基于北斗通信的邊坡位移數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：近年來，突發(fā)性的山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害現(xiàn)象不斷發(fā)生，如何高效地預(yù)防，是人們需要迫切解決的問題之一。文中利用先進(jìn)電子技術(shù)，提出了一種基于單片機(jī)+北斗導(dǎo)航模塊的邊坡位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)中，位移傳感器將采集到的數(shù)據(jù)上發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，然后通過北斗模塊的短報(bào)文功能，上傳到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了偏遠(yuǎn)無人值守地區(qū)邊坡位置的實(shí)施監(jiān)控。通過實(shí)地模擬測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)誤差在可控范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：STM32;位移傳感器;北斗導(dǎo)航;數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：U121

1 緒論

隨著人們生活水平的提高，電子技術(shù)的發(fā)展，使得單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，另一方面，近幾年來，隨著突發(fā)性的自然災(zāi)害的不斷發(fā)生，如何將電子技術(shù)應(yīng)用到預(yù)防和治理災(zāi)害中來，是目前研究的主要課題之一，對(duì)于那些偏遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá)地區(qū)的監(jiān)控顯得尤為重要，目前的監(jiān)測體系大多采用人工收集方式，這樣存在著數(shù)據(jù)采集不及時(shí)，浪費(fèi)大量人力資源的弊端，文中采用了單片機(jī)和北斗導(dǎo)航等模塊設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以獲取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，即可以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的通信障礙問題，又節(jié)省了大量的人力，大大提高了信息采集的實(shí)時(shí)性和可靠性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的總體方案

基于STM32的邊坡位移數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)監(jiān)控三大模塊組成，系統(tǒng)的總體框圖如下圖所示：

數(shù)據(jù)采集模塊位于現(xiàn)場，由其中的單片機(jī)控制位置傳感器實(shí)時(shí)采集邊坡的位移信息，數(shù)據(jù)通信模塊，考慮到偏遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)不發(fā)達(dá)，數(shù)據(jù)通信模塊采用了北斗導(dǎo)航模塊的短報(bào)文功能，將采集到的數(shù)據(jù)以短報(bào)文的形式發(fā)送給數(shù)據(jù)監(jiān)控端，數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊利用C#語言編寫，實(shí)時(shí)顯示位置信息，有效預(yù)防山體滑坡等自然災(zāi)害現(xiàn)象。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由單片機(jī)STM32F103RCT6作為控制芯片，控制位移傳感器陣列采集位移數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采用太陽能供電，電源部分由太陽能電池板和電源管理模塊組成，數(shù)據(jù)采集模塊的框圖如圖2所示。

2.2.1 STM32F103RCT6主控芯片

STM32F103RCT6是一種嵌入式-微控制器的集成電路（IC），芯體尺寸是32位，速度可達(dá)72MHz，程序存儲(chǔ)器類型是FLASH，容量為256KB，，RAM容量是48K，電壓-電源（Vcc/Vdd）是2V～3.6V，共有3個(gè)USART和2個(gè)UART串口，51個(gè)通用IO口，2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器（共12個(gè)通道）、3個(gè)SPI、2個(gè)IIC，完全符合系統(tǒng)中的功能要求。

2.2.2 位移傳感器

位移傳感器采用MPS-S系列傳感器，這類傳感器也可以被稱為拉線尺、拉繩尺或者拉線編碼器等，集成了直線位移傳感器的結(jié)構(gòu)，集合了角度傳感器和直線位移傳感器的有點(diǎn)，是一款結(jié)構(gòu)緊湊，測量精度高、測量行程長、便于安裝的傳感器，行程程選擇空間從50-1300mm不等，具有模擬電流信號(hào)：4-20MA，模擬電壓信號(hào)0-5V、0-10V和脈沖信號(hào)P：A、B、Z相數(shù)字輸出。

2.2.3 供電模塊

由于偏遠(yuǎn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)，電力系統(tǒng)不完善，另一方面從環(huán)保節(jié)源的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)中采用了太陽能蓄電池供電方式，為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信模塊供電，即環(huán)保又節(jié)能。

2.3 數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊采用的是集北斗一代、北斗二代和GPS一體的FB3511，可以、使用方便，兼容接收RDSS、RNSS/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，F(xiàn)B3511采用一體模塊設(shè)計(jì)，具有體積小、功耗低，使用簡便實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)高精度定位、測速等功能。

FB3511與STM32F103RCT6的主要接口有RDSS、RNSS、SIM卡、電源等幾部分，這幾個(gè)接口的主要定義：

（1）北斗一代RDSS串行接口：接口支持短報(bào)文的收發(fā)，默認(rèn)的輸出的TTL電平是3.3V，串口的波特率為115200bps。

（2）北斗二代RNSS串行接口：默認(rèn)輸出電平同RDSS，也是3.3V的TTL電平，串口的波特率為9600bps。

（3）SIM卡接口：此款北斗模塊自帶了SIM卡槽，可將SIM卡非常方便的插入。

（4）電源接口：FB511具有12V和5V兩種直流電源引腳，數(shù)量總共為9個(gè)，并有7個(gè)接地的引腳，系統(tǒng)中將采用的12V的直流電源，利用了5個(gè)引腳并聯(lián)。

STM32F103RCT6的兩個(gè)串口UART0、UATR1分別接FB3511模塊的RDSS和RNSS接口，連接電路如圖3所示，接口電路如圖4所示，主控芯片STM32F103RCT6通過對(duì)兩個(gè)串口的設(shè)置，可實(shí)時(shí)讀取監(jiān)測點(diǎn)的精確的定位信息，并且經(jīng)FB3511的短報(bào)文方式上傳到監(jiān)控端。

3 測試

最后，系統(tǒng)在龍頭河進(jìn)行了模擬測試，將上位機(jī)和下位機(jī)同時(shí)進(jìn)行測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)測試穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)的誤差在可控的范圍內(nèi)，系統(tǒng)具有良好的預(yù)測邊坡位置的功能。測試中部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖6所示：

4 結(jié)論

基于單片機(jī)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)開發(fā)了一套監(jiān)測偏遠(yuǎn)地區(qū)的邊坡位移數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，采用了太陽能蓄電池方式供電，有效預(yù)防了威脅人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，影響正常的生產(chǎn)和生活的山體滑坡等自然災(zāi)害的產(chǎn)生，又起到了環(huán)境保護(hù)的功能，具有經(jīng)濟(jì)高效的特點(diǎn)，將會(huì)在公路工程建設(shè)和維護(hù)中發(fā)揮越來越重要的作用。

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基金項(xiàng)目：廊坊市科技局項(xiàng)目（2018011018）

作者簡介：戴永成（1974-），男，實(shí)驗(yàn)師，2011年碩士畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)電子與通信工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事計(jì)算機(jī)通信與控制方面教學(xué)、科研工作。