山体滑坡监测及预警系统设计.docx

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1、山体滑坡监测及预警系统设计（电子器件杂志）2014年第三期1系统设计11预警系统终端机山体滑坡预警监测系统的终端机由各种水文、气象传感器模块(三轴加数度陀螺仪，GPS模块)、无线通信模块、电源模块和主控制器模块组成。图2为线、角加速度采集传输模块连接框图，图3为位移采集传输模块连接框图。111线、角加速度采集传输模块主要用到的模块有:主控制模块(STC12C5A60S2)、三轴加速度陀螺仪模块(MPU6050)、无线传输模块(SIM300)。(1)主控制模块所采用的主控制芯片是STC12C5A60S2。它是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机7，指令代码完全兼容传统8051，但速度快

2、8倍12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10bitA/D转换(250ksample/s，即25万次/s)，两个串口。在对线、角加速度采集传输设计中只是把它作为普通的51单片机来使用(单串口)。(2)三轴加数度陀螺仪模块采用的芯片是MPU6050，MPU60X0系列是全球首例9轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP(DigitalMotionProcessor)。为了准确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为250/s、500/s、1000/s、2000/s(%dps)，加

3、速度计可测范围为2，4，8，16gn(重力加速度)。(3)无线传输模块本设计采用的GPS通信模块为SIM300。SIM300是SIMCOM公司推出的GSM/GPS双频模块，支持TCP/IP协议、三频/四频/GSM/GPS，支持PDU形式和文本形式的短消息传送，支持数据和传真信息的高速传输，使用时愈加方便灵敏。GPS通讯适用于间断的、突发性的或少量的数据传输，也适用于偶然的大数据量传输，且具有实时在线，按量收费等优点8。在该设计中，GPS模块的接口信号端GX、GXD分别与STC12C5A60S2的xD、TxD连接，如图2所示。当主控制模块和GPS模块启动后，MCU通过串口直接向GPS模块发送AT

4、指令使其接入GPS网络并进行参数设置。其内容包括波特率、网关、GPS模块的类别、测试GPS服务能否开通等。112位移采集传输模块主要用到的模块有主控制模块(STC12C5A60S2)、全球定位系统(GPS)模块、无线传输模块(SIM300)。在对位移采集传输设计中使用了STC12C5A60S2的双串口功能。MCU将从串口1传输的GPS数据解析后，经过串口2数据传给SIM300。该设计中，GPS模块的接口信号端GX、GXD分别与STC12C5A60S2的xD(2)、TxD(2)连接。全球定位系统(GPS)模块采用的芯片为ublox公司生产的NEO6M0001。捕获冷启动29s，温启动27s，辅助

5、启动3s，热启动1s，灵敏度:捕获162dBm，跟踪147dBm，冷启动146dBm。GPS模块的Tx、x端分别与STC12C5A60S2的xD、TxD相连，如图3所示。113电源模块由于监测系统终端机分布在野外，供电较困难，终端机采用蓄电池供电，蓄电池容量大、自放电率低，并采用太阳能板对其进行涓流充电，能够保证系统长期稳定地工作。本设计中采用的是9V23W的太阳能板，6V4A的蓄电池，以及AMS111750电源稳压模块，连接图如图4所示。图中的二极管是防止蓄电池对太阳能板进行反充电。蓄电池的实际电压为67V，经过AMS111750电源稳压模块后在OUT+端输出5V电压，能够为单片机、GPS模

6、块、GPS模块供电12预警平台本设计中，预警平台是通过短信和报警器的播报方式通知相关人员的。用到的硬件有:单片机STC89C52、无线传输模块(SIM300)、报警器ES626、手机。其中STC89C52与SIM300模块的连接方式与图2一样。选用的报警器可工作在6V12V之间，在12V时，可到达120dB的声音。它是由继电器对其进行控制的，继电器是通过达林顿管(ULN2003)来驱动的。继电器的1为常开端口，3为常闭端口。原理图如图5所示。通过MCU(STC89C52)对LED1、LED2、继电器进行控制。在报警前，LED2(绿灯)亮，LED1(红灯)灭，继电器处于常闭状态，报警器不工作;当

7、接收到监控系统控制站的报警指令后，LED2灭，LED1亮，继电器处于常开状态，报警器工作，且手时机收到一条预警短信。本设计选择的实验滑坡采集点有三处，标记为1、2、3号地区。短信内容如图6所示，提醒相关人员做好防备。13监控系统控制站监控系统控制站，主要负责将终端机传送过来的加速度、位移数据存储、显示，判定数据能否到达预警门限值，假如到达门限值时就会发送一条指令给预警平台，预警平台将会启动报警装置。本设计的上位机软件是借助于网络调试助手这款软件。它支持UDP，TCP协议，集成TCP服务器和客户端;能够自动发送校验位，支持多种校验格式;支持间隔发送，循环发送，批处理发送等功能。图7为监控终端接收

8、到的放大256倍的线、角加速度数据。其中A后面的3个数据分别表示X、Y、Z轴的线加速度，单位为gn(重力加速度)，G后面的3个数据分别表示X、Y、Z三轴旋转方向的角加速度，单位为/s。图8为监控终端收到的GPS位移数据。例如图8中第1行数据，设为A点“h:366N:325249E:1194821t:33，它表示该滑坡采集地处于高度366，北纬325249，东经1194821的位置。t为北京时间的秒，前后t相减就得到了采集间隔时间t=21s。假如数据变为B点，处于高度52，北纬325251，东经1194819的位置。那么A、B两处距离将通过下面方法进行计算。2结论本设计对山体位移、加速度信息进行监测，确保了预警的准确性;预警平台的设计大大方便了预警的播报;采用GPS无线网络传输数据保证了监控站能够在无限远处设立，利于远程监控。本设计在经过实地验证后，能够及时、可靠地对滑坡灾祸的发生进行预警，有效地解决了有线传输及人工播报方式的缺陷。