基于北斗通信的滑坡監測系統設計

廖 斌 ，王洪輝 ，庹先國 ，2，彭鳳凌 ，徐少波

（1.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059；2.西南科技大學核廢物與環境安全國防重點學科實驗室，綿陽 621010）

我國是世界上地質災害最嚴重的國家之一，每年因地質災害造成的損失巨大。其中滑坡災害占總數的51%以上，是我國主要的地質災害類型[1]。現階段我國地質災害監測主要采用有線和GSM、GPRS等進行監測數據傳輸，而偏遠的受災地區通常通信、電力中斷[2]，上述的通信方式存在一定的弊端。北斗衛星導航系統是我國自行研制的全球衛星定位與通信系統，能實現全疆域無縫覆蓋，同時不受地面災害和環境條件的限制，具有一次傳送多達120個漢字的短報文通信功能，因此開發遠程北斗通信的滑坡監測系統可以為抗災救災發揮不可替代的作用[3]。

1 總體方案設計

本系統由室外采集節點、室內監測中心組成。系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計原理圖Fig.1 Block diagram of the system design

室外采集節點通過在滑坡體適當位置安裝位移、傾斜角、雨量傳感器形成一個小型信息采集站，數據采集完成后由主控芯片SOC-C8051F530[4]控制室外北斗通信終端以短報文的方式將數據發送出去。室內監測中心由一個負責接收信息的北斗通信終端和一臺裝有監測預警平臺軟件的PC機組成。

北斗衛星導航定位系統由空間衛星、地面控制中心和用戶終端三部分組成。北斗通信終端實現數據傳輸的流程[5]：

（1）地面控制中心實時掌控衛星及用戶工作情況；

（2）用戶終端主動發射信號進行通信申請，衛星接收到后將其轉發到地面控制中心；

（3）地面控制中心收到用戶信號后，解讀出用戶申請的服務內容，再將相關信息或通信內容發送到衛星；

（4）衛星在收到控制中心發來的通信內容后，轉發給用戶或收件人，實現通信服務。

2 室外采集節點

2.1 信息采集站

信息采集站由傳感器電路、信號調理電路、太陽能充電電路、電池電源管理電路、主控SOCC8051F530組成，具體框圖如圖2所示。

信息采集站采用SOC-C8051F530做主控MCU，它是一款完全集成的低功耗混合信號片上系統型MCU。C8051F530內部集成了一個增強型的UART，一個SPI串行接口，一個12位、16路模擬輸入ADC，三個通用的16位timer，同時它是一款汽車工業級的芯片，適合在惡劣環境下使用。

信息采集站中雨量傳感器采用SRY-1型雙閥容柵式雨量計（分辨率0.01 mm），將降雨量轉換成脈沖輸出，送到主控MCU的I/O口進行計數。位移傳感器采用MSP-S-V型拉繩式位移傳感器，將位移變化轉換為電壓的變化。信號調理電路信號將位移傳感器輸出信號進行適當的濾波、幅度控制送入主控MCU的ADC。傾斜角傳感器選用芬蘭VTI公司的高精度雙軸傾斜角傳感器SCA100T（量程±90°，精度0.0025°），將傾斜角轉換為數字串行信號。

圖2 信息采集站結構框圖Fig.2 Block diagram of the information collection station

太陽能充電電路采用具有太陽能電池最大功率點跟蹤功能的充電管理集成芯片CN3722，為鉛酸電池充電。電池電源管理電路由鉛酸蓄電池，DCDC電壓變換電路及開關控制電路組成。鉛酸蓄電池經DC-DC電壓變換電路后為傳感器，主控MCU，北斗通信發送終端等供電，開關控制電路用于接通或斷開室外采集節點各部分電路的電源。

2.2 北斗通信發送終端

北斗通信終端采用國騰電子的北斗/GPS一體式用戶機，該終端融合了北斗和GPS兩種衛星定位模式，具有北斗報文通信功能，并具備良好的野外環境適應能力。主要指標有：①外接直流電源電壓：9 V～36 V，系統中由鉛酸蓄電池為其提供12 V電源；②通訊接口：RS232串行接口；③通訊定位頻率：<1 次/min； ④接口傳輸速率：1200～115200 bit/s，系統中采用9600 bit/s。

2.3 電平轉換電路

電平轉換電路由SP3232[6]芯片實現單片機串口TTL電平與北斗RS232串口電平間的轉換，硬件電路如圖3所示。

圖3 電平轉換電路Fig.3 Circuit diagram of the level translation

3 室內監測中心

3.1 北斗通信接收終端

北斗通信接收終端也采用國騰電子的北斗/GPS一體式用戶機，數據由RS232串口線送往PC機。12 V的供電電源由恒率電源科技公司的ACDC模塊AC220S12DC-20W將220 V交流電轉換為12 V直流電。

3.2 監測預警平臺

監測預警平臺軟件由監測數據顯示界面和數據庫管理系統組成。監測數據顯示界面由JSP動態網頁開發技術來完成，可以實時顯示傳感器傳回的位移、傾斜角、雨量等滑坡體信息。數據庫管理系統Access數據庫配合JAVABEAN[6]組件來完成。監測預警平臺界面如圖4所示。

圖4 監測預警平臺界面圖Fig.4 Interface diagram of the monitoring station

4 軟件設計

4.1 北斗通信協議

信息監測站要將信息通過北斗發送終端發送到北斗接收終端，必須先將信息編碼成北斗終端的短報文格式，再送到北斗終端發送。北斗編碼基本格式[7]：通信命令，命令總長，本機ID，收方ID，信息內容，內容長度，發送的數據，校驗和。

例如：ID號為425294的北斗機向ID號為425294的北斗機發送123456的命令如表1所示。

表1 北斗通信協議Tab.1 Protocol of the Beidou communication

4.2 信息采集站程序流程

考慮到由鉛酸蓄電池供電的野外監測儀器必須是低功耗的[8]，在需要某模塊工作時才為其開啟供電電源。為了提高數據采集精度，對數據采用了多次平均值濾波算法，同時進行曲線擬合以校正傳感器的非線性。信息采集站程序流程如圖5（a）所示。

4.3 北斗通信程序流程

野外設備中，北斗終端上電后，主控MCU先向北斗發送IC檢測命令若回復正確再向北斗發送通信申請，如圖5（b）的流程進行數據發送通信。

圖5 信息采集站及北斗通信程序流程圖Fig.5 Flow chart of the information collection station and Beidou communication

北斗在接收控制中心的遠程數據時，單片機串口采取中斷方式，先按位將數據存入存儲空間中，再提取出修改指令，完成相應采集時間間隔等工作參數的設定。

5 實際應用

目前系統應用于“貴州省地質災害監測預警與決策支持平臺”項目，工點位于畢節至威寧高速公路第4～6合同段人工開挖邊坡，沿垂直裂縫走向安裝了一只量程為1000 mm的位移傳感器，巖體平面安裝了一只傾斜角傳感器，儀器箱旁安裝雨量計，蓄電池采用山特牌12 V/60 Ah的膠體鉛酸蓄電池，經3個月的測試，系統采集數據精度達到：位移1mm、傾斜角0.03°、雨量0.1 mm，北斗數據傳輸丟包率低，蓄電池電量充足，系統總體工作正常穩定。系統安裝圖如圖6所示。

圖6 系統安裝圖Fig.6 Installation diagram of the system

6 結語

本文提出了基于北斗通信的滑坡監測系統方案，解決了偏遠地區監測儀器的通訊問題，同時監測數據精度高，能為災害應急、科學研究提供及時有效的滑坡監測數據。它的使用也對北斗系統在地質災害的應用提供了一定的參考價值。

[1] 鐘永輝.論我國地質災害的現狀及主要類型[J].科技資訊，2009（2）：233.

[2] 朱永輝，白征東，過靜珺，等.基于北斗一號的地質災害自動監測系統[J].測繪通報，2010（2）：5-7.

[3] 范一大，張寶軍.中國北斗衛星導航系統減災應用概述與展望[J].中國航天，2010（2）：7-9.

[4] 潘琢金，施國君.C8051F高速SOC單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[5] 陳福玉，王閏成.北斗導航通訊技術在海事監控中的應用與展望[J].氣象水文海洋儀器，2009，26（4）：31-34.

[6] Roland Sch?tzle，Tilman Seifert.Enterprise JavaBeans[J].WIRTSCHAFTSINFORMATIK，2002，44（3）：217-224.

[7] 王磊，宋蕾.利用北斗短信功能實現海上測量信息的回傳[J].海洋測繪，2011，31（3）：25-27.

[8] 奚大順，王洪輝，庹先國，等.山體裂縫遠程監測系統采集節點的低功耗設計[J].測控技術，2009，29（8）：43-45.