凍土路基溫濕度無線監測系統

孟上九 李想 孫義強 王淼

摘 要：季凍區路基在凍融作用下常常發生凍脹、融沉等病害，其中路基土的溫、濕度水平是致災的重要因素。針對現有監測手段單一，路基溫、濕度全時空監測困難等問題，利用遠程無線傳輸技術，設計了一種基于GPRS（通用分組無線服務）通信技術的季凍土路基溫、濕度雙參數監測系統，可以實時監測路基溫、濕度變化。系統采用土壤專用的溫、濕度傳感器作為采集終端；以STC89C52單片機作為主控制器，通過編輯AT指令控制GPRS連通網絡和數據收發，實現溫、濕度數據遠程傳輸和存儲。經實際驗證該系統采集精度高、穩定可靠、操作方便，可實現對季凍土路基內部溫、濕度的實時無損監測。

關鍵詞：季節凍土；溫濕度監測；GPRS通信

DOI：10.15938/j.jhust.2018.03.012

中圖分類號： TN929.4

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2018）03-0066-06

Design of the Frozen Soil Roadbed Temperature

and Humidity Wireless Monitoring System

MENG Shang-jiu1， LI Xiang1，2， SUN Yi-qiang1， WANG Miao1

（1.Disaster Prevention Research Center for Civil Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China；

2.School of Measure-control Technology and Communication Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China）

Abstract：The seasonal roadbed of the frozen soil often frost， heave， thaw and settle under the circumstance of frozen and thawed. Among all the factors that cause such damage， temperature and humidity levels are the most significant. According to the problems like too simple measure and monitoring methods， hard to have all space-time monitoring and measure of roadbed and so on in the past， we use remote wireless transmission technique to design two-parameter of monitoring and measure system of temperature and humility in the roadbed of seasonal frozen soil based on the GPRS（General Packet Radio Service） communication technique which can real-timely monitor and measure the change of temperature and humility of the roadbed. The system uses special-purpose soil sensors of temperature and humility as collection terminals； uses STC89C52 single chip as the main controller to achieve remote transmission and storage of data of temperature and humility by editing AT commands to control GPRS network connection and data sending and receiving. We have tested this system and prove that it is a system of high-precision of collection， stabilization， reliability， simple operation which can be used for real-time and undamaged monitoring and measure of temperature and humility of inner-roadbed of seasonal frozen soil.

Keywords：seasonal of frozen soil； temperature and humidity monitoring； GPRS communication

0 引 言

季節性凍土在世界范圍內廣泛分布，而季凍區公路路基在凍融循環作用下易發生凍脹、融沉等災害，使路基失穩乃至破壞，土體濕度（即含水量）和溫度的變化是導致諸多道路災害的直接因素。因此，連續獲取季凍區路基土溫度和濕度數據及其變化規律對防治路基凍融破壞具有重要意義[1]。

在季凍區路基溫濕度研究與監測方面，Konard[2]等通過對室內試驗的研究描述了路基土在正凍狀態下的結構形成和水分遷移的計算模型。何東坡[3]等利用DS18B20溫度傳感器獲得了路基內部在不同時期、深度的溫度分布狀況。毛雪松[4]等利用自主研發的溫度-濕度-荷載綜合模型在室內進行模擬路基凍融循環實驗。韓春鵬[5]等進行寒區公路路基溫度場的自動監測，并分析了溫度特性。受季凍區惡劣自然環境和現場條件限制，目前已有的溫濕度測監方法較為繁瑣、能實現溫濕度現場聯測的比較少。

本文從季凍土路基的溫濕度監測實際需求出發[6]，設計一種基于GPRS多傳感器的凍土路基溫濕度監測系統。該系統以GPRS網絡為基礎，利用GPRS網絡平臺接入Internet網絡，建立數據采集終端與監測中心之間的通信連接，并進行實際驗證。

1 系統總體結構

系統采用硬件和軟件組合的設計方式。系統硬件由溫濕度傳感器、主控制器、GPRS模塊和電源模塊構成的數據采集終端，其功能包括數據的采集、處理、存儲、發送和電源的提供。系統軟件的組成包括采集端軟件編寫和后端遠程服務器即監測中心的建立，服務器將數據由代碼的形式轉變為人們易懂的文字和圖表形式，實現異地遠程監測。系統整體結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

為了滿足現場實際的測量需求，適應我國廣大的季節性凍土區域的環境特點，系統應克服高寒和潮濕等自然條件，能夠做到長期可持續的并且免維護的穩定運行。系統硬件在設計必須具有抗低溫、防潮濕、耐腐蝕、抗干擾能力強、測量精度可靠、能量可持續和便于安裝等特點。

系統硬件即數據采集終端[7]，以STC89C52RC-40I工業級單片機作為主控制器，外圍硬件包括高精度的溫度傳感器SHT20，土壤型濕度傳感器SMS-II-100，四頻GPRS模塊SIM800，電源模塊以及串口模塊等。以上各硬件模塊的工作溫度范圍都在-40℃～+85℃且滿足工業級環境要求，可減少低溫和其它條件的干擾，系統數據采集終端的硬件結構框圖如圖2所示。

溫度和濕度傳感器將采集到的數據轉換成電信號發送給STC89C52單片機，單片機經過分析和處理，并通過AT指令控制GPRS模塊將數據發送到監測中心，考慮到土壤溫濕度在一天當中的變化較為緩慢，為減少系統能量損耗采用DS1302N時鐘芯片作為時鐘電路控制時間，初步設定采集的時間間隔為2h[8]。

2.1 溫濕度傳感器模塊及其封裝

監測路基溫度采用Sensirion公司生產的SHT20溫濕度傳感器，它配有能隙溫度傳感器和相對濕度傳感器，內部由放大器、A/D轉換器、OTP內存和數字處理單元組成。傳感器溫度測量量程為-40℃～+125℃，精度在負溫下的誤差為±0.3℃，具有超快響應、抗干擾能力強等優點[9]。封裝后可直接埋于土壤里進行溫度測量。SHT20與單片機的接線電路如圖3所示。

SHT20輸出的數字信號是采用標準的I2C總線進行通訊，控制器可通過I2C總線進行命令的發送和數據的讀取，該芯片由4引線封裝，易與單片機連接和通信。

雖然SHT20同樣具有測量濕度的能力，但它只能測量空氣濕度，土壤濕度和空氣濕度不具有相同的定義，故測量方法也不同。由于受到季凍土路基內部監測環境影響，這就要求濕度傳感器具有耐低溫、響應快、抗干擾能力強等優點[10]。本設計采用大連祺峰科技的土壤型濕度傳感器SMS-II-100，它的濕度測量量程為0～100%，測量精度5%RH（最大值），其內部等效為串聯RLC諧振電路如圖4所示。

SMS-II-100是基于FDR（頻域反射技術）的一種土壤含水量傳感器，它利用電磁脈沖原理、根據電磁波在介質中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數ε，從而得到土壤容積含水量θυ[11]。因為傳感器采取電壓輸出，還需通過模數轉換器ADC0832將模擬信號轉換為數字信號。

溫度傳感器SHT20要長期的埋在土體里面進行測量，這對于傳感器內的集成電路來說是一種極大的考驗，在眾多不安全因素中，水的存在對電路破壞性是最大的，因此在埋設之前必須要對傳感器進行封裝處理。SHT20采用灌封處理，在傳感器外加上一層護套，護套由銅顆粒燒結和PE材料構成，特點是防水透氣，對測量值無任何干擾。而濕度傳感器的不銹鋼探針要與土壤接觸不要求特定的封裝，傳感器實物如圖5所示。

2.2 電源電路設計

由于監測系統需放置在野外環境中工作，布置電線比較困難，且數據的采集周期長。實驗證明，選擇太陽能電池板加鉛酸蓄電池的供電方案，經濟實用[12]。系統采取30W的單晶硅電池板，蓄電池采用12V/20Ah的鉛酸蓄電池供電，電池板和蓄電池之間由基于智能芯片控制的多功能光伏充放電管理系統EPOW-PS10進行控制。為了進一步節省電量，在非工作時間，通過軟件設計將系統置于低功耗狀態。

系統外部的輸入電壓為12V，STC89C52單片機供電電壓和濕度傳感器SMS-II-100允許供電電壓均為5V，溫度傳感器SHT20的最佳工作電壓為3.3V，GPRS無線模塊SIM800的工作電壓為4V，因此本系統需要的電壓有5V、3.3V和4V。12V轉5V的電源采用美國NS公司的LM2596芯片來實現，轉換電路如圖6所示。

3.3V的電源部分采用先將12V通過LM2596轉成5V之后，再通過芯片LM1117-3.3V來實現，防止因壓差過大導致芯片發熱。對于SIM800模塊來說，當以最大功率發射時，電流峰值瞬間最高可達到2A，所以采用MICREL公司的大電流低電壓穩壓芯片MIC29302提供電源。兩種降壓電源電路見圖7。

2.3 GPRS與單片機接口電路

GPRS模塊采用SIMCOM公司的工業級四頻SIM800芯片，可以低功耗實現語音、SMS、傳真信息和數據的傳輸。其中SIM800采用RS-232異步傳輸標準接口，接口電平采用RS-232電平。因為單片機的串口采用的是與RS-232不同的TTL電平，成功的實現兩者通信必須進行電平轉換。設計采用MAXIM公司生產的，包含兩路接收器和驅動器的MAX232芯片作為電平轉換芯片。通信接口電路如圖8所示。

3 系統軟件設計

3.1 數據采集終端軟件設計

數據采集終端軟件設計可以分成系統初始化、GPRS初始化、單片機控制溫濕度傳感器采集和讀取程序、單片機與GPRS模塊的串口通信程序、GPRS模塊網絡連接和數據發送程序、時鐘電路提供系統時鐘程序等。數據采集終端的主程序流程圖如圖9所示。

3.2 GPRS通信

GPRS是一種基于GSM系統的通用無線分組服務技術，提供端到端的廣域無線IP連接。SIM800內集成TCP/IP協議棧，TCP稱為傳輸控制協議，主要目的是進行大量數據的傳輸并確保無誤，它提供了錯誤檢測、數據復原和超時重發等機制來保證數據的可靠傳輸[13]。

單片機與GPRS模塊通過串口進行數據交互，使用AT指令控制GPRS模塊[14]。若單片機發送指令正確，SIM800將返回OK或其它指令，錯誤則返回ERROR或其它指令。單片機通過返回的指令來確定下一步的執行程序。單片機控制GPRS連接網絡程序流程如圖10。

3.3 監測中心軟件設計

系統的監測中心軟件采用Microsoft公司Visual Basic 6.0版本的可視化編程軟件設計而成[15]，通過VB6.0的Winsock控件的監聽功能監聽來自GPRS模塊的TCP連接請求。當服務器監聽到連接請求后，采集到的數據被TCP/IP協議棧打包，GPRS主動通過連接Internet網絡，按照預先設置好的IP地址和端口號呼叫遠程服務器。服務器接收到請求并確認正確后接受建立Socket連接接收數據，然后拆包并將數據寫入到Access 2007數據庫中，完成了數據的顯示、存儲和管理，提供了友好的人機交互界面[16]。監測中心軟件可以通過選擇不同的監測點，接收并實時顯示此點的溫濕度數據，還可顯示當日的天氣情況，以及對歷史數據的讀取和打印。監測中心軟件設計流程圖和操作界面分別如圖11、圖12所示。

4 實驗結果與分析

在試驗場地選取兩組測試點，其中測點A距離地面10cm，測點B距離地面30cm，每組各由一只溫度和濕度傳感器組成。兩組傳感器埋設如圖13所示。

監測系統實測數據繪制的溫、濕度曲線如圖14和圖15所示。

通過對監測點26個小時（4月4日上午8點-4月5日上午10點）的實時自動監測繪制的溫度曲線可以得出以下結論：路基土的溫度在一天內是不斷變化的，在日出前后溫度達到最低，日出后路基溫度不斷上升，在當日下午3時達到最大值，隨后盡管日照強度減弱，但地面熱量仍有累積，熱量向下傳導使路基溫度繼續上升，在下午7點左右達到峰值，隨后路基溫度開始下降。由于熱量在傳遞過程中的損耗，不同深度溫度不同，從圖中可以看出深度為10cm的溫度變化較大，而30cm的溫度變化較小。

從上圖的路基濕度曲線來看，路基的濕度在一天當中同樣會發生變化，但變化并不明顯。而濕度在路基深度上存在很大差異，從表層到30cm深度路基含水量呈增加趨勢。但這并不說明路基土的含水量一直穩定，因為在春季融雪以及夏季大雨都會導致路基含水量的急劇變化，所以既需要對此進行長期觀測，又需要有以“天”為單位的加密實時監測，監測系統的后續工作將為此展開。

5 結 論

本文從道路安全監測角度出發，設計實現了一套季凍區路基溫、濕度實時采集系統。使用小型化的土壤溫、濕度傳感器，以單片機為控制核心，以GPRS為通信工具，可以將路基溫、濕度進行實時采集和顯示。實現了對路基溫、濕度的連續監測、自動采集、存儲和網上傳輸。該系統穩定、可靠、精度高、成本低廉，為凍土路基溫、濕度的實時采集及安全監測提供了技術手段，具有較高的實用性。該系統也可為農業、環境等領域以及其它隱蔽工程的在線安全監測提供技術手段。

參 考 文 獻：

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