降雨誘發(fā)型滑坡預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王永杰 周國(guó)清 周叔一 張飆

摘 ?要： 針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)和非現(xiàn)場(chǎng)滑坡監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)適用于降雨誘發(fā)型滑坡災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)由一個(gè)主控單元和多個(gè)預(yù)設(shè)不同傾角閾值的滑坡傳感器構(gòu)成?；聜鞲衅髀袢肟赡芑碌默F(xiàn)場(chǎng)，主控單元安裝在附近人員家中或工作單位內(nèi)?；鲁霈F(xiàn)時(shí)達(dá)到傾角閾值，觸發(fā)滑坡傳感器供電并發(fā)射無(wú)線信號(hào)給主控單元，主控單元收到信號(hào)后啟動(dòng)聲光報(bào)警器并發(fā)送手機(jī)短信給責(zé)任人。主控單元采用STM32微處理器和SIM900短信模塊實(shí)現(xiàn)滑坡地點(diǎn)和責(zé)任人信息設(shè)置和預(yù)警短信發(fā)送。系統(tǒng)軟件由μC/OS操作系統(tǒng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了基于消息郵箱通信的多任務(wù)程序設(shè)計(jì)，采用有限狀態(tài)機(jī)解析短信內(nèi)容能有效剔除垃圾短信。滑坡傳感器只在滑坡出現(xiàn)時(shí)供電，解決了傳感器長(zhǎng)期供電難題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)體積小、成本低、實(shí)用性強(qiáng)、適用于保護(hù)滑坡點(diǎn)附近人員的生命安全。

關(guān)鍵詞： 滑坡預(yù)警; 降雨型滑坡; 滑坡傳感器; 主控單元; 信息設(shè)置; 短信模塊; 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN911?34; TP301.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）20?0139?06

Design of warning system for rainfall induced landslide

WANG Yongjie1， ZHOU Guoqing2， ZHOU Shuyi3， ZHANG Biao1

（1. Department of Information Science and Engineering， Guilin University of Technology，Guilin 541004，China;

2. Guangxi Key Laboratory for Geospatial Informatics and Geomatics Engineering， Guilin 541004， China;

3. Guilin Danzhong Science and Technology Ltd， Guilin 541004， China）

Abstract： In allusion to the current situation of monitoring on? and off?site landslide， the disaster warning system for rainfall induced landslide is designed and implemented. The system is composed of a main control unit and multiple landslide sensors with preset different dip angle thresholds. The landslide sensors are ?embedded in the possible landslide sites and the main control unit is installed in ?a person′s home or the work unit near the possible landslide sites. When the landslide occurs and it reaches the dip angle thresholds， the landslide sensor is triggered to supply power and send wireless signals to the main control unit. After receiving the signal， the main control unit starts the audible and visual alarm and sends short messages to responsible persons. The STM32 microprocessor and SIM900 short message module is used in the main control unit to realize information setup of landslide location and for the responsible persons， and send early warning short messages. The system software is scheduled by μC/OS operating system， to realize multi?task programming based on message mailbox communication. The finite state machine is used to parse the content of short messages， which can effectively eliminate spam short messages. The landslide sensors supplies power only when the landslide occurs， which solves the difficulties existing in long?term power supply for the sensor. The system has the advantages of small size， low cost， strong practicability， and is suitable for protecting the life safety of people near the landslide point.

Keywords： landslide warning; rainfall?type landslide; landslide sensor; main control unit; information setting; message module; system design

0 ?引 ?言

滑坡是一種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，降雨則是滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素，大部分滑坡都具有“大雨大滑、小雨小滑、無(wú)雨不滑”的特征[1]?；卤O(jiān)測(cè)是對(duì)滑坡體進(jìn)行形變檢測(cè)，由于滑坡發(fā)生的隨機(jī)性高，滑坡體形變屬于緩慢變化，通常需要不間斷的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)[2]。目前滑坡檢測(cè)分為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和非現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)兩種方式：現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是在可能滑坡的地點(diǎn)安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備;非現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)采用人工或半人工職守方式在遠(yuǎn)離滑坡點(diǎn)的地方安裝監(jiān)測(cè)設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)滑坡監(jiān)測(cè)設(shè)備根據(jù)滑坡機(jī)理采用專用或通用的電傳感器[3?5]，該方式存在傳感器長(zhǎng)期供電難題。有些系統(tǒng)配置了太陽(yáng)能互補(bǔ)供電[6]，造成設(shè)備體積大，成本高，易遭受人為破壞，而且在南方地區(qū)滑坡發(fā)生前陰雨天氣概率較高，太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備發(fā)電效率低，會(huì)使蓄電池充電不足，這些都限制了此類系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。非現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)運(yùn)用了先進(jìn)的激光掃描和雷達(dá)技術(shù)[7?8]，這種方案不需要把傳感器放置在滑坡地點(diǎn)，但傳感器更貴，還需要建設(shè)觀測(cè)間，即使是自動(dòng)報(bào)警也需要人員維護(hù)設(shè)備，成本更加高昂，只適用出現(xiàn)滑坡的重點(diǎn)區(qū)域，如礦山、水壩等。

本設(shè)計(jì)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和非現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)來(lái)解決滑坡預(yù)警問(wèn)題，所研制的系統(tǒng)體積小、成本低、免維護(hù)，適用于保護(hù)滑坡點(diǎn)附近人員的生命安全。本設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)滑坡傳感器只在滑坡跡象出現(xiàn)時(shí)才被觸發(fā)進(jìn)行供電并發(fā)出射頻報(bào)警信號(hào)，解決了棘手的供電問(wèn)題，主控制單元需要不間斷供電，通常安裝在離滑坡地點(diǎn)最近的人員家中或工作單位內(nèi)。

1 ?降雨誘發(fā)型滑坡機(jī)理與形成過(guò)程

降雨會(huì)導(dǎo)致滑坡巖土體容重增加，增大了下滑力;雨水入滲會(huì)軟化和潤(rùn)滑軟弱的結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致土石層抗剪強(qiáng)度降低;這兩個(gè)因素直接誘發(fā)滑坡發(fā)生[9]。水土力學(xué)中總應(yīng)力與有效應(yīng)力的關(guān)系為

式中：c為粘聚力;[φ]為土的內(nèi)摩擦角;[tanφ]為土的內(nèi)摩擦力;[σn]為滑面上的法向應(yīng)力;t是抗剪強(qiáng)度。雨水入滲會(huì)使c，[φ] 值降低，導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度t降低，從而誘發(fā)滑坡發(fā)生。

多數(shù)降雨型滑坡形成過(guò)程包含蠕動(dòng)變形階段、急劇變形階段和滑動(dòng)階段三個(gè)階段。具體表現(xiàn)為：坡腳表面先出現(xiàn)橫向開(kāi)裂，然后裂縫從坡腳向坡頂延伸，雨水沿裂縫入滲形成貫通面，坡腳先呈現(xiàn)出圈椅狀小滑塌，隨著降雨持續(xù)，滑塌范圍逐步擴(kuò)大，最終形成后退式流土破壞，如圖1所示[10]。

圖1 ?降雨型滑坡破壞模式示意圖

2 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2中每個(gè)滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)包含1個(gè)主控制單元和多個(gè)滑坡傳感器。滑坡傳感器埋在可能出現(xiàn)滑坡的現(xiàn)場(chǎng)，具體數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活配置。根據(jù)第1節(jié)中的降雨型滑坡形成過(guò)程，滑坡傳感器在坡頂、坡中部和坡腳處都要埋設(shè)，坡頂埋設(shè)數(shù)量少，坡腳埋設(shè)數(shù)量大，埋設(shè)前可設(shè)置不同的傾角閾值，保證在滑坡的蠕動(dòng)變形階段、急劇變形階段和滑動(dòng)階段都能及時(shí)預(yù)警。主控制單元通常安裝在人員家里或工作單位內(nèi)，距埋設(shè)滑坡傳感器地點(diǎn)不超過(guò)400 m（經(jīng)測(cè)試，遠(yuǎn)離城市的鄉(xiāng)村或礦區(qū)，信號(hào)干擾小，安裝距離可達(dá)1 200 m）?；聜鞲衅鲀?nèi)含傾角檢測(cè)模塊，無(wú)線發(fā)射模塊，天線和電池?；聜鞲衅髌綍r(shí)處于斷電狀態(tài)，只在傾斜度達(dá)到預(yù)設(shè)傾角閾值時(shí)才會(huì)觸發(fā)供電，發(fā)出射頻預(yù)警信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間不更換電池。主控制單元內(nèi)含無(wú)線接收模塊、短信息模塊、存儲(chǔ)模塊、聲光報(bào)警模塊和微處理器。無(wú)線接收模塊用于接收滑坡傳感器發(fā)出的預(yù)警信號(hào);短信息模塊將滑坡預(yù)警信息發(fā)送給責(zé)任人;存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)滑坡地點(diǎn)、責(zé)任人姓名及手機(jī)號(hào)碼;微處理器控制各模塊協(xié)調(diào)工作。

3 ?硬件設(shè)計(jì)

3.1 ?滑坡傳感器

每個(gè)滑坡監(jiān)視點(diǎn)需要安裝多個(gè)滑坡傳感器，根據(jù)實(shí)際地形通常為6～10個(gè)，如圖2所示?；聜鞲衅鲀?nèi)的傾角檢測(cè)模塊采用機(jī)械式傾角開(kāi)關(guān)，平時(shí)無(wú)須供電，傾角開(kāi)關(guān)能預(yù)設(shè)不同的傾角閾值，當(dāng)滑坡傳感器傾斜度達(dá)到預(yù)設(shè)閾值后就會(huì)觸發(fā)電池供電，使無(wú)線發(fā)射模塊發(fā)出射頻預(yù)警信號(hào)。本設(shè)計(jì)解決了滑坡傳感器供電難題，無(wú)需拉電或利用太陽(yáng)能發(fā)電，傳感器只在滑坡的蠕動(dòng)變形階段、急劇變形階段和滑動(dòng)階段才被觸發(fā)供電。傳感器采用長(zhǎng)壽命堿性干電池作為電源，成本低，體積小，可實(shí)現(xiàn)5年免維護(hù)，而且傳感器只有天線露出地面，隱蔽性好不易遭受人為破壞?；聜鞲衅髦械臒o(wú)線發(fā)射模塊使用20位元內(nèi)碼的學(xué)習(xí)碼編碼芯片EV1527，其編碼重復(fù)概率極低。EV1527通過(guò)自學(xué)習(xí)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)發(fā)射模塊對(duì)應(yīng)同一個(gè)接收模塊。發(fā)射模塊在滑坡傳感器內(nèi)，接收模塊在主控單元內(nèi)，這樣就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)主控單元對(duì)應(yīng)多個(gè)滑坡傳感器。

EV1527應(yīng)用電路如圖3所示，SW0～SW3為4個(gè)兩芯插針，當(dāng)兩芯插針接上短路塊后，EV1527的5～8腳上會(huì)相應(yīng)地出現(xiàn)高電平，從而觸發(fā)第4 腳輸出數(shù)據(jù)串（調(diào)制信號(hào)），由于1腳接330 kΩ，電源為9 V，數(shù)據(jù)串周期被配置為1.48 ms。因?yàn)榛聜鞲衅魇锹袢胪寥乐械?，?個(gè)兩芯插針中哪個(gè)接短路塊是預(yù)先連接好的。一旦傾角達(dá)到閾值電源被接通，周期為1.48 ms的調(diào)制信號(hào)就會(huì)加載到433 MHz載波上發(fā)射到空中。滑坡傳感器對(duì)應(yīng)的SW3，SW2，SW1，SW0的電平可按4位格雷碼設(shè)定，如0111，0110，0100，0010，0011，0001等，其中“1”表示對(duì)應(yīng)的兩芯插針連接短路塊，“0”表示則不連接短路塊。

圖3 ?EV1527 電路圖

3.2 ?主控制單元

主控制單元由微處理器，無(wú)線接收模塊，短信模塊，存儲(chǔ)模塊，聲光報(bào)警器，狀態(tài)指示，電源模塊等部分組成，如圖2所示。當(dāng)無(wú)線接收模塊接收滑坡傳感器中發(fā)出的無(wú)線信號(hào)，微處理器根據(jù)接收到的信號(hào)識(shí)別出是哪個(gè)滑坡傳感器發(fā)出預(yù)警。短信模塊采用SIM900，微處理器收到滑坡預(yù)警信號(hào)后就控制該短信模塊給責(zé)任人發(fā)送手機(jī)短信。聲光報(bào)警器為通用型，報(bào)警時(shí)能發(fā)出尖銳警報(bào)聲同時(shí)閃爍警示燈。狀態(tài)指示采用一組LED管，用于指示預(yù)警信號(hào)來(lái)自哪一個(gè)滑坡傳感器。微處理器采用STM32系列，型號(hào)為STM32F103RCT6，主要功能：判斷是哪個(gè)滑坡報(bào)警器發(fā)出預(yù)警并打開(kāi)聲光報(bào)警器和狀態(tài)指示LED;控制短信模塊的收發(fā)和存儲(chǔ)模塊的讀/寫。短信模塊采用內(nèi)含GSM基帶、射頻單元、天線接口、存儲(chǔ)器及串行通信口的SIM900模塊。STM32微處理器用串口與SIM900相連，利用 AT 指令實(shí)現(xiàn)短信接收、發(fā)送。

無(wú)線接收模塊采用TDH6300，它是EV1527的解碼模塊。每個(gè)主控單元內(nèi)有1片TDH6300，它對(duì)應(yīng)多個(gè)埋在現(xiàn)場(chǎng)的滑坡傳感器（每個(gè)傳感器內(nèi)都有1個(gè)EV1527）。TDH6300與STM32微處理器連接電路如圖4所示，D0～D3和VT腳平時(shí)為低電平。當(dāng)收到滑坡預(yù)警信號(hào)時(shí)VT腳輸出高電平到PA1，D0～D3也輸出相應(yīng)的高低電平給PC0～PC3。D0～D3輸出的電平就是圖3中 EV1527的5～8腳電平值。PA1腳配置為上升沿觸發(fā)的外部中斷腳，VT腳由低變高時(shí)觸發(fā)該中斷，在中斷服務(wù)程序中STM32微處理器讀取D0～D3電平值就可以判斷出是哪一個(gè)滑坡傳感器發(fā)出預(yù)警。

圖4 ?TDH6300與微處理器連接圖

1個(gè)主控單元與多個(gè)滑坡傳感器配對(duì)就是TDH6300的學(xué)習(xí)過(guò)程，其2腳連接學(xué)習(xí)鍵，3腳連接學(xué)習(xí)指示燈。學(xué)習(xí)步驟：

1） 按下學(xué)習(xí)鍵，學(xué)習(xí)指示燈閃爍一次后熄滅，TDH6300進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。

2） 讓滑坡傳感器中的EV1527發(fā)射編碼，TDH6300收到后，學(xué)習(xí)指示燈常亮1 s后熄滅，學(xué)習(xí)結(jié)束，即完成了1個(gè)滑坡傳感器就與主控單元配對(duì)。

3） 其余的滑坡傳感器逐個(gè)重復(fù)步驟1），步驟2），就實(shí)現(xiàn)了1個(gè)主控單元配對(duì)多個(gè)滑坡傳感器。當(dāng)TDH6300進(jìn)入步驟1）后30 s內(nèi)沒(méi)有收到EV1527發(fā)出的編碼則學(xué)習(xí)指示燈快速閃爍5秒，表示學(xué)習(xí)失敗。若與主控單元配對(duì)的滑坡傳感器損壞，則可長(zhǎng)按學(xué)習(xí)鍵清除原先的配對(duì)信息，然后按步驟1）～步驟3）將主控單元與多個(gè)滑坡傳感器重新配對(duì)。存儲(chǔ)模塊采用I2C接口的非易失性E2PROM存儲(chǔ)芯片24C16，容量為2 KB用于存儲(chǔ)滑坡地點(diǎn)信息，責(zé)任人姓名及手機(jī)號(hào)碼。狀態(tài)指示包括與主控單元配對(duì)的多個(gè)滑坡報(bào)警器的報(bào)警指示燈，短信收、發(fā)，程序運(yùn)行和電源供電指示燈。電源模塊包含直流12 V，5 V和3.3 V電源，12 V電源由220 V市電經(jīng)降壓整流得到，為聲光報(bào)警器供電，12 V經(jīng)DC?DC模塊降至5 V給短信模塊供電，5 V電壓經(jīng)ASM1117電源模塊降為3.3 V為STM32微處理器供電。

4 ?軟件設(shè)計(jì)

4.1 ?多任務(wù)軟件工作流程

主控單元的軟件運(yùn)行在嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS上，μC/OS屬于搶占式多任務(wù)內(nèi)核，內(nèi)含任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、任務(wù)間通信等功能，可以移植到STM32微處理器上。本設(shè)計(jì)建立了聲光報(bào)警任務(wù)、短信發(fā)送任務(wù)、短信接收任務(wù)、存儲(chǔ)任務(wù)和開(kāi)始任務(wù)，5個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)依次降低。任務(wù)間利用消息郵箱機(jī)制進(jìn)行通信，保證通信的穩(wěn)定性。μC/OS運(yùn)行后利用開(kāi)始任務(wù)創(chuàng)建其他4個(gè)任務(wù)，然后掛起開(kāi)始任務(wù)。圖5為軟件工作流程圖。程序中還使用一個(gè)外部中斷和一個(gè)串口中斷。外部中斷服務(wù)程序完成兩項(xiàng)功能：識(shí)別是哪個(gè)滑坡報(bào)警器發(fā)出預(yù)警;發(fā)送郵箱消息1給聲光報(bào)警任務(wù)和短信任務(wù)。串口中斷實(shí)現(xiàn)短信模塊SIM900與STM32微處理器的通信。聲光報(bào)警任務(wù)優(yōu)先級(jí)最高，任務(wù)運(yùn)行后檢查郵箱1是否收到消息，收到消息就知道是哪個(gè)滑坡報(bào)警器發(fā)出了預(yù)警信號(hào)。該任務(wù)開(kāi)啟主控單元中的聲光報(bào)警器，同時(shí)點(diǎn)亮報(bào)警滑坡傳感器的LED指示燈;如果沒(méi)有收到有郵箱消息1，該任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)，讓CPU運(yùn)行其他進(jìn)入就緒狀態(tài)的任務(wù)。

短信發(fā)送任務(wù)收到來(lái)自外部中斷的郵箱消息1后，會(huì)讀取E2PROM 24C16中的滑坡地點(diǎn)信息和責(zé)任人姓名及手機(jī)號(hào)碼，合成出“xx責(zé)任人xx地點(diǎn)x號(hào)滑坡預(yù)警器發(fā)出報(bào)警”的短信息;然后利用AT指令通過(guò)串口將報(bào)警信息發(fā)給SIM900，SIM900就將該信息發(fā)手機(jī)短信給責(zé)任人。若短信發(fā)送任務(wù)沒(méi)有收到郵箱消息1，則進(jìn)入等待狀態(tài)，允許CPU處理其他任務(wù)。短信接收任務(wù)運(yùn)行時(shí)首先檢查串口接收FIFO是否收到數(shù)據(jù)，如果收到就對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行解析，若是有效設(shè)置短信該任務(wù)則提取短信中滑坡地點(diǎn)、責(zé)任人姓名及手機(jī)號(hào)碼等設(shè)置信息再發(fā)郵箱消息2給存儲(chǔ)任務(wù)，否則丟棄該短信。如果串口接收FIFO為空，任務(wù)進(jìn)入等待狀態(tài)，CPU繼續(xù)運(yùn)行其他任務(wù)。

存儲(chǔ)任務(wù)運(yùn)行后就會(huì)檢查是否收到郵箱消息2，如果收到就會(huì)將用戶設(shè)置的滑坡地點(diǎn)、責(zé)任人姓名及手機(jī)號(hào)碼信息存儲(chǔ)到24C16相應(yīng)存儲(chǔ)單元中。如果消息郵箱2中沒(méi)有消息，該任務(wù)釋放CPU使用權(quán)進(jìn)入等待狀態(tài)。