基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山體滑坡監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳煒?lè)?，席萬(wàn)強(qiáng)，周 峰，劉云平

(1.南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京210044;2.南京易周能源科技有限公司，南京210015)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山體滑坡監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳煒?lè)?*，席萬(wàn)強(qiáng)1，周 峰2，劉云平1

(1.南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京210044;2.南京易周能源科技有限公司，南京210015)

為了有效解決傳統(tǒng)山體滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)有線傳輸、人工播報(bào)的弊端，利用單片機(jī)采集滑坡位移、加速度信息，解析后將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控系統(tǒng)控制站，控制站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的分析及指令發(fā)送。當(dāng)預(yù)警平臺(tái)接收到控制站發(fā)送的報(bào)警指令后，將會(huì)啟動(dòng)警報(bào)器，并向相關(guān)人員發(fā)送一條預(yù)警短信。實(shí)踐表明:該系統(tǒng)采用無(wú)線傳輸、智能播報(bào)的方式，成功實(shí)現(xiàn)了控制站對(duì)監(jiān)控地區(qū)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警，保證了該設(shè)計(jì)的可行性。

山體滑坡;監(jiān)測(cè);預(yù)警;無(wú)線傳輸;智能播報(bào)

山體滑坡是山區(qū)最常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一，它嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，破壞工程設(shè)施，影響正常的生產(chǎn)和生活，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)，由于山體滑坡造成的直接經(jīng)濟(jì)損失已達(dá)百億元［1］。

傳統(tǒng)的山體滑坡監(jiān)測(cè)主要是在易發(fā)地區(qū)布置各類水文、氣象傳感器，通過(guò)有線傳輸?shù)姆绞桨褦?shù)據(jù)傳送至監(jiān)控終端，經(jīng)人工推斷出滑坡的安全狀況，以電話或人員口頭通知的方式告知民眾，做好防范工作［2-3］。由于山體滑坡監(jiān)測(cè)區(qū)域的地理?xiàng)l件復(fù)雜，線路架設(shè)困難、電源供給等限制，使得有線系統(tǒng)的部署非常困難;此外，還存在一些無(wú)人值守的設(shè)備或監(jiān)測(cè)點(diǎn)，不適合搭建有線通訊網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)不便，費(fèi)用昂貴。因此，很難及時(shí)、可靠地捕捉到山體滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)，容易受到人工干擾的影響［4-5］。

本設(shè)計(jì)基于當(dāng)前的傳感器采集技術(shù)、無(wú)線傳輸?shù)燃夹g(shù)，建立了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的山體滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)得到滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，據(jù)此確定出現(xiàn)滑坡的可能性，發(fā)布預(yù)警信息，具有很高的智能性。相比于前人的設(shè)計(jì)，主要是加入了加速度數(shù)據(jù)的采集，添加了預(yù)警平臺(tái)的設(shè)計(jì)，以及采用了GPRS無(wú)線傳輸方式。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

山體滑坡監(jiān)測(cè)及預(yù)警系統(tǒng)主要包括預(yù)警系統(tǒng)終端機(jī)、預(yù)警平臺(tái)、監(jiān)控系統(tǒng)控制站三大部分，總體示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體示意圖

山體在滑坡前期都有一個(gè)波動(dòng)的過(guò)程。基于此，本設(shè)計(jì)采用三軸加數(shù)度陀螺儀采集山體細(xì)微晃動(dòng)的線、角加速度數(shù)據(jù)，GPS全球定位系統(tǒng)對(duì)山體滑坡位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［6-7］，這樣保證了山體滑坡數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，并在LCD液晶屏上顯示處理過(guò)的數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制站，及時(shí)與系統(tǒng)門限值相比較，如果達(dá)到門限值時(shí)就會(huì)發(fā)送一條指令給預(yù)警平臺(tái)，報(bào)警器就會(huì)啟動(dòng)且相關(guān)人員會(huì)收到一條預(yù)警短信。

1.1 預(yù)警系統(tǒng)終端機(jī)

山體滑坡預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端機(jī)由各種水文、氣象傳感器模塊(三軸加數(shù)度陀螺儀，GPS模塊)、無(wú)線通信模塊、電源模塊和主控制器模塊組成。圖2為線、角加速度采集傳輸模塊連接框圖，圖3為位移采集傳輸模塊連接框圖。

圖2 線、角加速度采集傳輸模塊連接框圖

圖3 位移采集傳輸模塊連接框圖

1.1.1 線、角加速度采集傳輸模塊

主要用到的模塊有:主控制模塊(STC12C5A60S2)、三軸加速度陀螺儀模塊(MPU-6050)、無(wú)線傳輸模塊(SIM300)。

(1)主控制模塊

所采用的主控制芯片是STC12C5A60S2。它是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)［7］，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8倍～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10 bit A/D轉(zhuǎn)換(250 ksample/s，即25萬(wàn)次/s)，兩個(gè)串口。在對(duì)線、角加速度采集傳輸設(shè)計(jì)中只是把它作為普通的51單片機(jī)來(lái)使用(單串口)。

(2)三軸加數(shù)度陀螺儀模塊

采用的芯片是MPU-6050，MPU-60X0系列是全球首例9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP(Digital Motion Processor)。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為±250°/s、± 500°/s、±1 000°/s、±2 000°/s(%dps)，加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8，±16 gn(重力加速度)。

(3)無(wú)線傳輸模塊

本設(shè)計(jì)采用的 GPRS通信模塊為 SIM300。SIM300是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS雙頻模塊，支持TCP/IP協(xié)議、三頻/四頻/GSM/GPRS，支持PDU模式和文本模式的短消息傳送，支持?jǐn)?shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸，使用時(shí)更加方便靈活。GPRS通訊適用于間斷的、突發(fā)性的或少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，且具有實(shí)時(shí)在線，按量收費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)［8］。

在該設(shè)計(jì)中，GPRS模塊的接口信號(hào)端GRX、GXD分別與STC12C5A60S2的RxD、TxD連接，如圖2所示。當(dāng)主控制模塊和GPRS模塊啟動(dòng)后，MCU通過(guò)串口直接向GPRS模塊發(fā)送AT指令使其接入GPRS網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。其內(nèi)容包括波特率、網(wǎng)關(guān)、GPRS模塊的類別、測(cè)試GPRS服務(wù)是否開(kāi)通等。

1.1.2 位移采集傳輸模塊

主要用到的模塊有主控制模塊(STC12C5A60S2)、全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊、無(wú)線傳輸模塊(SIM300)。

在對(duì)位移采集傳輸設(shè)計(jì)中使用了STC12C5A60S2的雙串口功能。MCU將從串口1傳輸?shù)腉PS數(shù)據(jù)解析后，經(jīng)過(guò)串口2數(shù)據(jù)傳給SIM300。該設(shè)計(jì)中，GPRS模塊的接口信號(hào)端GRX、GXD分別與STC12C5A60S2的RxD(2)、TxD(2)連接。全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊采用的芯片為u-blox公司生產(chǎn)的NEO-6M-0-001。捕獲冷啟動(dòng)29 s，溫啟動(dòng)27 s，輔助啟動(dòng)＜3 s，熱啟動(dòng)＜1 s，靈敏度:捕獲-162 dBm，跟蹤-147 dBm，冷啟動(dòng)-146 dBm。GPS模塊的Tx、Rx端分別與STC12C5A60S2的RxD、TxD相連，如圖3所示。

1.1.3 電源模塊

由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端機(jī)分布在野外，供電較困難，終端機(jī)采用蓄電池供電，蓄電池容量大、自放電率低，并采用太陽(yáng)能板對(duì)其進(jìn)行涓流充電，可以保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。

本設(shè)計(jì)中采用的是9 V2.3 W的太陽(yáng)能板，6 V 4 A的蓄電池，以及AMS1117-5.0電源穩(wěn)壓模塊，連接圖如圖4所示。圖中的二極管是防止蓄電池對(duì)太陽(yáng)能板進(jìn)行反充電。蓄電池的實(shí)際電壓為6.7V，經(jīng)過(guò)AMS1117-5.0電源穩(wěn)壓模塊后在OUT+-端輸出5V電壓，可以為單片機(jī)、GPRS模塊、GPS模塊供電。

圖4 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)連接圖

1.2 預(yù)警平臺(tái)

本設(shè)計(jì)中，預(yù)警平臺(tái)是通過(guò)短信和報(bào)警器的播報(bào)方式通知相關(guān)人員的。用到的硬件有:單片機(jī)STC89C52、無(wú)線傳輸模塊(SIM300)、報(bào)警器ES-626、手機(jī)。其中STC89C52與SIM300模塊的連接方式與圖2一樣。選用的報(bào)警器可工作在6 V～12 V之間，在12 V時(shí)，可達(dá)到120 dB的聲音。它是由繼電器對(duì)其進(jìn)行控制的，繼電器是通過(guò)達(dá)林頓管(ULN2003)來(lái)驅(qū)動(dòng)的。繼電器的‘1’為常開(kāi)端口，‘3’為常閉端口。原理圖如圖5所示。通過(guò)MCU(STC89C52)對(duì)LED1、LED2、繼電器進(jìn)行控制。在報(bào)警前，LED2(綠燈)亮，LED1(紅燈)滅，繼電器處于常閉狀態(tài)，報(bào)警器不工作;當(dāng)接收到監(jiān)控系統(tǒng)控制站的報(bào)警指令后，LED2滅，LED1亮，繼電器處于常開(kāi)狀態(tài)，報(bào)警器工作，且手機(jī)會(huì)收到一條預(yù)警短信。本設(shè)計(jì)選擇的實(shí)驗(yàn)滑坡采集點(diǎn)有三處，標(biāo)記為1、2、3號(hào)地區(qū)。短信內(nèi)容如圖6所示，提醒相關(guān)人員做好防范。

圖5 報(bào)警平臺(tái)原理圖

圖6 警報(bào)短信圖

1.3 監(jiān)控系統(tǒng)控制站

監(jiān)控系統(tǒng)控制站，主要負(fù)責(zé)將終端機(jī)傳送過(guò)來(lái)的加速度、位移數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示，判斷數(shù)據(jù)是否達(dá)到預(yù)警門限值，如果達(dá)到門限值時(shí)就會(huì)發(fā)送一條指令給預(yù)警平臺(tái)，預(yù)警平臺(tái)將會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置。本設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件是借助于網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手這款軟件。它支持UDP，TCP協(xié)議，集成TCP服務(wù)器和客戶端;可以自動(dòng)發(fā)送校驗(yàn)位，支持多種校驗(yàn)格式;支持間隔發(fā)送，循環(huán)發(fā)送，批處理發(fā)送等功能。

圖7為監(jiān)控終端接收到的放大256倍的線、角加速度數(shù)據(jù)。其中A后面的3個(gè)數(shù)據(jù)分別表示X、Y、Z軸的線加速度，單位為gn(重力加速度)，G后面的3個(gè)數(shù)據(jù)分別表示X、Y、Z三軸旋轉(zhuǎn)方向的角加速度，單位為°/s。

圖7 監(jiān)控終端顯示三軸加數(shù)度陀螺儀數(shù)據(jù)圖

圖8為監(jiān)控終端收到的GPS位移數(shù)據(jù)。例如圖8中第1行數(shù)據(jù)，設(shè)為A點(diǎn)“h:36.6 N:32 52 49 E:119 48 21 t:33”，它表示該滑坡采集地處于高度36.6，北緯32°52'49″，東經(jīng)119°48'21″的位置。t為北京時(shí)間的秒，前后t相減就得到了采集間隔時(shí)間Δt=21 s。如果數(shù)據(jù)變?yōu)锽點(diǎn)，處于高度5.2，北緯32°52'51″，東經(jīng)119°48'19″的位置。那么A、B兩處距離將通過(guò)下面方法進(jìn)行計(jì)算。

圖8 監(jiān)控終端顯示GPS位移數(shù)據(jù)圖

設(shè)地球?yàn)橐徽龍A，半徑R=6.371 229×106m，π= 3.141 592 6，任意兩點(diǎn)距離計(jì)算公式為(不考慮海):

其中ΦA(chǔ)、λA為A點(diǎn)緯度和經(jīng)度，ΦB、λB為B點(diǎn)緯度和精度。

代入公式得d=805.9 m，考慮海拔高度h，兩點(diǎn)的距離計(jì)算公式為:

則A、B兩點(diǎn)的距離為806.5 m。

2 結(jié)論

本設(shè)計(jì)對(duì)山體位移、加速度信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保了預(yù)警的準(zhǔn)確性;預(yù)警平臺(tái)的設(shè)計(jì)大大方便了預(yù)警的播報(bào);采用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)保證了監(jiān)控站可以在無(wú)限遠(yuǎn)處設(shè)立，利于遠(yuǎn)程監(jiān)控。本設(shè)計(jì)在經(jīng)過(guò)實(shí)地驗(yàn)證后，能夠及時(shí)、可靠地對(duì)滑坡災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警，有效地解決了有線傳輸及人工播報(bào)方式的缺陷。

［1］ 梁山，胡穎，王可之，等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23(8):1184-1187.

［2］ 陳鐵軍，陳華方，胡揚(yáng)超，等.基于CC2480的山體滑坡檢測(cè)系［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31(20):4512-4515.

［3］ 劉東旗，劉新中，卜令俊，等.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)信息智能傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)［J］.電測(cè)與儀表，2009，46(12A):46-50.

［4］ Riki Ohbayashi，Yasutaka Nakajima，Hideto Nishikado，et al.Monitoring System for Landslide Disaster by Wireless Sensing Node Network［C］//SICE Annual Conference，2008:1704-1710.

［5］ 鄧大偉，祝武，欒佰霖，等.基于ARM的山體滑坡遠(yuǎn)程無(wú)人監(jiān)測(cè)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012，(2):88-90.

［6］ 邱健壯，孫克強(qiáng)，趙立中，等.GPS監(jiān)測(cè)山體滑坡方法的研究［J］.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，39(4):577-582.

［7］ 魏雄，王仁波，李躍忠，等.基于GPS/GPRS的滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29(11):2456-2460.

［8］ 黃強(qiáng)，陶正蘇，宋浩，等.基于ARM的GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2008，31(4):1214-1218.

陳煒?lè)?1964- )，男，漢，江蘇泰州人，南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡姶琶}沖、檢測(cè)技術(shù)等，cwf6426@163.com;

席萬(wàn)強(qiáng)(1989- )，男，漢，江蘇泰州人，南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用、氣象儀器，1161330474@qq.com。

Landslide Monitoring and Warning System Based on IOT Technology*

CHEN Weifeng1*，XI Wanqiang1，ZHOU Feng2，LIU Yunping1

(1.College of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 2.Nanjing Yizhou Energy Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210015，China)

In order to solve the drawbacks of the traditional landslide monitoring and warning system in the wired transmission and artificial broadcasing，the acquisition of landslide displacement and acceleration information by using SCM，after resolving the date through the GPRS network transmission to the monitoring system control station，control station is responsible for the date analysis and the instruction sended.After the warning platform receives an instruction which is from the control station，it will start the alarm and send a warning message to the relevant personnel.Practice shows that the system uses wireless transmission and intelligent broadcasting，the successful implementation of the control station for monitoring area of remote real-time monitoring and early warning，to ensure the feasibility of the design.

landslide;monitoring;warning;wireless transmission;intelligent broadcasting

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.024

TP277

A

1005－9490(2014)02－0279－04

項(xiàng)目來(lái)源:江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題項(xiàng)目(KDX1102)

2013-05-23修改日期:2013-06-17

EEACC:7200