李 琦,鄭 燕
(河南省航空物探遙感中心,河南 鄭州 450053)
國(guó)內(nèi)滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法包括宏觀異常觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)法、物探法、水異常分析、微觀擦痕分析、GPS定位法、遙感大地測(cè)量、鉆孔鉆井測(cè)斜法、應(yīng)變測(cè)量計(jì)、多點(diǎn)位移傳感、CCD監(jiān)測(cè)等。使用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)儀器如多點(diǎn)位移計(jì)、孔隙水壓力計(jì)、水位計(jì)、載荷傳感器等進(jìn)行監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法應(yīng)用最為廣泛。研究系統(tǒng)由滑坡現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集局域網(wǎng)系統(tǒng)(智能GPRS監(jiān)測(cè)終端+現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集局域網(wǎng))、GPRS網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)主機(jī)等3部分構(gòu)成?;卢F(xiàn)場(chǎng)大范圍、多點(diǎn)、多類別的物理參數(shù)由多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集局域網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行采集并發(fā)送[1-3]。研究融合現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)、巖土工程和工程地質(zhì)、通信、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科,是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域,其研究和應(yīng)用價(jià)值很高,其成果可廣泛應(yīng)用于滑坡地質(zhì)災(zāi)害、煤礦礦井坍塌事故預(yù)警以及鐵路、公路、橋梁等領(lǐng)域。
系統(tǒng)硬件部分由滑坡現(xiàn)場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)、智能監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)、GPRS主機(jī)接收系統(tǒng)等構(gòu)成[4-6]。系統(tǒng)硬件組成原理如圖1所示。
圖1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Hardware system compositionx
每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。應(yīng)用電子測(cè)控技術(shù)、傳感器技術(shù)、微電子等技術(shù),來提高其適應(yīng)野外惡劣工作環(huán)境的能力。常用的滑坡地表位移監(jiān)測(cè)傳感器,根據(jù)信號(hào)輸出的形式,大致可以分為數(shù)字量傳感器和模擬量傳感器兩大類。常用的數(shù)字量傳感器有用于位移和角度監(jiān)測(cè)的編碼器、溫度傳感器、降水量傳感器等,常用的模擬量傳感器有位移傳感器、壓力傳感器等。
為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)能夠根據(jù)需要靈活配置,用來檢測(cè)位移、空隙水壓力、載荷等多種滑坡表面物理參數(shù),將節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為2種類型:①用于監(jiān)測(cè)數(shù)字式傳感器信號(hào)的數(shù)字板;②用于監(jiān)測(cè)模擬量式輸入的模擬量監(jiān)測(cè)板(簡(jiǎn)稱模擬板)。雖然兩者用途不同但是同屬于監(jiān)測(cè)終端下一級(jí)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn),地位等同。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組成如圖2所示。
圖2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組成示意Fig.2 Composition of monitoring nodes
主控中心硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 監(jiān)測(cè)終端硬件模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Monitoring terminal hardware module structure
(1)監(jiān)測(cè)終端硬件實(shí)現(xiàn)。硬件系統(tǒng)是完整系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),作為軟件的載體,起到了類似神經(jīng)中樞的作用。所有外設(shè)的檢測(cè)信號(hào)在這里進(jìn)行處理,系統(tǒng)的執(zhí)行命令也由這里發(fā)出。硬件設(shè)計(jì)的完善度和穩(wěn)定性,直接影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
(2)系統(tǒng)核心的選擇。采用C8051F040單片機(jī)作為系統(tǒng)核心。其接口連接如圖4所示。設(shè)計(jì)中,部分I/O口采用開漏模式,通過電阻上拉至+5 V,以保證和外設(shè)通信和控制的兼容性。對(duì)于關(guān)鍵的控制信號(hào)使用電阻上拉,提高系統(tǒng)的抗干擾性。采用外部晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘源,以提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。
圖4 C8051F040接口連接Fig.4 C8051F040 interface connection
(3)CAN總線通信。由于CAN總線具有很高的實(shí)時(shí)性能,因此在各種領(lǐng)域里得到了廣泛應(yīng)用。為了確保系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)正常工作,硬件采用了冗余設(shè)計(jì),在采用內(nèi)建的CAN控制器的同時(shí),添加了SJA1000的總線制的CAN控制器。兩者均通過TJA1050CAN總線收發(fā)器構(gòu)成CAN總線傳輸網(wǎng)絡(luò)。同時(shí),為了避免2套小系統(tǒng)之間存在干擾,采用高速光耦6N137實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的隔離。
SJA1000、TJA1050和6N137的器件連接如圖5所示。為了提高節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性,輸出節(jié)點(diǎn)采用RC阻容濾波。在節(jié)點(diǎn)端添加了特征阻抗,抑制CAN總線網(wǎng)絡(luò)回波,提高節(jié)點(diǎn)抗干擾能力。
圖5 CAN總線節(jié)點(diǎn)連接Fig.5 CAN bus node connection
(4)外設(shè)電源控制。由于系統(tǒng)在野外,市電供應(yīng)可能比較困難,這樣系統(tǒng)供電可能需要使用蓄電池。為盡可能延長(zhǎng)系統(tǒng)有效工作時(shí)間,除了系統(tǒng)本身采用低功耗設(shè)計(jì)之外,還需要對(duì)外部設(shè)備的供電進(jìn)行有效控制,如液晶顯示屏等,避免能量的無謂消耗。在設(shè)計(jì)中,采用PNP型三極管9012結(jié)合繼電器HRS1(H)-S-DC3來實(shí)現(xiàn)對(duì)外部電源的通斷控制?,F(xiàn)在以液晶顯示屏電源控制電路為例,給出電路連接。外部電源供給控制如圖6所示。
當(dāng)C8051F040的P4.0口為低電平時(shí),就會(huì)觸發(fā)9012,開啟繼電器,接通液晶顯示屏的電源。當(dāng)P4.0口為高電平時(shí),就會(huì)關(guān)閉顯示屏的電源。這樣,就可以通過程序控制,適時(shí)供電,合理利用有限的能源。
(5)環(huán)境溫度檢測(cè)電路。系統(tǒng)采用DS18B20來實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的檢測(cè)。DS18B20的測(cè)溫范圍為-55~+125 ℃,其檢測(cè)精度在-10~+85 ℃時(shí)為±0.5 ℃。
(6)電源電壓轉(zhuǎn)換以及外部電壓監(jiān)控。由于系統(tǒng)主體采用3.3 V電壓系統(tǒng),所以需要將5 V電源轉(zhuǎn)化為3.3 V電壓對(duì)系統(tǒng)供電。同時(shí)由于系統(tǒng)外部電源采用蓄電池供電,所以必須對(duì)蓄電池供電電壓進(jìn)行檢測(cè),以便及時(shí)更換電池,保證系統(tǒng)的正常工作。具體電路連接如圖7所示。其中,接插件J5的第4腳就是外部電源監(jiān)測(cè)輸入端,OVCC-W接入C8051F040的第18腳AIN0.0。
(7)人機(jī)交互接口。人機(jī)交互接口包括外接的液晶顯示屏接口和鍵盤輸入接口。液晶顯示接口連接液晶控制模塊VT6448,其是專門針對(duì)分辨率為 320×240(1)的單色屏而設(shè)計(jì)的液晶顯示控制模塊。鍵盤輸入采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),利用總線方式和片選控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入命令的讀取,然后由系統(tǒng)做出相應(yīng)的處理。
(8)GPS接口??紤]滑坡現(xiàn)場(chǎng)的工作情況,對(duì)GPS模塊進(jìn)行了優(yōu)選。GPS設(shè)備技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo)如下:①定位時(shí)間。冷啟動(dòng)50 s,溫啟動(dòng)35 s,熱啟動(dòng)8 s,重新捕獲100 ms。②精度。位置精度3 m (CEP),速度精度0.2 m/s,時(shí)間精度20 ns RMS。③使用外部無源天線。④協(xié)議采用的為NMEA-0183 V3.0二進(jìn)制協(xié)議。⑤Flash內(nèi)存為8 Mbit。⑥尺寸為26 mm×26 mm×4.7 mm,質(zhì)量4 g,電壓2.7 V,功耗130 mW,操作電壓2.7~3.0 V,工作溫度為-40~85 ℃。
(9)防盜報(bào)警接口。采用紅外報(bào)警傳感器,配合按鍵開關(guān),如有人非法闖入或者有盜竊行為,系統(tǒng)能夠及時(shí)向監(jiān)控中心報(bào)警。
根據(jù)前面分析可知,該系統(tǒng)在軟件上可分為彼此相互聯(lián)絡(luò),又彼此相互獨(dú)立的3大部分。而從功能角度而言,系統(tǒng)軟件又分為傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)軟件、智能終端監(jiān)測(cè)軟件、上位機(jī)監(jiān)測(cè)和分析軟件3大部分[7-10]。該系統(tǒng)軟件總體構(gòu)成如圖8所示。
圖8 滑坡遠(yuǎn)程系統(tǒng)軟件總體構(gòu)成Fig.8 General composition of landslide remote system software
系統(tǒng)軟件采用匯編和C語言進(jìn)行開發(fā),而上位機(jī)監(jiān)測(cè)和分析軟件采用高級(jí)語言Visual C++語言編程。
89C51單片機(jī)系列的開發(fā)語言主要有單片機(jī)C51語言以及匯編語言,匯編語言的可讀性與可維護(hù)性等方面不如C語言,且C語言開發(fā)程序相對(duì)周期較短。由于本系統(tǒng)相對(duì)較為復(fù)雜,為了能更好地實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能,也為了使程序有較好的可移植性和便于維護(hù),選擇使用單片機(jī)C51語言來進(jìn)行該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中可以將所有的部分分為小塊作為子程序最后在系統(tǒng)中加以調(diào)用即可。就本項(xiàng)目傳感器節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)而言主要分為CAN總線程序、A /D轉(zhuǎn)換器程序、溫度傳感器程序以及相應(yīng)的其他小的子程序。
(1)CAN總線軟件設(shè)計(jì)。針對(duì)CAN總線的應(yīng)用在使用前必須設(shè)計(jì)全套的完善的調(diào)試軟件,具體包括:接受、發(fā)送、初始化。主要完成各種寄存器的初始值的給定,并根據(jù)寄存器初值調(diào)用相應(yīng)的子函數(shù)。
(2)ADS8344軟件設(shè)計(jì)。ADS8344為16位高精度A/D轉(zhuǎn)換器,其讀寫軟件的好壞直接關(guān)系到本軟件能不能發(fā)揮其最大的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于ADS8344的操作軟件主要是嚴(yán)格按照資料進(jìn)行操作。
(3)DS18B20軟件設(shè)計(jì)。對(duì)于溫度傳感器DS18B20,采用1-wire總線的通訊方式操作。
(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)采用現(xiàn)今比較流行的B/S模式,基于ASP,Web服務(wù)器使用IIS 5.1(Internet Information Serve)或者更高版本,數(shù)據(jù)庫使用Access,利用Microsoft Visual Studio.NET 2003開發(fā)??傮w結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 上位機(jī)監(jiān)測(cè)與分析軟件總體結(jié)構(gòu)Fig.9 Overall structure of the upper computer monitoring and analysis software
通過不同的方式瀏覽、查詢、顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線及歷史監(jiān)測(cè)曲線,提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息圖、系統(tǒng)布置圖及整體地理信息圖的瀏覽、查詢。對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)采取統(tǒng)計(jì)、分析,并進(jìn)行相應(yīng)的歸納,滿足實(shí)際的監(jiān)測(cè)需求。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程如圖10所示。
圖10 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流程Fig.10 Real-time monitoring system process
(2)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)包括監(jiān)測(cè)信息管理、用戶管理、數(shù)據(jù)管理和信息公告管理4部分。監(jiān)測(cè)信息管理提供監(jiān)測(cè)站、監(jiān)測(cè)儀器、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等信息的添加、修改、刪除及查詢等工作,此功能對(duì)應(yīng)監(jiān)控基本信息子系統(tǒng)的后臺(tái)管理工作。數(shù)據(jù)管理流程如圖11所示。
圖11 數(shù)據(jù)管理流程Fig.11 Data management process
此項(xiàng)目的重點(diǎn),是要將GPRS無線傳輸技術(shù)應(yīng)用到滑坡現(xiàn)場(chǎng)。其關(guān)鍵技術(shù)有2個(gè)方面:①野外現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下,采用GPRS無線信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?;②系統(tǒng)整機(jī)的可靠性問題。針對(duì)以上關(guān)鍵技術(shù)問題,展開了深入研究并進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)。進(jìn)行了電力載波試驗(yàn),包括大電流波動(dòng)試驗(yàn)、遠(yuǎn)距離載波傳輸及大電壓波動(dòng)試驗(yàn)、大電壓波動(dòng)試驗(yàn);抗干擾試驗(yàn),抗振性、抗潮性能試驗(yàn)、參數(shù)的標(biāo)定和整機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試。在試驗(yàn)中修改設(shè)計(jì),最終確定設(shè)計(jì)方案。由于室內(nèi)試驗(yàn)做得非常充分和全面,從而確保了項(xiàng)目模擬野外試驗(yàn)的成功。室內(nèi)試驗(yàn)完成后,應(yīng)當(dāng)通過野外試驗(yàn)驗(yàn)證,由于滑坡的發(fā)生是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過程,且量變時(shí)各項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的變化量非常小,野外試驗(yàn)無法正常實(shí)施。為了驗(yàn)證滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程無線實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?,同時(shí)也使項(xiàng)目圓滿完成,設(shè)計(jì)了一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)模擬野外試驗(yàn)。對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程無線實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬野外試驗(yàn),采集了10組試驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)際與終端顯示比較吻合,實(shí)驗(yàn)取得圓滿成功。
(1)大電流波動(dòng)試驗(yàn)。信號(hào)的傳輸,將受到周圍電力線中電流的波動(dòng)沖擊。野外環(huán)境條件下,電力線中電流會(huì)大幅度波動(dòng)。為了確保在這種工況下信號(hào)的可靠傳輸,在電路設(shè)計(jì)上采取了很多措施,并進(jìn)行了大量的室內(nèi)試驗(yàn)。電路試驗(yàn)采用了筆記本電腦、單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)等設(shè)備和儀器。試驗(yàn)采用在連續(xù)不斷的載波中傳輸大量的數(shù)據(jù),同時(shí)反復(fù)啟動(dòng)、關(guān)斷大功率電機(jī),觀察其數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。通過反復(fù)修改電路、反復(fù)試驗(yàn),最終確定出了一個(gè)能滿足這種工況的最佳電路,保證了在此工況下其數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
(2)遠(yuǎn)距離載波傳輸及大電壓波動(dòng)試驗(yàn)。為了能保證遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目煽啃?,通過串接電阻進(jìn)行模擬10 km傳輸室內(nèi)試驗(yàn),同時(shí)系統(tǒng)旁邊再接1臺(tái)4 kW的三相異步電機(jī)。由于電纜有電阻,電機(jī)啟動(dòng)時(shí),電壓降至180 V左右。同時(shí)反復(fù)啟、停電機(jī)。 此試驗(yàn)既考慮了電壓波動(dòng)對(duì)傳輸?shù)挠绊?,又試?yàn)了傳輸?shù)木嚯x。
(3)抗干擾試驗(yàn)?,F(xiàn)場(chǎng)可能有強(qiáng)烈的外界空間干擾。為此,在信號(hào)傳輸?shù)耐瑫r(shí),緊靠電力線,反復(fù)開啟電焊機(jī)及等離子切割機(jī),用電焊機(jī)及等離子起弧時(shí)的強(qiáng)烈空間干擾及電網(wǎng)干擾來進(jìn)行試驗(yàn)及電路改進(jìn)。
(4)抗振性、抗潮性能試驗(yàn)。野外環(huán)境的另一個(gè)惡劣條件是,環(huán)境濕度大,有時(shí)陰雨綿綿,因而會(huì)作用到儀器上,對(duì)傳感器和電路均會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p害。這也是該套系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的因素之一,也是室內(nèi)試驗(yàn)的重要內(nèi)容之一。具體試驗(yàn)分2項(xiàng)來進(jìn)行:①選擇出現(xiàn)大雨的天氣,將儀器放置室外過夜,第二天一早對(duì)其通電,觀察其運(yùn)行的可靠性;②用水蒸氣薰儀器,連續(xù)數(shù)小時(shí),并同時(shí)觀察其工作的可靠性。通過這2項(xiàng)試驗(yàn),將曝露出的問題逐一解決,使全套儀器具有很大的抗潮性能。沖擊時(shí)產(chǎn)生的作用力,要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的作用力。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置,本次室內(nèi)試驗(yàn),采用了摔落沖擊方式。實(shí)際試驗(yàn)時(shí),未出現(xiàn)過因沖擊而出現(xiàn)故障的情況,也未出現(xiàn)過因沖擊而使器件松動(dòng)的現(xiàn)象。
各傳感器均由電纜線連接于節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)連接于監(jiān)測(cè)終端,接收系統(tǒng)通過GPRS接收監(jiān)測(cè)終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并在電腦上顯示。用一螺桿和螺母實(shí)現(xiàn)拉壓力的傳遞,通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪調(diào)節(jié)拉壓力;用空壓機(jī)供氣,管路中串入單向閥、氣壓表,來實(shí)現(xiàn)氣壓的測(cè)量;用一酒精燈來加熱燒杯中的水并用溫度計(jì)測(cè)量溫度。用手拉動(dòng)位移傳感器,轉(zhuǎn)動(dòng)手輪,開啟空壓機(jī)和點(diǎn)燃酒精燈就可使各傳感器產(chǎn)生數(shù)據(jù)并在監(jiān)測(cè)終端和接收終端顯示出來。各參數(shù)的10組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。
表1 模擬野外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Simulate field experimental data
滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程無線實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)歷經(jīng)反復(fù)室內(nèi)試驗(yàn)、模擬野外試驗(yàn)、重新修改后,認(rèn)為該系統(tǒng)是檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合的高科技成果。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,顯示出較強(qiáng)的野外適應(yīng)性。通過此項(xiàng)目的實(shí)施,一方面,完成了任務(wù)書要求,研究開發(fā)了滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程無線實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng);另一方面,鍛煉了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)儀器開發(fā)研究隊(duì)伍,為今后開發(fā)研究培育了人力基礎(chǔ)。
與傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相比,將GPRS無線通信技術(shù)應(yīng)用于滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有明顯的優(yōu)越性。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào),便于決策部門和專家在異地隨時(shí)觀看地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果,具有實(shí)時(shí)在線、高速傳輸、數(shù)據(jù)可靠、性能良好等優(yōu)點(diǎn);②在系統(tǒng)調(diào)試中,應(yīng)用多項(xiàng)軟、硬件抗干擾技術(shù)提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性,提高了系統(tǒng)適應(yīng)野外工作的能力;③項(xiàng)目的研制成功,為地質(zhì)、環(huán)境、水文、礦山等領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化建設(shè)打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。