一種基于51單片機的地質災害監測裝置

陳易飛 王昊宇

摘 要：如今地質災害已經成為人們生產生活的重要影響因素，但目前的地質災害監測方法都不具備完善的監測系統，造成的損失巨大。本文作者提出一種基于51單片機改進的地質災害監測裝置，利用霍爾效應原理，將位移信號轉換成電信號，同時接入土壤濕度傳感器實時監測土壤濕度，利用串口通信技術便于工作人員及時準確收到監測信息，及時做出處理，避免地質災害帶來的嚴重損失。

關鍵詞：51單片機;霍爾效應;土壤濕度傳感器;串口通信

1 設計背景及思路

崩塌、滑坡、泥石流是三大地質災害。根據中國國土資源部2017年4月發布的2016年國土資源公報可以看到：2016年，共發生地質災害9710起，造成370人死亡、35人失蹤、209人受傷，直接經濟損失31.7億元。地質災害發生數量、造成死亡失蹤人數和直接經濟損失同比分別增長18.1%、41.1%和27.4%。現今常用的滑坡監測方法包括宏觀地質監測法、大地精密測量法、遙感監測、GSM監測、TDR監測法、傾斜儀測量等。而它們各有優缺點，比如宏觀地質監測法精度低和勞動強度大;大地精密測量法受到地形條件和氣象條件的限制，工作量大，周期長，連續觀測能力差等。而利用51單片機及霍爾效應組成的地質災害監測裝置，可以很好的中和上面的不足。利用霍爾原理，將土壤的位移信號轉化為電信號，利用單片機控制，與設定閾值實時比較。在裝置的安裝支架上面，裝有土壤濕度傳感器，利用嵌入土中的土壤濕度傳感器，可以實時采集土壤中的水含量，也與設計的閾值進行比較。更增加有震動、傾斜傳感器，震動傳感器可以感受到波動，對于崩塌、落石、地震都有一定的監測效果。傾斜傳感器可以監測到裝置的位置，當裝置發生側翻和猛烈撞擊，信號都會傳遞給主控制器。主控制器由STC89C51構成，價格低廉，性能穩定。實時的比較著由各個傳感器采集到的信息，如有變化，就會更新顯示裝置，并且蜂鳴器長響以達到報警的效果。裝置的電源設備是用光伏板接收太陽能，然后濾波處理儲存在鋰離子電池中，整個裝置耗能小，待機時間長。利用串口通信技術，控制sim900模塊將這邊的變化通知給遠方的工作人員。

2 主要研究內容

2.1研究內容

在這個裝置的設計和制作過程中，總體按以下幾個部分內容開展研究：

（1）霍爾元件的信號采集研究。霍爾元件的兩端電壓U和磁感應強度的大小B有線性關系，公式如下：

其中I是通過霍爾元件兩端的電流，d是導體厚度，n是單位體積內載流子的個數。此裝置，是利用磁感應強度B離磁場源越遠則B越小的性質，同時將距離反應到電壓上面。但要獲得一個均勻增大的磁場是比較困難的，此裝置是用簡單的磁鐵做磁場發生源，經過數據測試，在一定距離范圍內，是滿足線性關系的。

（2）濕度傳感器信號采集處理研究。土壤中水含量與土壤是不是會滑落有很大關系。本裝置的特點之一就是在支架上安裝有土壤含水量的監測裝置。但是裝置在采集水含量信號的時候不是十分準確，當前的處理是將實時采集的水含量與閾值進行比較，若超出，則報警，發送通知短信。但是后期希望將水含量的數值進行采集處理成像，從而可以達到預測的目的。

（3）SIM900A短信發送模塊。通過單片機的串口通信，向此模塊中寫入AT指令，連接上網絡，就可以實時發送短信。但是此模塊目前僅可以發送一條短信，其中涉及的知識有串口通信、中斷等代碼的書寫。

2.2研究目標

利用目前現有的技術和裝置，對其進行改進和完善，包括軟件和硬件。包括代碼的結構化，硬件信息采集的準確度更高。最后結合陜甘青地區實際的山體情況進行實地測量，將裝置用到滑坡監測上。

2.3擬解決的關鍵問題

2.3.1霍爾元件位移量轉化為電壓量。霍爾元件的電壓大小與磁感應強度有一定關系，但一個均勻增大的磁場是很難有的，所以裝置目前是通過采集數據，然后在某一段距離之內將磁感應強度看作是均勻增加的，并且設定了閾值。

2.3.2土壤含水量對滑坡發生的影響。滑坡發生的實質是，斜坡上的土體或者巖體，在水，或者地震等的影響下，在重力作用下沿著斜坡下滑的現象。故要解決和探究水含量對滑坡發生有多大的影響。

2.3.3裝置的結構和電路拓撲。由于我們的裝置是放置在野外，并且分為兩個監測部分，所以裝置的外觀設計，就尤為重要，并且光伏模塊是要接受陽光直射，才能儲存最大的電能，同時SIM900A模塊也需要接受信號，連接網絡，才能發送短信。

3 技術路線與研究成果

3.1技術路線

具體的設計路線及實驗方法如下：（1）首先對所需要裝設該裝置的地區進行地質勘探，依據調查結果，確定各項指標;例如土壤含水量、地磁場大小對霍爾元件的影響等。（2）在確定裝置各項指標后，設定裝置模塊的閾值，根據調查的地磁場強度，土壤含水量、各個地區不同的環境以及不同的物理條件，對各個模塊的閾值進行確定，使各個模塊都能因地制宜的工作。（3）裝置的外圍設計也需要根據實際的地形、氣候等因素進行設計。如果風能比較豐富，就裝設風力發電模塊，如果太陽能比較豐富，就裝設太陽能發電模塊。（4）當所有的模塊都設置完之后，對各個模塊分開測試，確保分開測試時各個部分都是可以正常工作。之后進行各個模塊組合和結果的驗證調試。

3.2研究結果

該裝置的誕生就是為了服務于民，將從以下幾點說明：（1）當裝置投入運行時，可以護一方水土的人民生命財產安全，這是我們裝置的最基本任務，也是最基本的結果。（2）在探究霍爾元件的過程中，可以研究一下均勻增強磁場的實現方法，目前基于這方面的研究還是很少的。（3）在對于土壤濕度的研究中，已經發現，這是發生滑坡的一個重要誘因之一，所以對其接下來的研究還需要深入，爭取發現更多的誘發因素。

4 創新點總結

由于市場上沒有相似的產品，因此該裝置的研究填補了該領域的空白;利用霍爾原理將地質的位移信號轉化為電壓信號，并且監測位置確切到每一個滑坡點;每一個監測點配合土壤濕度模塊，對滑坡發生的監測準確度又大大提升。利用STC89C51微控制器對SIM900A模塊寫入AT指令，將實時監測數據發送給遠方的工作人員，做到實時監測、無人控制、縮減人力，提高安全性;預測準確及時;價格便宜等。

作者簡介

陳易飛（1999—），男，漢族，河南平頂山，本科，研究方向：電氣工程及其自動化。

王昊宇（1997—），男，漢族，山東煙臺，本科，研究方向：地質工程。