滑坡地質災害遠程無線實時預警監測系統研究

李 琦，鄭 燕

(河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053)

國內滑坡災害監測方法包括宏觀異常觀測經驗法、物探法、水異常分析、微觀擦痕分析、GPS定位法、遙感大地測量、鉆孔鉆井測斜法、應變測量計、多點位移傳感、CCD監測等。使用傳統的監測儀器如多點位移計、孔隙水壓力計、水位計、載荷傳感器等進行監測的技術方法應用最為廣泛。研究系統由滑坡現場多點數據采集局域網系統(智能GPRS監測終端+現場數據采集局域網)、GPRS網絡和遠程監測主機等3部分構成。滑坡現場大范圍、多點、多類別的物理參數由多點數據采集局域網系統進行采集并發送[1-3]。研究融合現代測控技術、巖土工程和工程地質、通信、計算機等多個學科，是當前國內外學術研究的熱點領域，其研究和應用價值很高，其成果可廣泛應用于滑坡地質災害、煤礦礦井坍塌事故預警以及鐵路、公路、橋梁等領域。

1 系統硬件

1.1 系統硬件總體構成

系統硬件部分由滑坡現場傳感器節點系統、智能監測終端系統、GPRS主機接收系統等構成[4-6]。系統硬件組成原理如圖1所示。

圖1 硬件系統構成Fig.1 Hardware system compositionx

1.2 傳感器節點系統

每個節點都是一個獨立的數據采集系統。應用電子測控技術、傳感器技術、微電子等技術，來提高其適應野外惡劣工作環境的能力。常用的滑坡地表位移監測傳感器，根據信號輸出的形式，大致可以分為數字量傳感器和模擬量傳感器兩大類。常用的數字量傳感器有用于位移和角度監測的編碼器、溫度傳感器、降水量傳感器等，常用的模擬量傳感器有位移傳感器、壓力傳感器等。

為了實現節點系統能夠根據需要靈活配置，用來檢測位移、空隙水壓力、載荷等多種滑坡表面物理參數，將節點系統設計為2種類型：①用于監測數字式傳感器信號的數字板；②用于監測模擬量式輸入的模擬量監測板(簡稱模擬板)。雖然兩者用途不同但是同屬于監測終端下一級的監測節點，地位等同。監測節點組成如圖2所示。

圖2 監測節點組成示意Fig.2 Composition of monitoring nodes

1.3 智能監測終端系統

主控中心硬件模塊結構如圖3所示。

圖3 監測終端硬件模塊結構Fig.3 Monitoring terminal hardware module structure

(1)監測終端硬件實現。硬件系統是完整系統實現的基礎，作為軟件的載體，起到了類似神經中樞的作用。所有外設的檢測信號在這里進行處理，系統的執行命令也由這里發出。硬件設計的完善度和穩定性，直接影響整個系統的可靠性。

(2)系統核心的選擇。采用C8051F040單片機作為系統核心。其接口連接如圖4所示。設計中，部分I/O口采用開漏模式，通過電阻上拉至+5 V，以保證和外設通信和控制的兼容性。對于關鍵的控制信號使用電阻上拉，提高系統的抗干擾性。采用外部晶振作為系統時鐘源，以提高系統工作的穩定性。

圖4 C8051F040接口連接Fig.4 C8051F040 interface connection

(3)CAN總線通信。由于CAN總線具有很高的實時性能，因此在各種領域里得到了廣泛應用。為了確保系統現場正常工作，硬件采用了冗余設計，在采用內建的CAN控制器的同時，添加了SJA1000的總線制的CAN控制器。兩者均通過TJA1050CAN總線收發器構成CAN總線傳輸網絡。同時，為了避免2套小系統之間存在干擾，采用高速光耦6N137實現系統間的隔離。

SJA1000、TJA1050和6N137的器件連接如圖5所示。為了提高節點的穩定性，輸出節點采用RC阻容濾波。在節點端添加了特征阻抗，抑制CAN總線網絡回波，提高節點抗干擾能力。

圖5 CAN總線節點連接Fig.5 CAN bus node connection

(4)外設電源控制。由于系統在野外，市電供應可能比較困難，這樣系統供電可能需要使用蓄電池。為盡可能延長系統有效工作時間，除了系統本身采用低功耗設計之外，還需要對外部設備的供電進行有效控制，如液晶顯示屏等，避免能量的無謂消耗。在設計中，采用PNP型三極管9012結合繼電器HRS1(H)-S-DC3來實現對外部電源的通斷控制。現在以液晶顯示屏電源控制電路為例，給出電路連接。外部電源供給控制如圖6所示。

當C8051F040的P4.0口為低電平時，就會觸發9012，開啟繼電器，接通液晶顯示屏的電源。當P4.0口為高電平時，就會關閉顯示屏的電源。這樣，就可以通過程序控制，適時供電，合理利用有限的能源。

(5)環境溫度檢測電路。系統采用DS18B20來實現對環境溫度的檢測。DS18B20的測溫范圍為-55～+125 ℃，其檢測精度在-10～+85 ℃時為±0.5 ℃。

(6)電源電壓轉換以及外部電壓監控。由于系統主體采用3.3 V電壓系統，所以需要將5 V電源轉化為3.3 V電壓對系統供電。同時由于系統外部電源采用蓄電池供電，所以必須對蓄電池供電電壓進行檢測，以便及時更換電池，保證系統的正常工作。具體電路連接如圖7所示。其中，接插件J5的第4腳就是外部電源監測輸入端，OVCC-W接入C8051F040的第18腳AIN0.0。

(7)人機交互接口。人機交互接口包括外接的液晶顯示屏接口和鍵盤輸入接口。液晶顯示接口連接液晶控制模塊VT6448，其是專門針對分辨率為 320×240(1)的單色屏而設計的液晶顯示控制模塊。鍵盤輸入采用標準設計，利用總線方式和片選控制，實現對輸入命令的讀取，然后由系統做出相應的處理。

(8)GPS接口。考慮滑坡現場的工作情況，對GPS模塊進行了優選。GPS設備技術指標主要技術指標如下：①定位時間。冷啟動50 s，溫啟動35 s，熱啟動8 s，重新捕獲100 ms。②精度。位置精度3 m (CEP)，速度精度0.2 m/s，時間精度20 ns RMS。③使用外部無源天線。④協議采用的為NMEA-0183 V3.0二進制協議。⑤Flash內存為8 Mbit。⑥尺寸為26 mm×26 mm×4.7 mm，質量4 g，電壓2.7 V，功耗130 mW，操作電壓2.7～3.0 V，工作溫度為-40～85 ℃。

(9)防盜報警接口。采用紅外報警傳感器，配合按鍵開關，如有人非法闖入或者有盜竊行為，系統能夠及時向監控中心報警。

2 系統軟件的設計

2.1 系統軟件總體構成

根據前面分析可知，該系統在軟件上可分為彼此相互聯絡，又彼此相互獨立的3大部分。而從功能角度而言，系統軟件又分為傳感器節點系統軟件、智能終端監測軟件、上位機監測和分析軟件3大部分[7-10]。該系統軟件總體構成如圖8所示。

圖8 滑坡遠程系統軟件總體構成Fig.8 General composition of landslide remote system software

系統軟件采用匯編和C語言進行開發，而上位機監測和分析軟件采用高級語言Visual C++語言編程。

2.2 傳感器節點系統軟件

89C51單片機系列的開發語言主要有單片機C51語言以及匯編語言，匯編語言的可讀性與可維護性等方面不如C語言，且C語言開發程序相對周期較短。由于本系統相對較為復雜，為了能更好地實現預定功能，也為了使程序有較好的可移植性和便于維護，選擇使用單片機C51語言來進行該系統的軟件設計。在監測節點的設計中可以將所有的部分分為小塊作為子程序最后在系統中加以調用即可。就本項目傳感器節點系統而言主要分為CAN總線程序、A /D轉換器程序、溫度傳感器程序以及相應的其他小的子程序。

(1)CAN總線軟件設計。針對CAN總線的應用在使用前必須設計全套的完善的調試軟件，具體包括：接受、發送、初始化。主要完成各種寄存器的初始值的給定，并根據寄存器初值調用相應的子函數。

(2)ADS8344軟件設計。ADS8344為16位高精度A/D轉換器，其讀寫軟件的好壞直接關系到本軟件能不能發揮其最大的優點。對于ADS8344的操作軟件主要是嚴格按照資料進行操作。

(3)DS18B20軟件設計。對于溫度傳感器DS18B20，采用1-wire總線的通訊方式操作。

2.3 上位機監測與分析軟件

(1)實時監測子系統設計。此系統采用現今比較流行的B/S模式，基于ASP，Web服務器使用IIS 5.1(Internet Information Serve)或者更高版本，數據庫使用Access，利用Microsoft Visual Studio.NET 2003開發。總體結構如圖9所示。

圖9 上位機監測與分析軟件總體結構Fig.9 Overall structure of the upper computer monitoring and analysis software

通過不同的方式瀏覽、查詢、顯示實時監測曲線及歷史監測曲線，提供監測點信息圖、系統布置圖及整體地理信息圖的瀏覽、查詢。對監測到的數據采取統計、分析，并進行相應的歸納，滿足實際的監測需求。實時監測系統流程如圖10所示。

圖10 實時監測系統流程Fig.10 Real-time monitoring system process

(2)數據管理子系統設計。數據管理子系統包括監測信息管理、用戶管理、數據管理和信息公告管理4部分。監測信息管理提供監測站、監測儀器、監測點等信息的添加、修改、刪除及查詢等工作，此功能對應監控基本信息子系統的后臺管理工作。數據管理流程如圖11所示。

圖11 數據管理流程Fig.11 Data management process

3 具體試驗

3.1 試驗總體方案

此項目的重點，是要將GPRS無線傳輸技術應用到滑坡現場。其關鍵技術有2個方面：①野外現場環境條件下，采用GPRS無線信號傳輸的可靠性；②系統整機的可靠性問題。針對以上關鍵技術問題，展開了深入研究并進行了大量的室內試驗。進行了電力載波試驗，包括大電流波動試驗、遠距離載波傳輸及大電壓波動試驗、大電壓波動試驗；抗干擾試驗，抗振性、抗潮性能試驗、參數的標定和整機聯機調試。在試驗中修改設計，最終確定設計方案。由于室內試驗做得非常充分和全面，從而確保了項目模擬野外試驗的成功。室內試驗完成后，應當通過野外試驗驗證，由于滑坡的發生是一個由量變到質變的過程，且量變時各項檢測數據的變化量非常小，野外試驗無法正常實施。為了驗證滑坡地質災害遠程無線實時預警監測系統傳輸的可靠性，同時也使項目圓滿完成，設計了一個試驗臺模擬野外試驗。對滑坡地質災害遠程無線實時預警監測系統進行了模擬野外試驗，采集了10組試驗數據，實際與終端顯示比較吻合，實驗取得圓滿成功。

3.2 室內試驗

(1)大電流波動試驗。信號的傳輸，將受到周圍電力線中電流的波動沖擊。野外環境條件下，電力線中電流會大幅度波動。為了確保在這種工況下信號的可靠傳輸，在電路設計上采取了很多措施，并進行了大量的室內試驗。電路試驗采用了筆記本電腦、單片機開發系統等設備和儀器。試驗采用在連續不斷的載波中傳輸大量的數據，同時反復啟動、關斷大功率電機，觀察其數據傳輸的正確性。通過反復修改電路、反復試驗，最終確定出了一個能滿足這種工況的最佳電路，保證了在此工況下其數據傳輸的可靠性。

(2)遠距離載波傳輸及大電壓波動試驗。為了能保證遠距離傳輸的可靠性，通過串接電阻進行模擬10 km傳輸室內試驗，同時系統旁邊再接1臺4 kW的三相異步電機。由于電纜有電阻，電機啟動時，電壓降至180 V左右。同時反復啟、停電機。 此試驗既考慮了電壓波動對傳輸的影響，又試驗了傳輸的距離。

(3)抗干擾試驗。現場可能有強烈的外界空間干擾。為此，在信號傳輸的同時，緊靠電力線，反復開啟電焊機及等離子切割機，用電焊機及等離子起弧時的強烈空間干擾及電網干擾來進行試驗及電路改進。

(4)抗振性、抗潮性能試驗。野外環境的另一個惡劣條件是，環境濕度大，有時陰雨綿綿，因而會作用到儀器上，對傳感器和電路均會造成嚴重損害。這也是該套系統設計重點考慮的因素之一，也是室內試驗的重要內容之一。具體試驗分2項來進行：①選擇出現大雨的天氣，將儀器放置室外過夜，第二天一早對其通電，觀察其運行的可靠性；②用水蒸氣薰儀器，連續數小時，并同時觀察其工作的可靠性。通過這2項試驗，將曝露出的問題逐一解決，使全套儀器具有很大的抗潮性能。沖擊時產生的作用力，要遠遠大于振動時產生的作用力。為簡化實驗裝置，本次室內試驗，采用了摔落沖擊方式。實際試驗時，未出現過因沖擊而出現故障的情況，也未出現過因沖擊而使器件松動的現象。

3.3 模擬野外實驗

各傳感器均由電纜線連接于節點系統，節點系統連接于監測終端，接收系統通過GPRS接收監測終端傳輸的數據并在電腦上顯示。用一螺桿和螺母實現拉壓力的傳遞，通過轉動手輪調節拉壓力；用空壓機供氣，管路中串入單向閥、氣壓表，來實現氣壓的測量；用一酒精燈來加熱燒杯中的水并用溫度計測量溫度。用手拉動位移傳感器，轉動手輪，開啟空壓機和點燃酒精燈就可使各傳感器產生數據并在監測終端和接收終端顯示出來。各參數的10組實驗數據見表1。

表1 模擬野外實驗數據Tab.1 Simulate field experimental data

4 結語

滑坡地質災害遠程無線實時預警監測系統歷經反復室內試驗、模擬野外試驗、重新修改后，認為該系統是檢測技術、計算機技術與網絡技術結合的高科技成果。該系統性能穩定，顯示出較強的野外適應性。通過此項目的實施，一方面，完成了任務書要求，研究開發了滑坡地質災害遠程無線實時預警監測系統；另一方面，鍛煉了地質災害監測儀器開發研究隊伍，為今后開發研究培育了人力基礎。

與傳統的人工現場檢測相比，將GPRS無線通信技術應用于滑坡地質災害遠程實時監測有明顯的優越性。具體體現在以下幾個方面：①系統能實現遠程實時的監測與預報，便于決策部門和專家在異地隨時觀看地質災害現場的動態監測結果，具有實時在線、高速傳輸、數據可靠、性能良好等優點；②在系統調試中，應用多項軟、硬件抗干擾技術提高整個系統的可靠性，提高了系統適應野外工作的能力；③項目的研制成功，為地質、環境、水文、礦山等領域的網絡化、數字化建設打下了良好的技術基礎。