基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自動化地質(zhì)檢測器

楊曉娟 何小玲 譚丹

摘要：本文提出將物聯(lián)網(wǎng)及自動化技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)測量、災(zāi)害預(yù)警當(dāng)中。針對低功耗、高運算速度的要求選擇STM32F103C8作為微控制器，使用SIM800作為通信模塊，并使用北斗和震動監(jiān)測模塊作為傳感器。在軟件部分，按功能劃分出通信、測量等模塊，以操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，構(gòu)架出檢測器的軟件。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)監(jiān)測;物聯(lián)網(wǎng);自動化設(shè)計

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）14-0258-02

1引言

我國地質(zhì)條件復(fù)雜，存在地質(zhì)災(zāi)害隱患的地點較多，因此需要長期進行地質(zhì)監(jiān)測。傳統(tǒng)地質(zhì)監(jiān)測災(zāi)害監(jiān)測主要是依靠全站儀等設(shè)備，需要有人值守，在時效性以及覆蓋率上遠不及自動化地質(zhì)監(jiān)測設(shè)備。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是無線蜂窩通信技術(shù)的普及，地質(zhì)監(jiān)測的發(fā)展呈現(xiàn)出無人化、自動化趨勢，且監(jiān)測實時性極大提高。本設(shè)設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的自動地質(zhì)監(jiān)測器，該設(shè)備可用于監(jiān)控地質(zhì)高危區(qū)域的地面變形以及震動情況。

2硬件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，監(jiān)測器需要具備如下模塊。

微型控制器，用于設(shè)備上的數(shù)據(jù)計算以及邏輯控制，由于該控制器處于中心控制地位，需要處理每個模塊的信息，因此需要具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，同時該設(shè)備需要長時間依靠電池工作，因此需要具備低功耗能力。STM32F103C8單片機由于具有最高72MHz運算頻率，64KSRAM，因此可滿足高速數(shù)據(jù)處理要求。該單片機可工作在睡眠、停機和待機模式最低功耗可低至2uA以下。因此該單片機滿足設(shè)計要求。

通信模塊，通過無線網(wǎng)絡(luò)向預(yù)警人員發(fā)送數(shù)據(jù)。通信可選擇無線蜂窩通信和衛(wèi)星通信兩種方式，前者優(yōu)勢在于成本低，通信可靠度高，后者優(yōu)勢在于信號盲區(qū)少。由于我國無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋度高達92%以上，綜合成本、性能兩方面考慮，使用SIM800無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

定位模塊，用于測定設(shè)備安置點的絕對地理位置。定位模塊選擇基于衛(wèi)星系統(tǒng)的定位模塊，可選GPS系統(tǒng)或者北斗系統(tǒng)，GPS系統(tǒng)現(xiàn)階段建成度較高，因此精度高成本相對高，北斗系統(tǒng)暫時精度較低（2.5米），但成本低。考慮到該設(shè)備投放量較大，處于易損環(huán)境，2.5米精度也能滿足需求，因此選擇北斗模塊作為定位測量模塊。

震動監(jiān)測模塊，監(jiān)測被測地點震動等級。震動監(jiān)測模塊可監(jiān)測到被檢測位置的運動狀態(tài)變化，甚至是震動狀態(tài)。

電源系統(tǒng)，對設(shè)備進行供電。由于該設(shè)備長期處于無人監(jiān)管狀態(tài)，且布置地點分散較為廣泛，不便于架設(shè)供電線路，因此供電系統(tǒng)需要采用太陽能或者風(fēng)能等具備離線自充電功能的能源。

上述子系統(tǒng)以STM32單片機為中心節(jié)點，各自分別與微控制器連接并通信。電源系統(tǒng)則對所有模塊供應(yīng)電源。

3軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)按照設(shè)計任務(wù)可劃分為如下模塊：

1）通信模塊，發(fā)送實時數(shù)據(jù)測量結(jié)果以及接收遠端查詢要求。該軟件模塊在啟動初始化后將一直在后臺待命運行。

2）位置傳感器讀取模塊。本系統(tǒng)需要滿足低功耗要求，因此該軟件模塊啟動后間歇性運行。不運行時，該模塊控制位置定位系統(tǒng)進入低功耗休眠模式。該模塊運行時，將喚醒位置傳感器并采集一次位置數(shù)據(jù)，并計算當(dāng)前位置與前幾次時刻位置差異，一旦監(jiān)測到位置變化，就通知遠端服務(wù)器。

3）震動監(jiān)測模塊，該模塊可通過觸發(fā)單片機的中斷功能運行。一旦該模塊被啟動運行則證明被測點有強烈運動。應(yīng)立即告警遠端服務(wù)器。

由于軟件系統(tǒng)由多個模塊構(gòu)成，為了降低軟件系統(tǒng)的開發(fā)難度，增加模塊化程度，提升系統(tǒng)整體穩(wěn)定性，因此使用操作系統(tǒng)作為底層支持軟件。STM32單片機支持的操作系統(tǒng)有FreeOs、UcOs、UcLinux等。其中UcOs由于具備豐富的API、完善的開發(fā)資料，F(xiàn)1JAsH及內(nèi)存需求量相對少等特點，因此使用該操作系統(tǒng)作為平臺。

n的取值需合理，太大則會導(dǎo)致系統(tǒng)靈敏度過低，從而使得測量點位移警報測量延遲過大，太小則導(dǎo)致濾波效果降低，從而誤觸發(fā)警報。實際測量n=30較為合理。

為進一步提高系統(tǒng)靈敏度，可改變測量策略，一旦監(jiān)測到PE有明顯變化，則連續(xù)不停測量位置數(shù)據(jù)30次以上，以確認位置變化。