基于LORA的頻發(fā)帶山地泥石流檢測系統(tǒng)設計

張晨皓，李 崢

(淮北師范大學 物理與電子信息學院，安徽 淮北 235000)

我國山地、丘陵和高原地區(qū)泥石流發(fā)生相對頻繁，對交通運輸、水利水電工程造成嚴重破壞，對人民的生命和財產(chǎn)造成巨大威脅.[1]本文設計了一種頻發(fā)帶山地泥石流檢測儀，該系統(tǒng)以嵌入式為核心，利用多種傳感器的有效配合，實現(xiàn)實時遠程監(jiān)控功能，實時監(jiān)測泥石流的發(fā)生.

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)分為主機、從機兩個部分，整體框圖如圖1所示.山地泥石流檢測儀利用STM32嵌入式系統(tǒng)及傳感器，完成對泥石流的檢測和報警.

圖1 系統(tǒng)整體框圖

主機端：包括雨量計、GSM模塊、語音播報模塊、時鐘模塊、顯示模塊、LORA模塊.主機利用雨量計采集到的信息以及時鐘時間喚醒從機，主機給從機發(fā)送喚醒信號，等待接收從機反饋回來的信息.如果判斷危險，便利用語音播報模塊進行語音提醒，通過GSM模塊通知相關人員.

從機端：包括 LORA、MPU9250模塊、裂縫計、鋰電池及太陽能充電裝置.從機收到主機的喚醒信號便啟動MPU9250和裂縫計進行信息檢測，如果檢測的值超過預設值，便通過LORA向主機發(fā)送危險信號.

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控模塊

主控模塊是整個檢測系統(tǒng)的核心，控制其他模塊的正常工作.主控模塊主要用于監(jiān)測數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)其他模塊的正常工作.主控模塊選用STM32F103ZET6單片機，主控芯片具有5個串口，主頻高達72MHZ，8個定時器，64KB的RAM和512KB的FLASH空間.

2.2 LORA無線模塊

LORA是一種基于擴頻技術的遠距離無線傳輸技術，可以實現(xiàn)低功率遠程無線電通信.該模塊使用ISM頻段射頻SX1278擴頻芯片，具有體積小、靈敏度高、支持低功耗省電并且抗干擾性強等特點.[3]LORA采用點對點通信方式，與WIFI、藍牙、ZIGBEE傳輸技術相比，LORA的無線傳輸距離更遠[4]，穿越障礙物的效果較好.LORA具備低功耗工作特性，彌補了傳統(tǒng)無線傳輸設備低功耗和遠距離不能兼得的難題.

2.3 顯示模塊

本系統(tǒng)選用0.96寸OLED顯示屏作為顯示模塊.主機部分主要用來顯示時間及雨量等相關信息，從機部分主要用來顯示電量、加速度及數(shù)據(jù)上傳等信息.

2.4 GSM模塊

設計采用SIM800C完成短信發(fā)送，當系統(tǒng)檢測到危險信號時，GSM模塊可以快速發(fā)送警報短信.該模塊采用串口通訊，通過AT指令收發(fā)英文或者中文短信，并具備撥打電話的功能.[5]模塊支持移動，聯(lián)通，電信的SIM卡，操作簡單，在野外環(huán)境中通信信息也可以有效傳輸，具有傳輸快、傳輸距離遠、實時性強等優(yōu)點[6].

2.5 語音播報模塊

設計采用SYN6288語音播報模塊，該模塊采用異步串口通訊方式(UART)，接收預設的文本數(shù)據(jù)，再實現(xiàn)語音的轉換.該模塊支持GB2312，GBK，BIG5，UNICODE內(nèi)碼格式的文本[7]，具有16級音量調(diào)整，6級語速調(diào)整等功能.[8]

2.6 MPU9250模塊

該模塊是一款九軸姿態(tài)角度傳感器，集成了三軸加速度傳感器、三軸角速度以及三軸磁場，加速度模塊通過IIC通信方式與單片機連接，具有精度高、體積小的特點.MPU9250可以準確地測量x,y,z軸方向的加速度，檢測軸及其方向.[9]利用MPU9250采集的從機的運動狀態(tài)信號[10]，開啟其DMP庫中的運動檢測函數(shù)，將檢測到的MPU9250信號通過低通濾波后，再與設定的閾值進行比較，繼而判斷從機設備的狀態(tài)，計算出設備的總加速度，將其顯示到OLED屏幕上.

2.7 裂縫計

裂縫計是一種利用滑動變阻的方式將位移量轉換為電信號的結構型傳感器[11]，具有靈敏度高，精度較高，結構簡單，對復雜環(huán)境適應性強，可在高壓、高溫等環(huán)境中使用.滑動變阻器是裂縫計傳感器的核心元件，其工作原理是利用物理滑動改變電阻大小的原理[12]，從而改變電壓信號.

2.8 雨量傳感器

主機根據(jù)獲取雨量的大小，給從機發(fā)送不同的喚醒信號.該模塊基于LM393運算放大器，它包括電子模塊和“收集”雨滴的印刷電路板.該傳感器是一個電阻偶極子，在潮濕時顯示較小的電阻，而在干燥時顯示較大的電阻.當板上沒有雨滴時，它會增加電阻，因此，根據(jù)V=IR獲得電壓，再根據(jù)雨量的大小與電壓成反比的關系來計算雨量大小.

2.9 DS1302模塊

設計使用DS1302模塊，主控通過查詢當前時間再通過是否處于雨季，便于更變采集頻率.主控模塊通過讀取該模塊的時間信息并通過提前輸入當?shù)氐挠昙拘畔⑴袛喈斍皶r間是否處于雨季.

3 系統(tǒng)軟件設計

主機流程見圖2，從機流程圖見圖3.設計選用LORA星型組網(wǎng)結構，其通信過程級聯(lián)較少，延遲較低，速度較快.在星型組網(wǎng)下，只有發(fā)數(shù)據(jù)的一個節(jié)點是主機模式，其他模塊在接受的時候都會主動切換到從機模式.設計通過規(guī)定每一模塊的地址，在從機收發(fā)的時候將自己的地址一起帶出去，并在主機里處理所有節(jié)點數(shù)據(jù)包.在這種組網(wǎng)下，提高星型組網(wǎng)時查詢信息的靈活性，從機節(jié)點上只接受處理來自主機的數(shù)據(jù)包.

圖2 主機流程圖

圖3 從機流程圖

選用一個LORA作為主機通信模塊和2個LORA作為從機通信模塊，對其通信信道、分頻因子等進行設置，使其處于同一通信頻道，各個節(jié)點上電后即可加入數(shù)據(jù)傳輸.為實現(xiàn)2個從機模塊向主機模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，組網(wǎng)設計保證其數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和穩(wěn)定性.

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 對從機工作的分析與探究

為了進一步探究本文設計的預警系統(tǒng)的靈敏度、準確性和有效性，進行模擬實驗.首先將從機0和從機1放到一個模擬滑坡的斜坡上的不同位置，再將主機放在距離從機直線距離較遠的地方.當處在雨季并且雨水傳感器上有水時，主機將首先喚醒從機0.

當從機0電量剩余不足20%時，主機將播報0號機電量不足；0號機進入休眠并進行充電(太陽能)，反之亦然.當從機1的加速度或壓力達到閾值時，將向主機發(fā)送報警信號，主機將立刻進行廣播報警和短信報警.

4.2 空中速率對LORA傳輸距離影響的分析

影響LORA傳輸距離的因素有發(fā)射功率和空中速率.發(fā)射功率與LORA的傳輸距離成正相關.發(fā)射功率最大是20 dbm，為保證傳輸距離足夠，把發(fā)射功率設置為20 dbm，為此發(fā)射功率是最大功率，最大發(fā)射功率下，空中速率對LORA[16]傳輸距離的影響結果見表1.

表1 空中速率與傳輸距離對應表

4.3 誤觸分析

從機工作后MPU9250、裂縫計會一直采集外部狀態(tài)信號，在通過運動檢測函數(shù)后，從機會在開機時檢測當前安全狀態(tài)值，當超過該閾值，便可以判定發(fā)生泥石流,此時主機便會接收到危險信號.

5 結語

設計了一款頻發(fā)帶山地泥石流檢測儀.該系統(tǒng)利用LORA模塊實現(xiàn)點對點的精確傳輸，可實現(xiàn)一主多從，達到多方位實時檢測的目的.系統(tǒng)采用喚醒模式，實現(xiàn)了低功耗工作，可以根據(jù)當前雨量的大小實現(xiàn)不同的操作.這款頻發(fā)帶山地泥石流檢測儀可以準確有效預地測泥石流，工作穩(wěn)定，智能化，安全化，可實現(xiàn)泥石流的遠程監(jiān)測.