一種山體滑坡監測裝置的原型系統設計*

楊鵬程，茆學謙，劉 暢，劉元龍，孫 佳，張 磊

（徐州工程學院 機電工程學院，江蘇 徐州 221018）

山體滑坡是地殼表層運動的一種地質現象，是我國山區最常見的災害之一，它嚴重威脅人民的生命財產安全，影響正常的生產和生活。山體滑坡災害的發生往往受到包括持續降雨、地震等在內的自然因素以及劈山挖礦、開山建路等人為因素的影響，多種因素的綜合影響導致滑坡災害具有突發性和難以發現性[1]。若無法準確預測山體滑坡，突如其來的災害會造成嚴重的人員傷亡和巨大的經濟損失[2]。因此，對山體滑坡的監測及預警尤為重要。本文針對山體滑坡災害，設計了一種用于監測山體滑坡災害的原型系統，實驗證明了所設計系統的可行性和有效性。

1 原型系統總體設計

所設計的原型系統由滑坡模擬機械裝置、拉線傳感器、控制系統與監測終端四部分組成，如圖1所示。其各部分功能如下：滑坡模擬機械裝置模擬滑坡體相對于基巖的滑動位移；拉線傳感器將位移信號轉變為電信號；控制系統將電信號轉換為電子信息利用物聯網技術進行發送，監測終端顯示報警信息。

圖1 原型系統總體設計

2 滑坡模擬機械裝置結構設計

滑坡模擬機械裝置的結構設計如圖2所示：其主要由絲杠滑臺、滑坡山體、基巖和拉線傳感器等部分構成。裝置以絲杠滑臺模擬滑坡山體基巖的相對位移：基巖固定在裝置底座（機架）上，滑動山體固連在絲杠滑臺上，當絲杠在電機的帶動下旋轉時，滑動山體可沿與基巖的接觸面滑動，以此來模擬滑坡運動。電機反轉時，滑坡山體可以恢復原狀。拉線傳感器穿過滑坡山體深埋在基巖中，當滑坡山體與基巖有相對位移時，扯動拉線，傳感器即被觸發，可以發出信號。

圖2 滑坡模擬機械裝置設計示意圖

3 控制系統設計

3.1 硬件設計

控制系統主要由主控模塊、無線通訊模塊、電源模塊、傳感器模塊四大模塊構成。電路原理圖如圖3所示。

圖3 電路原理圖

3.1.1 主控模塊

主控模塊采用的是STC89C52RC芯片，具有運算速度高、功耗低、工作穩定性好的特點，其指令代碼與傳統8051完全兼容。其不同引腳連接有傳感器或其他模塊，是整個系統的控制核心。各引腳連接如圖3所示。

3.1.2 無線通訊模塊

系統采用的GPRS通訊模塊為SIM800C。SIM800C是SIMCOM公司推出的GSM/GPR四頻模塊，支持TCP/P協議、三頻/四頻/GSM/GPRS，其性能穩定，外觀小巧，性價比相對較高。GPRS模塊的接口信號端TXD、RXD分別與STC89C52RC的RXD、TXD連接，如圖3所示。

3.1.3 傳感器模塊

選用拉線式位移傳感器，傳感器信號輸出端與ADC0809轉換模塊的ADIN1引腳相連，實現信號轉換。ADC0809轉換模塊引腳ST、EOC、D3、OE、CLK、ADDCS分別和芯片P1.0 、P1.1 、P1.2 、P1.3 、P1.4 引腳相連，完成位移信息從數字信號轉換為電子信號的過程，最后送往芯片進行數據處理，連接如圖3所示。

3.1.4 電源模塊

由于滑坡檢測系統安裝在山區，所處位置較為偏僻，供電相對困難。所以模型設計采用通過太陽能進行充電的大容量蓄電池來供電，以確保系統穩定工作。本系統采用6V4A的蓄電池、9V2.3 W的太陽能板以及AMS117-5.0 電源穩壓模塊，如圖4所示。通過穩壓模塊輸出的5V電壓為單片機和傳感器供電。

圖4 電源模塊原理圖

3.2 軟件設計

系統工作流程如圖5所示。

圖5 系統工作流程圖

4 實驗驗證

根據上述系統設計，完成基于拉線式傳感器的山體滑坡原型裝置實物如圖6所示。模型控制部分實物圖如圖7所示。接入電源，進行系統試驗測試，按下開關，滑動山體在絲杠平臺的帶動下開始位移，如圖8所示。當位移超過預設值時，系統在單片機控制下經通訊模塊將預警信息以手機短信的形式發送至技術人員的手機。如圖9所示。

圖6 模型實物圖

圖7 控制部分實物圖

圖8 模型展示圖（發生位移）

圖9 手機預警信息

5 結論

本文所設計的山體滑坡實時監測系統是基于拉線傳感器并借助于GPRS通訊實現的，屬于物聯網技術的典型應用。原型樣機實驗證明了所設計系統原理的可行性和有效性，可以為后期實地測量山體滑坡系統提供參考。