一种新型雪崩监测预警系统

陈盼　陈健

摘 要：伴随着全球气候变暖，冰冻圈雪崩灾害潜在风险逐渐增加，雪崩灾害已受到社会各界的广泛关注。雪崩摧毁森林和度假胜地，会给当地的旅游经济造成非常大的影响，大型雪崩会掩埋山下居民的房屋，甚至活埋当地居民。由此可见，对雪崩的监测和预警显得尤为重要。本文介绍了一种基于陀螺仪传感器和GPS的新型监测预警系统，可以有效的对雪崩进行监测和预警。

关键词：雪崩；监测；预警；陀螺仪

1 引言

雪崩是指覆雪处于一种“危险”的平衡状态下，如果稍微有外力作用，就会失去平衡，造成雪块滑动，进而引起更多的覆雪运动，使大量的积雪瞬间倾盆而下的现象。雪崩既是一种奇特的自然景象，又是一种破坏巨大的自然灾害。雪崩发生时从部分雪体开始，范围迅速蔓延，终至于大量覆雪瞬间倾盆而下，削山丘而平沟壑，令地貌为之一变，拥有惊人的破坏力。

国内外研究成果简介：目前，国内外研究人员在雪崩形成机制、抛程、动态模拟、风险评价与区划、预防与防治等领域取得了较大进展。

2 设计思路

为了对雪崩进行准确的监测和预警，设计出了一种基于GPS，陀螺仪传感器，超声波脉冲以及单片机等模块的雪崩监测和预警系统。该系统能够提高监测结果的准确性和使预警更加智能化，能有效的预防雪崩对人类生活带来的不利影响。同时该系统还可以在雪崩发生后对陀螺仪采集到的数据进行处理，得出雪体的运动速度和方向。

3 设计原理

本设计由GPS，陀螺仪传感器，超声波雪深传感器模块，GPRS通信模块，单片机模块以及电源模块组成，各模之间相互配合工作，想预警中心发送实时采集的山体积雪信息，并对雪崩做出预警和数据采集。

3.1 陀螺仪传感器模块

陀螺仪是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的，陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。因此根据陀螺仪传感器采集到的雪体的加速度和位移数据可以判断出是否有发生雪崩的可能。当陀螺仪传感器采集的雪体运动很微弱时，可以得出雪体处于受力比较稳定的状态，不会发生雪崩；反之，当采集的雪体运动很剧烈时，就可以判断出将要或者已经发生雪崩。同时将采集到的数据经过分析以后可以得出雪体运动的方向和速度，计算出人们可以逃生的时间，为人们逃生提供参考。

3.2 超声波雪深传感器模块

超声波雪深传感器模块是应用超声波在声阻抗不同的两种物质界面上产生反射的性质测量界面距离的原理来测量雪的深度。它由发射器发出超声波脉冲，传到目标经反射后返回接收器，测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间。由此便可计算出积雪深度，用公式表示：D=H-0.5Vt。式中：D为积雪深度；H为超声波传感器安装高度；V为超声波在空气中的传播速度；t为超声波往返时间。

根据超声波雪深传感器模块采集到的数据，通过分析处理可以得出发生雪崩积雪的深度，从而判断出雪崩的等级及破坏力大小，为是否需要疏散居民提供依据。

3.3 GPS模块

一旦发生雪崩GPS模块能够提供发生雪崩的具体位置，人们根据位置信息判断该地区有无人居住和活动，从而确定是否要发出预警和进行救援。

3.4 单片机模块

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。

在该系统中单片机模块将陀螺仪传感器模块和超声波雪深传感器模块采集到的数据信息进行处理分析，得出是否发生雪崩，雪深，雪速等信息。然后控制GPRS通信模块将得到的信息传送给监测中心部门，供人们作出一系列决定。

3.5 GPRS通信模块

GPRS通信模块采用高性能工业级无线模块及嵌入式处理器，以实时操作系统作为软件支撑平台，为用户提供高速，稳定可靠，永远在线的透明数据传输通道。利用该模块通过通信网络与监控中心进行信息传递，将单片机模块处理分析后得到的数据和GPS模块采集到的数据传送给监控中心，达到通信和数据传递的功能。

3.6 电源模块

由于该系统终端机分布在野外，供电较困难，所以终端机采用蓄电池供电，蓄电池容量大、自放电率低，并采用太阳能板对其进行涓流充电，可以及时补充蓄电池的消耗，延长供电时间，使该系统能够全天工作，实时监控预警。

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