是中國(guó)防災(zāi)減災(zāi)工作信息化建設(shè)過程中的不二之選。

1 滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)由傳感器模塊、微處理器模塊、存儲(chǔ)模塊、無線射頻模塊、人機(jī)交互模塊（LCD顯示及按鍵）、報(bào)警模塊、GPRS模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、客戶端組成?；卤O(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)搭建完成，配置好各模塊功能并初始化后，用戶可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、人機(jī)交互模塊，對(duì)土體壓力、地表位移、土壤含水率、降雨量等滑坡影響因素進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)查詢。系統(tǒng)正常工作時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)入智能控制模式，隔一定時(shí)間獲取無線采集終端的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過無線射頻模塊傳送至現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端的微處理器模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值判斷并決定是否啟動(dòng)報(bào)警模塊，同時(shí)將數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心根據(jù)預(yù)報(bào)模型計(jì)算、預(yù)判出坡體將會(huì)發(fā)生滑坡的概率，做出是否進(jìn)行滑坡預(yù)警的決策。如果需要進(jìn)行滑坡預(yù)警，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心會(huì)通過GPRS模塊發(fā)出指令給現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端的微處理器模塊，由微處理器模塊發(fā)送指令給報(bào)警模塊，同時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心會(huì)通過GPRS模塊把預(yù)警信息以廣播、短消息的形式發(fā)送給客戶端的相關(guān)決策者和防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急指揮人員。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要由無線采集終端和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端構(gòu)成。前者主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、無線射頻傳輸功能，后者主要實(shí)現(xiàn)無線射頻傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)越限報(bào)警、GPRS通訊功能。考慮系統(tǒng)的工作需求，無線采集終端和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端均選用意法半導(dǎo)體公司的ARM微控制器STM32F103芯片為控制核心。參考官方數(shù)據(jù)手冊(cè)設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)，系統(tǒng)以內(nèi)部SRAM方式啟動(dòng)。選用3.3V電源為主芯片供電，電源模塊以12V鋰電池和光伏發(fā)電模組互補(bǔ)的形式為無線采集終端和現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端供電。穩(wěn)壓模塊通過將12V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V電壓為系統(tǒng)供電，將5V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3V電壓，為采集電路等提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓環(huán)境。系統(tǒng)選用存儲(chǔ)方式為鐵電存儲(chǔ)、具有掉電后數(shù)據(jù)可保存特點(diǎn)的FM24C08作為存儲(chǔ)芯片，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)和傳感器采集的數(shù)據(jù)，其與微處理器采用IIC通訊方式。采集模塊通過A/D轉(zhuǎn)換、RS232、RS485、脈沖通信方式，將土體壓力、地表位移、土壤含水率、降雨量信息傳輸給無線采集終端的微控制器，最終經(jīng)過CC1101射頻芯片將數(shù)據(jù)傳輸至現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端的微控制器并進(jìn)行越限報(bào)警。SIM900A通訊模塊將傳感器采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。人機(jī)交互模塊通過4寸電阻式觸摸屏對(duì)土體壓力、土壤含水率等采集要素進(jìn)行設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取。SIM900A通訊模塊通過SIM卡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析決策，并將決策結(jié)果傳輸?shù)娇蛻舳斯┓罏?zāi)減災(zāi)的決策人員使用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在前期調(diào)查、掌握以往滑坡發(fā)生區(qū)域滑坡體演變過程的土體壓力、地表位移、土壤含水率、降雨量數(shù)據(jù)及其相應(yīng)滑坡發(fā)生情況的基礎(chǔ)上，總結(jié)一套較為完備的致災(zāi)因子與致災(zāi)結(jié)果數(shù)據(jù)庫。于遠(yuǎn)程監(jiān)控中心應(yīng)用BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法將上述致災(zāi)因子、致災(zāi)結(jié)果數(shù)據(jù)分別作為輸入與輸出進(jìn)行分析訓(xùn)練，得到一個(gè)初步的滑坡預(yù)報(bào)決策模型。同時(shí)利用潛在滑坡災(zāi)害發(fā)生區(qū)以往的致災(zāi)因子、致災(zāi)結(jié)果分析出現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端的初步致災(zāi)因子越限值。此時(shí)為現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端設(shè)置的各致災(zāi)因子初步越限值和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的初步滑坡預(yù)報(bào)決策模型都不是很準(zhǔn)確，均需要通過滑坡預(yù)報(bào)決策模型的不斷優(yōu)化來糾正。

當(dāng)滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)開始應(yīng)用于潛在滑坡發(fā)生區(qū)時(shí)，無線采集終端會(huì)將各傳感器采集的致災(zāi)因子數(shù)據(jù)上傳至現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端根據(jù)系統(tǒng)所設(shè)置的致災(zāi)因子初步越限值對(duì)滑坡發(fā)生情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端會(huì)將致災(zāi)因子數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心根據(jù)先前得到的初步滑坡預(yù)報(bào)決策模型做出最終的滑坡發(fā)生決策。如果初步滑坡預(yù)報(bào)決策模型所得出的滑坡發(fā)生情況不準(zhǔn)確，則初步滑坡預(yù)報(bào)決策模型會(huì)根據(jù)其自身所得預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的偏差來不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而修正、完善模型參數(shù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心會(huì)根據(jù)初步滑坡預(yù)報(bào)決策模型的變化更新現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端所設(shè)置的致災(zāi)因子初步越限值。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用廉價(jià)的ARM芯片作為控制系統(tǒng)的核心。介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)、硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過調(diào)試，滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將所采集潛在滑坡災(zāi)害區(qū)域的致災(zāi)因子數(shù)據(jù)同步到現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端并由現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端進(jìn)行致災(zāi)因子越限預(yù)警?，F(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端在對(duì)各致災(zāi)因子進(jìn)行預(yù)判的同時(shí)，會(huì)將各致災(zāi)因子數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，最終于遠(yuǎn)程監(jiān)控中心完成對(duì)數(shù)據(jù)的分析決策，并將決策結(jié)果發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端和客戶端，實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、客戶端所組成的多級(jí)預(yù)警功能。由于滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警過程不需要人為監(jiān)管，主要通過滑坡預(yù)報(bào)決策模型的自學(xué)習(xí)功能不斷跟進(jìn)、響應(yīng)潛在滑坡災(zāi)害區(qū)域各致災(zāi)因子變化，從而通過無線采集終端所獲得的致災(zāi)因子數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警終端、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)分析處理、自學(xué)習(xí)功能獲得一個(gè)具有多級(jí)預(yù)警、自反饋、魯棒性強(qiáng)特點(diǎn)的滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

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