基于STM32的堰塞湖應急預警系統設計

(西安工程大學電子信息學院 陜西 西安 710048)

基于STM32的堰塞湖應急預警系統設計

趙建新劉超高園平

(西安工程大學電子信息學院陜西西安710048)

為了給搶險救災人員提供堰塞湖潰壩應急預警保護，設計了一套基于STM32的堰塞湖應急預警系統。該系統以STM32F407為核心控制器，以各種傳感器和無線傳輸模塊作為節(jié)點，完成數據采集傳輸；由無線傳輸模塊將數據傳輸到以STM32F407為核心控制器的現場應急預警終端機來進行數據處理。結果表明，系統能夠穩(wěn)定運行，達到了預期要求，具有一定的現實意義。

STM32；堰塞湖；預警；數據采集

一、引言

堰塞湖是由于滑坡體、泥石流等堆積物形成的堤壩橫向阻塞河谷后，造成上游段壅水而形成的湖泊。我國是一個地震、泥石流等地質災害多發(fā)的國家。而地震、泥石流等地質災害通常會造成河道擁堵，形成堰塞湖災害。堰塞湖作為主要次生地質災害之一除了堰塞湖發(fā)生漫頂或管涌發(fā)生潰決而對下游民眾財產和安全構成嚴重威脅外，對河流生態(tài)、自然環(huán)境、人類社會等多方面的影響也是巨大的，這種影響從時間上看是十分漫長的[1]。

目前針對存在安全隱患的堰塞湖主要工程措施是通過開挖導流槽的方式來平緩的降低堰塞湖水位，降低甚至消除堰塞湖帶來的威脅[2]。本文旨在設計一套實時獲取堰塞湖相關狀態(tài)數據，并對堰塞湖進行預警監(jiān)測的系統，為搶險救災人員提供堰塞湖應急預警信息，以提高搶險救災人員及設備的安全性。

二、系統總體設計

根據項目需求將堰塞湖應急預警系統需要采集的狀態(tài)參數有五個，分別是入湖流量、滲流、堰流、壩前水位、周邊雨量。系統由兩大部分組成，第一部分是各狀態(tài)參數采集傳輸模塊，由相應的傳感器和無線采集傳輸模塊組成；第二部分是現場應急預警終端。堰塞湖應急預警結構如圖一所示。

圖1 堰塞湖應急預警系統結構圖

(一)被測對象

在堰塞湖庫容曲線一定的情況下，決定堰塞湖潰壩風險的主要外動力因素是上游來水量的大小[3]。其主要來源為徑流量較大的河道，在此稱之為入湖流量，可通過水位傳感器和流速傳感器獲取主要河道的流速信息和水位信息來計算得出。假設河道寬度為定值B(m)，利用水位傳感器可測得河水深度為h(m)，流速傳感器測得的河水流速為v(m/s)，則河道徑流量可按公式(計算得出。同理可以計算出滲流和堰流的數據。

Q=v×h×B

(1)

堰塞湖潰壩的根本原因是堰塞湖壩體所承受的來自水的壓力超過了它所能承受的壓力的范圍。根據堰塞壩本身的幾何結構和物質組成可以確定堰塞體所能承受的壓力范圍，進而可以估計堰塞湖潰壩時的水位。因此，系統通過水位傳感器來實時獲取水位信息，根據水位的變化趨勢來預估堰塞湖水位達到潰壩水位的時間。

堰塞湖所屬流域內的降雨量的大小對堰塞壩的安全性有很大的影響，一方面降雨量的大小將對堰塞湖水位和上游來水造成直接影響，另一方面降雨也會給搶險工作增加難度。因此，降雨量參數是堰塞湖應急預警系統所需要的一個重要參數。為提高降雨量的有效性，需要根據堰塞湖所屬流域的大小以及地形地貌選取適當數量的采集點通過降雨量傳感器進行降雨量數據采集。

(二)無線采集傳輸模塊

無線采集傳輸模塊由相應的傳感器和無線傳輸模塊組成。無線采集傳輸模塊承擔著數據數據采集傳輸的重任，它的穩(wěn)定運行對系統有著至關重要的作用。用到的傳感器主要有雨量傳感器、水位傳感器和流速傳感器。無線數據傳輸模塊的功能是將傳感器采集到的數據轉換成數字信號并以無線短傳的方式將數據傳送到現場應急預警終端。

(三)現場應急預警終端簡述

控制點是整個系統的核心，它承擔著接收數據、分析數據、發(fā)送數據、調控整個系統運行的重要責任。一方面，面對數據進行解碼，并通過預警模型對數據進行分析，若達到預警條件則發(fā)送預警信息給現場救災的指揮人員，以啟動相應的應急預案；另一方面，現場應急預警終端將數據發(fā)送到監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心來對數據進行處理。

三、現場應急預警硬件設計

現場應急預警終端機的硬件電路包括電源模塊、RS232接口、數據存儲模塊、無線通信模塊和人機交互模塊等組成。其主控芯片選用意法半導體公司的STM32F407VGT6，它是一款基于CORTEX-M4內核的芯片。它的主頻為168MHz高于F1系列的主頻(72MHz)，并且支持單周期DSP指令和浮點單元提高了代碼效率[4]，具有更大的容量的SRAM(192+4KB)，以及直接內存存取器和靈活的靜態(tài)存儲控制器。憑借其強大的數據處理能力和豐富的片內資源，可以很好的完成對數據分析和管理等任務。現場應急預警終端硬件架構框圖如圖2所示。

圖2 現場應急預警終端硬件架構框圖

(一)電源模塊設計

系統采用3.3V電壓為主控芯片MSP430供電。系統要求在野外環(huán)境工作，采用12V鋰電池提供直流電源，必要時可以搭配太陽能板以增加系統的穩(wěn)定運行時間。采用AMS1117-5以及AMS1117-3.3電源芯片將12V降壓至5V再將壓至3.3V。采集模塊電源電路原理圖如圖3所示。

(二)數據存儲模塊設計

由于系統內部需要存儲一些圖片用作圖形界面的顯示以及應急預警終端接收到大量的原始數需要保存，本系統設計了容量大、數據讀寫速度快的SD卡存儲方案。SD卡與STM32單片機有SPI和SDIO兩種連接方式，SDIO總線接口相對SPI總線接口復雜，但是讀寫速度快，故采用SDIO模式。SD卡驅動電路如圖4所示。

圖4 SD卡驅動電路

(三)433MHz無線通信模塊接口電路設計

由于系統安裝在野外，傳感器與現場應急預警終端之間的距離較遠，環(huán)境復雜以及設備布設的便捷性，決定采用無線傳輸的方式實現數據傳輸。433MHz頻率傳輸有起獨到的特點，李快快等[5]指出433MHz工作頻段相對比較干凈，工作頻率較低，繞射性能好傳輸時損耗小，這些特性非常吻合本系統的應用環(huán)境，故采用433MHz頻率進行短距離無線通訊。

CC1101作為一款第成本的1GHz以下的無線收發(fā)器，常用于低功耗無線通信領域，通信距離一般在400到800米之間。CC1101支持固定數據包長度協議和可變數據包長度協議,兩者可用于發(fā)送最長為255字節(jié)的數據包。對于超過255字節(jié)長度的數據包,可以使用無限長數據包協議。射頻模塊與單片機連接的電路原理圖如圖5。

圖5 射頻模塊接口電路原理圖

四、系統軟件設計

基于STM32的地震堰塞湖應急預警系統的軟件設計主程序流程如圖6所示。系統上電后首先對STM32單片機以及CC1101芯片進行初始化，然后顯示初始待機界面。檢測參數配置標識，若需要配置參數，則進入參數配置子程序；否則使CC1101模塊進入發(fā)送模式，定時發(fā)送召測命令到無線采集傳輸模塊；使CC1101模塊進入接收模式，并接收傳感器采集到的數據。STM32單片機對數據進行存儲，判斷對應的參數是否超過預警閾值，若超過閾值則啟動報警模塊，否則繼續(xù)是CC1101模塊進入發(fā)送模式發(fā)送召測命令，程序循環(huán)進行下去。

圖6 主程序流程圖

五、結束語

本文采用基于嵌入式技術以及無線通信技術設計了一套針對堰塞湖潰壩或漫頂等的應急預警系統。主要對應急預警系統的總體方案和應急預警終端的硬件以及軟件部分進行了設計。經過系統調試運行表明，該系統實現了穩(wěn)定的數據采集和無線通信，當相關參數超過設定的閾值時系統能夠快速的響應，發(fā)出預警信息，結果達到了預期要求。

[1]孔紀名,阿發(fā)友,鄧宏艷,田述軍,崔云. 基于滑坡成因的汶川地震堰塞湖分類及典型實例分析[J]. 四川大學學報(工程科學版),2010,(05):44-51.

[2]王光謙,傅旭東,李鐵建,張建新,劉帆,高潔. 汶川地震災區(qū)堰塞湖應急處置中的計算分析[J]. 中國水土保持科學,2008,(05):1-6.

[3]匡尚富,汪小剛,黃金池,魏迎奇. 堰塞湖潰壩風險及其影響分析評估[J]. 中國水利,2008,(16):17-21.

[4]余芳芳,郭來功,李良光. 基于STM32F407的微震信息采集系統設計[J]. 工礦自動化,2014,(07):9-12.

[5]李快快,張東. 一種433MHz無線傳感器網絡的設計與應用[J]. 信息技術,2014,(01):131-134.

DesignofabarrierlakeemergencywarningsystembasedonSTM32

ZhaoJianxin,LiuChao,GaoYuanping

(SchoolofElectronicandInformation,Xi’anPolytechnicUniversity,Xi’an710048,China)

In order to provide emergency warning protection for disaster relief workers, a barrier lake emergency warning system based on STM32 is designed.The system takes STM32F407 as the core controller and USES various sensors and wireless transmission modules as nodes to realize data acquisition and transmission.The wireless transmission module transmits data to the on-site emergency warning terminal of STM32F407 as the core controller for data processing.The results show that the system can run steadily and meet the expected requirements, which has certain practical significance.

STM32;barrier lake;early warning;data collection