基于STM32微處理器的泥石流次聲采集系統

冷小鵬，劉敦龍，韋方強

（1.中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都610041；2.中國科學院 水利部 成都山地災害與環境研究所，四川 成都610041；3.成都理工大學 信息科學與技術學院，四川 成都610059）

0 引 言

觀測研究表明，泥石流在形成和運動過程中的聲發射信號含有次聲波成份。次聲波是頻率低于可聞聲頻率范圍的聲波 （0.01 Hz～20 Hz），其頻率低，穿透力強，此外，由于空氣和水對次聲波的吸收很弱，傳播中衰減量小，能在空氣中傳輸很遠距離［1－3］。因此，通過對泥石流產生次聲信號的監測分析，研究次聲波的產生與傳播規律，了解次聲與泥石流災害的關聯性，將有助于泥石流災害的預警，為防 災減災發揮 作用［4－6］。

次聲采集系統可實現自然界物理次聲信號的轉換、采集與傳輸，用于對次聲波進行監測分析。目前，針對次聲采集系統應用領域的不同，有單個傳感器獨立監測和多傳感器構建陣列監測的方式［7，8］。獨立監測點方式無需考慮多個監測點間的同步問題，功能設計相對單一，系統任務數不多，在非野外環境的應用時無需擔心系統功耗問題，數據傳輸可采用較穩定的有線方式，對數據實時性要求不高的應用環境還可直接采用存儲器記錄的方式［9］。用于構建陣列的實時監測，設計上需考慮設備間時鐘同步和數據的實時性問題，針對監測的目的信號不同，系統設計方案也有所不同，如針對地震的次聲監測，監測點可相隔數十公里，設備部署可選擇供電及網絡條件較好的室內環境［10，11］。現有的泥石流次聲監測多采用獨立監測點［5，12，13］，但為了對泥石流次聲信號進行更準確的識別及定位，需要進行陣列監測。同時，由于泥石流多發于山區溝谷，且次聲能量相對較小，次聲采集系統大部分情況需部署于野外，長時間的無人值守野外監測需考慮設備遠程控制、數據傳輸的實時性、完整性、監測區域中多個監測點間的時鐘誤差以及采集系統的功耗問題。

針對上述問題，本文選擇基于ARM Cortex－M3內核的STM32 高性能低功耗32 位微處理器作為核心，其1.25DMIPS／MHz的處理能力可在信號采集工作中滿足多任務設計需求，結合電容式次聲傳感器、AD 轉換模塊、GPS模塊、無線數傳模塊、SD 卡存儲及文件系統等，利用太陽能光伏供電，完成次聲信號的采集處理、實時回傳、數據時間校準、本地存儲備份等功能。系統除滿足次聲實時采集需求外，還可應用于多采集設備的組網監測分析，對泥石流次聲信號的采集及次聲傳播特性的深入研究都具有重要意義。

1 系統方案

為實現對泥石流次聲實時采集與組網監測的需求，系統設計主要由電容式次聲傳感器，A／D模數轉換器，嵌入式微處理器，GPS模塊，MicroSD 存儲模塊，無線數傳模塊，以及PC 上位機部分組成，其總體結構設計如圖1所示。

圖1 系統總體結構

1.1 微處理器模塊

微處理器模塊是硬件系統的核心部分，它負責系統的正常運行以實現對傳感器數據的實時處理，將傳感器數據封裝發送的同時還需在本地進行數據備份存儲，并協調時鐘、定時器、串口等模塊接口同步工作。微處理器必須具備較強運算能力以滿足實時多任務處理的性能需求，同時綜合其功耗、穩定性、易擴展性及產品等因素，本文最終選擇采用STM32微處理器。

意法半導體公司的STM32F103ZET6 微處理器作為STM32RISC處理器的增強型，它以ARM Cortex－M3為內核，具有單周期乘法和硬件除法，提供了更高的代碼執行效率，工作頻率可達72 MHz，具有良好的處理速度。片上集成512KFlash，64KSRAM，為復雜固件程序和系統數據采集中所需要的大容量緩存提供了足夠空間，芯片內置UART，SPI，SDIO 等多類接口，可滿足本文應用中需構建多個數據通道的需求，集成的IWDG 獨立看門狗可在程序意外跑飛情況下仍能自動恢復工作以保障系統正常運行。該型微處理器具有高性能低功耗，內置模塊豐富且具有良好穩定性的優點，能滿足當前及將來功能升級所需。

1.2 傳感器及AD模塊

次聲測量傳感器采用中科院聲學所研制的CASI－MPA電容式半英寸次聲傳感器，傳感器將次聲波引起的敏感元件的電容量變化轉化成電壓信號輸出。電容式次聲傳感器具有靈敏度高、頻響寬、通帶內特性平坦、非接觸式測量等優點，測量的下限頻率可低至1 Hz，可應用于泥石流、滑坡災害等次聲源的次聲測量。

次聲信號的模數轉換采用Analog Devices 公司的AD976，它將次聲傳感器電信號轉換為數字信號交由微處理器處理，AD976為雙極性的16位模數轉換器，采樣率可達100kHz，完全能夠滿足次聲采集的要求，AD976 接入原理如圖2 所示，次聲傳感器電壓信號由SIGIN 和SIGGND 接入，STM32F103的E 口16根口線 （E0～E15）用于接收AD 轉換后的16位數據 （D0～D15），F口的4根口線 （F0～F3）用于連接BUSY、CS、R／C、BYTE 實現對AD976的控制線用途。

圖2 AD 模塊原理

1.3 授時模塊

系統的授時采用SiRF III GPS模塊，除可獲取經緯度信息用于定位設備便于野外部署管理外，還利用GPS數據幀中的時間信息對STM32的RTC 進行校準，可避免RTC本身的累積誤差以及回傳數據過程中由于GPRS等無線網絡擁塞導致的外部時間誤差，使部署的各次聲設備在時間上一致，便于實現對次聲信號傳播特性的研究。

1.4 遠程傳輸模塊

遠程傳輸采用西門子公司的低功耗GSM／GPRS雙模模塊MC35i，用于實現基于UART 的無線數據收發。設備采用串口透傳的方式，將采集的傳感器數據和時間數據等，以無線方式通過Internet發送至上位機虛擬串口，傳輸模塊外部配置100KB緩存，以備在短時意外設備掉線的情況下，數據仍能暫存于緩存不至丟失。

1.5 大容量存儲模塊

為防止極端條件下，由于基站斷電或高峰期擁塞等問題導致的設備長時間掉線而無法回傳數據以致數據丟失，系統同時設計了大容量的本地存儲功能，將數據存儲于本地MicroSD 卡中。采用STM32 的SDIO 模塊，配合Fat32嵌入式文件系統，將串口傳輸數據同步寫入MicroSD 卡中。

為防止數據實時的頻繁寫入導致的MicroSD 卡響應遲緩的問題，本系統設計采用了數據緩存的方式，在系統內存中開辟兩段FIFO 緩沖區，寫卡數據先進入FIFO 暫存，當FIFO 中數據緩存量達到預設值后一次性寫入到MicroSD卡中。

1.6 PC上位機

PC上位機需接入Internet，通過虛擬串口的形式接收遠程設備發送的串口透傳數據，用于接收、解析遠程回傳數據并進行基于數據庫的存儲。上位機通過虛擬串口的形式接收無線回傳數據，并通過串口服務程序將數據進行解析入庫，為應用程序的數據提取分析提供數據服務。

2 軟件設計

2.1 固件程序設計

固件程序是指固化到微處理器內部的程序軟件，程序基于意法半導體公司專為STM32F10系列ARM 微處理器提供的標準外設庫開發。標準外設庫是一個固件程序包，涵蓋了包括GPIO、定時器、UART 等所有標準外設在內的驅動程序，為開發者訪問底層硬件提供了一個中間API。采用標準外設庫進行開發可提高程序開發效率，本文基于3.5版本的外設庫，采用Keil MDK 軟件開發，固件程序主要工作流程如圖3所示。

圖3 系統主流程

設備上電復位之后首先要完成系統及外設的初始化操作，包括STM32的時鐘配置、看門狗、芯片引腳功能選擇以及定時器和實時鐘等所需功能模塊的初始化設置，最后對中斷控制器NVIC 進行配置，使各中斷源正常工作，系統各模塊得以正常配合工作。關鍵中斷源對應作用見表1。

2.1.1 中斷程序設計

（1）串口中斷：串口中斷主要是UART 接口中斷，其中，UART1主要作用包括接收上位機各種指令以及向上位機傳送A／D采樣數據、時間數據等，通過串口接收上位機命令字符，實現對設備的重啟復位、停止／恢復數據采集、寫存儲卡控制等操作。UART2中斷主要用于獲取GPS授時數據，并根據時間數據的有效性對RTC進行授時校準操作。

（2）定時器中斷：STM32 一共有11 個定時器，本文采用普通定時器Timer2產生定時信號，當中斷產生時，對A／D 轉換器發送轉換指令，以控制A／D 采樣率。Timer2采用內部時鐘，為APB1總線時鐘倍頻后提供。在72 MHz的系統時鐘下，100 Hz采樣率的Timer2 的庫函數數據結構見表2。

表1 中斷源對應功能

表2 Timer2設置

（3）RTC實時鐘中斷：STM32的RTC 是一個秒計數器，核心由預分頻模塊和32位的可編程計數器構成，通過轉換程序可實現對日期時間計數，并利用BKP后備寄存器實現時間信息的掉電保存，本系統中RTC 時鐘用于對傳感器數據進行時間標定，配合控制程序以封裝時間幀，同時，觸發GPS時鐘對自身時間寄存器進行校正。RTC 的工作流程如圖4所示。

圖4 RTC中斷流程

2.1.2 FatFS文件操作

（1）SDIO 驅動：對MicroSD 卡的驅動是通過SDIO 實現。與MicroSD 卡建立通信，系統上電后進行基本初始化Power－on的過程為：①SDIO 對應GPIO 引腳配置以及寄存器初始化。②設置SDIO 時鐘、工作模式，使能SDIO 驅動。③上電后發出CMD0 進行SDIO 初始化，判斷卡有無響應。④發送CMD8，判斷存儲卡版本，檢查SD 供電電壓。⑤發送CMD55置位電壓標志位并發送ACMD41確認是否支持高容量SDHC 置HCS位相應值。⑥使用CMD2、CMD3命令分別獲得CID 寄存器數據和卡地址RCA。

（2）FatFS通用文件系統：FatFS是一個可通用于小型嵌入式系統的FAT 文件系統模塊，其與Windows操作系統相兼容，具有輕量化且方便讀寫的優點。系統基于FatFS實現MicroSD 卡的文件系統，文件系統的移植需在diskio.c中實現關鍵底層函數，主要包括：

disk＿initialize（），初始化設備，即本系統MicroSD卡。

disk＿status （），獲取設備狀態，判斷當前MicroSD卡是否支持FatFS文件系統。

disk＿write（），實現寫扇區操作。

disk＿read （），實現讀扇區操作。

disk＿ioctl（），實現讀寫扇區以外的其它設備特定功能。

本系統固件程序所采用的主要文件操作函數包括：

f＿mount（BYTE vol，FATFS＊fs），用于注冊文件工作區域，在對MicroSD 卡進行各類文件操作前都需執行該函數裝載MicroSD 卡區域。

f＿mkdir（const TCHAR＊path），創建文件夾，為方便數據分類管理，文件夾及名稱將依據RTC 的年月日數據自動生成。

f＿open （FIL＊fp，const TCHAR＊path，BYTE mode），用于新建或打開文件。文件根據當前時間進行創建或者打開，系統設計每兩個小時數據存為一個文件。

f＿write （FIL＊fp，const void ＊buff，UINT btw，UINT＊bw），寫文件操作。向存儲卡中寫入AD 采集數據、時間戳數據、看門狗復位日志、授時日志等。

f＿lseek （FIL＊fp，DWORD ofs），文件指針控制。當需要從緩沖區寫數據增量至文件時，需打開文件后將文件指針移至文件末尾再進行追加寫入。

f＿close（FIL＊fp），文件關閉。文件操作結束后通過該函數關閉打開的文件。

2.2 上位機程序設計

上位機面向操作用戶，可提供實時數據展示、歷史數據加載及基于時間的數據查找等基本的數據功能，此外，還能通過串口發送命令字以控制設備工作。通過上位機程序，操作人員可以在計算機上查看遠程設備的數據采集狀況，并進行相應的設備控制，上位機用戶程序的工作主流程如圖5所示。

圖5 上位機用戶程序工作主流程

上位機用戶程序采用C＃語言結合數據庫技術開發，利用串口透傳工具構建虛擬串口到設備串口的網絡映射，通過編寫串口事件程序讀取設備的回傳數據，將接收數據進行解析，區分出相應數據類型進行處理，回傳數據主要有AD 采集數據、時間信息、授時數據、命令響應字等，對應的程序處理方法見表3。

表3 不同類型的回傳數據處理

解析處理后的AD 采集次聲數據，以時間戳信息作為數據索引存入數據庫，并通過C＃的chart繪圖組件進行次聲波形的繪制分析，設備返回的授時信息將存入授時校準列表以了解設備RTC 的校準情況。同時，除接收數據外，用戶界面也可利用串口直接發送命令字對終端設備進行諸如系統復位、數據中止、電池電量查詢等的操作控制，設備接收處理完命令后，將返回命令響應字以反饋操作結果。

3 應用測試

系統在中科院東川泥石流觀測研究站進行應用測試，采用3點監測陣的方式部署于蔣家溝下游泥石流區域，部署位置和現場情況如圖6，圖7所示。

系統采用了20w 太陽能光伏板及52Ah免維護12V蓄電池，根據奈奎斯特采樣定律，針對次聲信號設備的采樣率由定時器周期設置為100 Hz，單個設備數據量大約

圖6 蔣家溝監測點部署位置

圖7 現場部署情況

0.5KB／s，通過GPRS無線方式回傳采集數據，實測數據的接收延遲小于5s，終端設備采用MicroSD 卡同步存儲數據，存儲卡文件系統按日期進行目錄管理，其中每個獨立數據文件包含2小時次聲數據，可由應用程序獨立或連續加載。系統部署已運行逾半年，數據穩定可靠。圖8 為2014年8月4日晚東川蔣家溝暴發泥石流，采集系統上位機軟件的運行截圖，通過虛擬串口同步實時讀取3個監測點數據，其信號幅值明顯高于背景噪聲，展示波形自上往下依次為監測點A、B、C的波形，數據同步接收正常，達到預期設計。

圖8 采集系統運行截圖

4 結束語

系統針對泥石流次聲采集設計，內核采用STM32系列高性能低功耗微處理器，數據采用了無線發送和MicroSD卡移植Fat32 文件系統本地存儲同步進行的方式，同時，由GPS校準系統時鐘，保證了數據的完整性、實時性和易用性，系統自部署后以光伏供電方式運行逾半年，無看門狗復位及掉電異常，數據存儲與收發工作運行良好。實驗測試結果表明，本系統能很好完成對泥石流次聲信號的采集與傳輸，對泥石流次聲信號的進一步處理、研究與應用都有著重要的意義。

［1］David F，Milton G，Andrea S.Infrasound from Tungurahua volcano 2006－2008：Strombolian to Plinian eruptive activity［J］.Journal of Volcanology and Geothermal Research，2010，193 （1－2）：67－81.

［2］LIU Junmin，TANG Wei，WANG Xiaoming，et al.Analysis of mechanism to produce infrasound signals and its characteristics［J］.Environmental Engineering，2010，28 （4）：92－96（in Chinese）.［劉俊民，唐偉，王曉明，等.次聲信號產生機理與特性分析 ［J］.環境工程，2010，28 （4）：92－96.］

［3］LIN Lin，YANG Yichun.Observation ＆study of a kind of low－frequence atmospheric infrasonic waves ［J］.Acta Acustica，2010，35 （2）：200－207 （in Chinese）. ［林琳，楊亦春.大氣中一種低頻次聲波觀測研究 ［J］.聲學學報，2010，35（2）：200－207.］

［4］ZHANG Shucheng，YU Nanyang.Early warning system to debris flow ［J］.Journal of Mountain Science，2010，28 （3）：379－384 （in Chinese）.［章書成，余南陽.泥石流早期警報系統 ［J］.山地學報，2010，28 （3）：379－384.］

［5］Arnold Kogelnig.A study of infrasonic signals of debris flows［C］／／International Conference on Debris－Flow Hazards Mitigation： Mechanics， Prediction，and Assessment， Proceedings，2011：563－572.

［6］XU Wenjie，GUAN Hongyun，WU Xiaolin.Analysis of debris flow infrasound signal based on time－frequency analysis methods［J］.Computer and Modernization，2013 （4）：36－39（in Chinese）.［許文杰，官洪運，鄔曉琳.泥石流次聲信號時頻分析方法的應用研究 ［J］.計算機與現代化，2013 （4）：36－39.］

［7］MEN Chunlian，GAO Wenhua，FENG Haonan，et al.Design of a wide－spread infrasound sensor array network system ［J］.Microcomputer Applications，2011，32 （12）：29－34 （in Chinese）.［門春蓮，高文華，馮浩楠，等.廣域次聲傳感器陣列網絡系統設計 ［J］.微計算機應用，2011，32 （12）：29－34.］

［8］ZHU Xing，XU Qiang，TANG Minggao，et al.Experimental study of infrasound wave generated by typical rock fracture［J］.Rock and Soil Mechanics，2013，34 （5）：1306－1312 （in Chinese）.［朱星，許強，湯明高，等.典型巖石破裂產生次聲波試驗研究 ［J］.巖土力學，2013，34 （5）：1306－1312.］

［9］ZHAO Zhiqiang，TIAN Cui，ZENG Chuisheng.Design and implementation of infrasound signal collection ［J］.Automation and Instrumentation，2009 （6）：114－117 （in Chinese）.［趙志強，田璀，曾垂省.次聲信號采集系統的設計與實現 ［J］.自動化與儀器儀表，2009 （6）：114－117.］

［10］ZHANG Shucheng，YU Nanyang.Infrasound waves from Wenchuan earthquake 5·12 2008 ［J］.Journal of Mountain Science，2009，27 （5）：637－640 （in Chinese）.［章書成，余南陽.512 四川汶川地震次聲波 ［J］.山地學報，2009，27（5）：637－640.］

［11］ZHANG Fei，YANG Qingsheng，XIA Yaqin，et al.Infrasound：A new frontier in monitoring earthquakes［J］.Earth Science Frontiers，2013，20 （6）：94－99 （in Chinese）. ［章菲，楊慶生，夏雅琴，等.次聲：監測地震的新領域 ［J］.地學前緣，2013，20 （6）：94－99.］

［12］XU Wenjie.Research and design of the debris flow monitoring system based on infra－sonic ［D］.Shanghai：Donghua University，2013 （in Chinese）.［許文杰.基于次聲波的泥石流監測系統的研究與設計 ［D］.上海：東華大學，2013.］

［13］Arnold Kogelnig，Johannes Hübl，Emma Suri ach，et al.Infrasound produced by debris flow：Propagation and frequency content evolution ［J］.Natural Hazards，2014，70 （3）：1713－1733.