基于復雜地形的無線遠程監控系統的研究設計

彭麗英，劉海娟

PENG Li-ying1, LIU Hai-juan2

（1.山東工業職業學院，淄博 256414；2.西門子變壓器有限公司，濟南 250022）

0 引言

無線遠程監控系統的研究是預防山體事故發生的重要手段，尤其在較為復雜的地形。邊坡變形失穩是山體事故發生的主要原因，也是礦業開采的主要問題。邊坡變形不僅對安全生產的影響將會造成局部或全礦停產，更會導致人員傷亡、設備毀壞和地面建筑破壞等。對此，針對這種較為復雜的地形監控也就顯得尤為重要。為此我進行了簡單的研究設計。

1 邊坡等復雜地形穩定性監控存在的問題

通過對我國大多數邊坡等復雜地形變形監測的研究發現，采用的監測方法存在如下需要解決的問題：

1）無論是地表位移觀測還是巖體內部的位移觀測，均存在著有害變形滯后于巖體滑坡的問題。當發現地表裂縫或巖體內部出現較大變形時，邊坡巖體已經或正在發生滑動破壞。此外利用鉆孔測斜觀測巖體內部變形的實踐表明，當內部變形較小時，受精度的限制不能準確獲得位移量，當位移較大時，鉆孔錯位嚴重使測斜儀器到達觀測孔內部受阻而無法測量。因此，無論是地表還是巖體內部的位移觀測均不具有實時性；

2）使用的錨索測力計數據的獲得需要人工到現場測讀數據，受天氣，人為等因素的影響大，不能連續穩定獲得測試數據，監測現場路途較遠且有些地段人員到達困難，尤其是陰雨天容易產生滑坡災害的時段更不易獲得監測數據。此外對于有滑坡危險的較陡邊坡經常有石塊等從坡上滾落，人工現場測讀數據將存在較大危險。

通過對邊坡穩定性監控存在的問題的研究，發現錨索測力計觀測的數據較為準確，針對錨索測力計觀測的缺點，本文將錨索測力技術和無線遠程監控技術結合在一起，設計了露天煤礦邊坡應力無線遠程監控系統。

2 系統的總體設計及分析

本設計是基于GSM網絡短信服務為核心技術的遠程傳輸方案；以微處理器AT89S52為主控芯片設計了分節點應力監測電路，完成了現場數據的采集、監測與傳輸；在制定通信協議的基礎上，通過MC35i短信模塊的應用完成數據的遠程傳送；通過中心監測計算機管理軟件的設計以達到監控目的。

邊坡監測地點多數都沒有電纜，光纜，電話線等，所以露天煤礦的通信方式就要選用無線通信的方法。無線通信的設計相對于監測站而言比較簡單，有許多現有的產品和通信系統可以利用，重點只是在于從多種實現方式中作出最優的選擇。由于本設計要求實現復雜地形的監控，所以需要遠距離傳輸，并且要保證通信的可靠性，以及考慮到邊坡的具體環境，所以本設計選用GPRS模塊MC35i，雖然設計上只基于GSM網絡短信形式傳輸，但是為了以后擴展和將來對速度要求的提高，可以選擇GPRS技術的MC35i模塊，其兼容GSM短信服務。

邊坡應力無線遠程監控系統采用分布式節點輪詢的控制結構，各分節點通過振弦式荷載傳感器采集數據，將數據通過GSM網絡以短信的形式傳輸到中心監控軟件。中心監控軟件通過輪流查詢的方式定時或手動監測分節點數據和曲線變化，此系統的結構設計圖如圖1所示。

圖1 監測系統結構設計圖

以節點1為例，系統的工作流程：中心監控軟件定時或手動查詢分節點1，分節點1采集振弦式荷載傳感器的數據，以短信的形式通過GSM網絡傳送到中心監控系統，中心監控系統監測數據和曲線，進行滑坡預警。

1）分節點（分節點應力采集與傳輸控制）設計：此部分包括下位機硬件的設計和軟件的設計，主要完成振弦式荷載傳感器頻率值的采集，以及把頻率值以短信的形式發送給中心監控軟件，中心監控軟件將頻率值轉換為應力值進行存儲與顯示。

2）通信協議設計與AT指令介紹：此部分主要介紹系統的通信協議以及AT指令的使用介紹。

3）中心監控軟件設計：此部分工作在PC機的應用層，應用VC++6.0開發上位機軟件，主要完成如下功能：

（1）MC35i短信模塊的控制：包括VC使用AT指令控制MC35i收發短信，以及短信模塊參數的設置；

（2）數據庫的存儲與讀取：使用ADO對象連接SQL SERVER 2000數據庫，以及用SELECT語句選擇性的讀取數據庫；

3 分節點應力采集與傳輸的硬件設計

邊坡應力無線遠程監控系統的分節點硬件設計決定著應力值脈沖的準確采集以及應力值的穩定傳輸。該硬件平臺包括微控制器模塊，GSM模塊，采集信號放大模塊，以及低通濾波模塊，電源穩壓模塊，變壓模塊，選通模塊等。

其設計的工作原理是，首先微控制芯片產生一定頻率的方波，經逆變變壓器放大，倍壓整流后為300V的直流信號，通過選通通道激勵振弦式荷載傳感器，使其諧振后傳出應力值的脈沖信號，脈沖信號經過放大濾波后，將信號送入單片機，單片機檢測脈沖信號的頻率值，通過GSM短信模塊把頻率值發送給中心節點監測。

邊坡應力無線遠程監控系統的硬件設計要考慮地形的復雜工作環境，所以芯片選擇工業級別的，工作溫度為-40℃－＋85℃。

1）分節點應力采集與傳輸的軟件設計：分節點軟件設計主要完成振弦式荷載傳感器的頻率數據的采集，信號通道的選通，短信模塊的短信發送與接收的順序控制，頻率采集信號的精確頻率計算。分節點軟件設計部分在MedVinV3環境下編譯，使用匯編語言完成整個設計部分。

2）程序的工作流程：首先AT89S52先屏蔽可控硅，目的是防止可控硅選通，干擾系統運行。然后調用初始化程序，初始化程序包括端口初始化，以及串口波特率的設置（波特率為9600bit/s），選用晶振為11.0592MHz，波特率為9600bit/s的誤差最小。接著設置短信模塊為來短信提示模式，并且進入休眠狀態，休眠狀態用串口中斷觸發恢復正常工作模式。如果接收到短信，就進入短消息處理程序。

4 電源部分設計

電源部分是此系統設計的關鍵，尤其在復雜環境中要求電池使用的周期要高，為此無線遠程監控系統的電源部分選擇太陽能充電控制技術。

電源控制器的注意事項：

1）接線前請仔細核對并確認太陽能板、蓄電池、負載的額定電壓，三者的額定電壓應相同，且都是12V或者都是24V；

2）太陽能板、負載的額定電流不得大于控制器的額定電流；

3）電源控制器要設置成常開模式。

5 通信協議設計

通信協議是系統各設備之間進行互相通信的語言和規范，軟件的開發需要在通信協議的基礎上進行。一個好的通信協議在很大程度上有利于軟件的模塊化設計。根據具體的應用環境以及系統要求來設定基于短信內容的通信協議。

中心節點：中心監測計算機。

分節點：連接到振弦式傳感器的單片機數據采集設備。

6 MC35i短信模塊

從設計的目的及功能上看主要可分四部分組成：GSM基帶處理器，GSM射頻部分，電源ASIC(Application Specific Integrated Circuit）和FLASH。GSM基帶處理器是整個模塊的核心，它由一個CPU和一個DSP處理器內核組成。GSM基帶處理器控制著模塊內各種信號的傳輸、轉換、放大等處理過程。GSM射頻部分是一個單片收發器SMARTi，它由一個外差式接收器、上變頻調制環路發送器（up conversion modulation loop transmitter）、一個射頻鎖相環路和一個全集成中頻合成器4個功能塊組成，共同完成對射頻信號的接收和發送等處理。

7 中心監測系統軟件

中心監測系統軟件由三部分組成：短信查詢軟件，數據瀏覽軟件，以及圖像瀏覽軟件。中心監測系統軟件框圖如圖2所示。

圖2 中心監測系統軟件框圖

1）短信查詢軟件

短信查詢軟件主要完成手動查詢分節點數據的任務，此界面為主程序界面，其它兩個界面為模態觸發對話框。短信查詢軟件包括短信模塊的AT指令控制，數據庫的寫入，參數的設置，串口的初始設置，頻率轉換應力值計算等。

2）數據瀏覽

數據查詢主要完成在固定時間段查詢接收的數據。此對話框應用DATETIMEPICKER控件選取時間段，并且通過ADO控件和DATAGRID控件組合完成數據庫數據的讀取，數據包括手機號，3個振弦的頻率值，日期與時間以及計算后轉換的應力值。

3）曲線瀏覽

圖像瀏覽主要包括圖像的描繪，圖像描繪主要應用虛擬內存方法，首層圖像為描繪固定網格，二層利用接收數據的應力值與時間值自適應設置標定值，三層為數據值的描繪。此界面設計還包括標定值的定位顯示，定位顯示可采用MOUSEMOVE方法定位坐標。

8 結束語

雖然我國對于復雜地形，尤其是礦業開采地的監測非常重視，但是意外事故依然有所發生，如山體滑坡，泥石流，塌陷等。盡管我的研究設計有所簡略，但希望能夠引起更多人的注意及研究，并能致力于我國的地質災難預防，減少我們國家的物力，財力，人力損失，讓我們的國家能更昌盛繁榮！

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