山体滑坡遥测预警系统的设计与实现

侯 群， 俞夏琴

（江汉大学 物理与信息工程学院，湖北 武汉 430056）

0 引言

由于山体长年的自然风化及诸多综合复杂因素的影响，致使山体滑坡造成的自然灾害有时危及国家财产及人民生命的安全。尤其在江河库区所在的山城、山镇，商贸繁荣，人口密集，危害更甚。为此国家防灾减灾办及地质部门进行过自然灾害的地质普查，并对重点地区采取有力措施进行整治。整治方案一般采用排水工程，支档工程与护坡工程相结合的方法综合治理。但整治后的滑坡体，仍需长年监测。本文是介绍某库区滑坡体经过整治后的遥测预警系统的设计与实现。

该库区滑坡体的治理主要是采用抗滑桩加锚索的支档工程。因此，除了进行滑坡体深层滑坡面位移监测外，还必须进行抗滑桩压力监测，及锚索预应力动态监测。其中监测设备在整治过程中已预埋好。

1 遥测预警系统的主要功能

1.1 自动数据采集

自动数据采集分以下3种：

① 1路抗滑桩压力采集；

② 1路锚索预压力采集；

③ 2路深层位移量采集。

1.2 数据的传输与通讯

将采集的数据及其有关信息通过现有中国移动的“GPRS”平台，传输至指挥中心，或防灾减灾办公室。

1.3 数据的接收与处理

指挥中心或防灾减灾办公室通过上位机系统，接受来自现场的实时数据及有关信息，并显示预警信号及报警。通过专家分析，对预警信息采取有关措施，避免灾害的发生，尽量减少人民生命财产的损失。

2 遥测预警系统原理及组成

2.1 系统的组成原理

本系统是利用 MCS-51单片机，通过位移、压力等传感器采集的信号，经过模数转换，将信息传送到 GPRS移动通信的基站。GPRS是在现有的GSM系统上发展而来的一种新的分组数据承载业务-GPRS移动网络，它通过移动网关实现GPRS无线网络与INTERNET网互联。GPRS移动网络将数据或信息通过网关传输到互联网，而后基于IP协议,通过路由将数据包直接传送到指定 IP的网络服务器。网络服务器接收到信息后及时显示且将数据贮存到指定的数据库文件中。GPRS网络传输速率高，系统在很短的时间内(几秒至数十秒,根据信道情况)就可以完成数据的采集与信息的传输任务。

2.2 系统设计框图

基于 GPRS的数据采集及通信系统的组成，分为前端机和服务器两部份。图1是前端机系统框图。图2是基于GPRS的通信系统图。

图1 前端机系统框

图2 基于GPRS通信系统

3 基于GPRS的通信实现

该系统利用单片机通过串口对GPRS模块进行收发控制，借用现有的GPRS无线移动网络实现。

3.1 GPRS网的数据传输

GPRS是在GSM的基础上引入了分组控制单元(PCU)、服务支持节点(SGSN)和网关支持节点(GGSN)等新部件而构成的无线数据传输系统，其用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。具体的数据传输流程为：

① GPRS终端通过接口从客户系统中取出用户数据；

② 处理后以 GPRS分组数据的形式发送到 GSM基站(BSS)；

③ 分组数据经SGSN封装后，发送到GPRS IP骨干网；

④ 若分组数据是发送到另一GPRS终端，则先发送到目的SGSN，再经BSS发送到CPBS终端；若分组数据是发送到外部网络(如因特网)，则将分组数据包经 GGSN进行协议转换后，发送到外部网络[1]。

3.2 GPRS终端的工作原理及硬件实现

基于GPRS的终端系统设计框图如图3所示，各部分的工作原理如下：

图3 GPRS终端实现

（1）控制模块

控制模块的作用主要有：

控制模块通过AT指令初始化GPRS无线模块，使之附着在GPRS网上，获得网络运营商动态分配给GPRS终端的IP地址，并与目的终端或服务器之间建立连接；

控制模块通过RS232串口向客户系统收发数据或指令；控制模块通过RS232串口向TCP／IP模块收发数据；控制模块自主或根据远程控制指令采取其他操作[2]。

（2）TCP／IP模块

TCP／IP模块通过RS232串口与GPRS无线模块通信，提供非透明和透明两路通道。对应地，该模块有两种传输模式：透明模式和非透明模式。通过软件切换，模块在处于不同的传输模式时，数据流向也不同。当传送 AT指令集时，模块进入透明模式，可以直接访问 GPRS无线模块；当模块进人非透明传输方式时，用户数据从串口进入TCP／IP模块后，先打成TCP／IP包，再经串口发送给GPRS模块；GPRS无线模块把其封装成GPRS分组数据包传到GPRS网上。TCP／IP模块由基于单片机8052的嵌入式系统实现。

3.3 系统通信的实现

建立系统通信的主要部件及其实现过程简要说明如下：

① MCS-51系列单片机；

② GPRS模块。本文以利事达信息技术有限公司开发的GPRS模块LT8030为例。采用标准的RS232 接口，用户可以通过单片机或其他CPU的UART口，使用相应的AT命令对模块进行控制，达到使轻松进入GPRS网络的目的；

③ 服务器。建立SOCKET连接必须具有公网的IP地址，故应保证服务器中心计算机连接到因特网并且取得公网IP地址。在单片机对GPRS模块控制之前，服务器端需运行SOCKET端口监听程序，并且设为监听状态，端口号也要设定，例如port：1024；

④ 复用P1.2和P1.3，也就是串口1分别和GPRS模块的TXD0和RXD0连接，通过软件置位完成对LT8030的初始化和控制GPRS模块的收发数据[3]。

4 上位机硬件系统设计

上位机系统数据的采集与发送, 主要由传感器,51单片机,模数转换芯片及GPRS模块等组成。下面分别对系统的主要硬件加以介绍。

4.1 单片机AT89C52的结构和功能介绍

AT89C52单片机是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含 8 kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用美国ATMEL公司的高密度、不易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C52提供了高性价比的解决方案。AT89C52是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程[4]。

4.2 AD574模数转换芯片功能介绍

AD574是带有12位A/D转换器以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，是一种速度较快、精度较高的转换器，其转换时间大约25微秒。片内有三态输出缓冲器, 故与单片机接口连接简单。引脚CS、CE、R/C分别是片选、片使能、数据读/启动信号,A0和12/8信号用于控制一次输出数据的长度。无论是启动、 转换还是结果输出,都要保证CE端为高电平,故89C52的WR、RD端通过与非门与AD574的CE端相连。转换结果为高8位,低4位与P0口相连, 故12/8端接地。CS、A0、R/C在读取转换结果时应保持相应的电平, 故用74LS373锁存后接入。STS为转换标志信号,可作为结果输出时的中断请求或查询信号。当CE=1,CS=0时启动转换,在启动信号有效前,R/C必须保持低电平。

4.3 GPRS 模块

本设计中所采用的是LT8030 GPRS IP Modem 。LT8030基于SIEMENS 的MC35 GPRS模块，并且内嵌了完整的TCP/IP协议，为用户提供更简单的网络接口。单片机与GPRS模块一般采用串行异步通信接口，通信速度可设定，通常为9.6 kb/s。采用RS232电缆方式进行连接时，数据传输的可靠性较好。单片机通过电平转换电路与GPRS模块连接，电路比较简单，电路原理图如图4所示。所涉及的芯片MAX232用于串行通信接口与232通信接口之间的电平转换[5]。

图4 单片机与GPRS模拟连接的电路原理

MAX232的T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT为接TTL/CMOS电平的引脚；T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS232电平的引脚。TTL/CMOS电平的T1IN、T2IN引脚应接AT89C52的串行发送引脚TXD；R1OUT、R2OUT应接AT89C52的串行接收引脚RXD。与之对应，RS232电平的T1OUT、T2OUT应接GPRS模块的接收端RXD；R1IN、R2IN应接GPRS模块的发送端TXD[6]。

现选用其中一路发送/接收,R1OUT接AT89C52的RXD，T1IN接AT89C52的TXD,T1OUT接GPRS模块的RXD, R1IN接GPRS模块的发送端TXD。因为MAX232具有驱动能力，所以不需要外加驱动电路。

4.4 传感器选型

（1）滑坡带位移监测传感器

钻孔监测是位移监测中的重要监测项目，深孔测斜可以提供系统的连续监测数据，它不仅能连续准确地测到滑坡滑动面的位置，而且可以测到土体一定时间的向位位置，我们选定在一定深度安装WQV36-10型测斜传感器，完成深层位移实时监测。

（2）抗滑桩压力传感器

为了解滑坡体传感器递给支档工程的压力，我们选用TXR型钢玄式土压力传感器，(激励后的脉冲信号送入89C52的 INT0),安放在抗滑桩群的一定的深度,以监测抗滑桩在完全受力后，初期和基本稳定期的应力变化。

（3）预应力锚索的监测

为了解预应力动态变化和锚索长期工作的性能，我们选用GEOKO4900型钢玄式锚索测力计安装于锚索张拉部及尾部。(激励后的脉冲信号送入89C52的INT1)

本系统的前端机的软件设计采用C51编程，服务器软件采用 C+ +6.0作为开发平台，使用流式套接字，利用WINSOCK API进行网络编程。数据库是采用微软的Access。

5 结语

基于GPRS的数据采集和通信系统的实现，是利用传感器采集模拟量,通过模数转换器将模拟量转化为数字信息，即二进制数据，同时将数据贮存到单片机中。通过单片机通信串口传输给GPRS模块。单片机通过AT指令初始化GPRS无线模块，使之附着在GPRS网上，获得网络运营商动态分配给GPRS终端的IP地址，并与目的终端或服务器之间建立连接，实现无线数据通信。其理论可靠，具有广泛的应用前景。

[1] 韩斌杰.GPRS原理及其网络优化[M].北京:机械工业出版社,2003:87.

[2] 李华.现代移动通信新技术- GPRS系统[M].广州:广州华南大学出版社,2001:104.

[3] 陈光军．数据通信技术与应用(修订版)[M].北京:北京邮电大学出版社,2008:134.

[4] 马忠梅,籍顺心,张凯,等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:150.

[5] 毛昕蓉.基于GPRS技术的配电自动化系统通信解决方案[J].通信技术,2008,41(05):164-166.

[6] 梁松,梁艳,陈继努.基于GPRS的智能公交系统通信平台的实现[J].通信技术,2007,40(10):56-58.