基于北斗短报文的泥石流监测预警系统

吴 悦，任 涛，王 璇

（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，保定071051）

对于泥石流灾害的监测[1]在我国地质灾害监测预警工程中占有非常重要的地位，因为近年来这类灾害爆发频率高、造成危害大，给国家和人民群众的生命财产带来重大的损失，例如2010年甘南舟曲的特大泥石流灾害、2012年甘肃岷县特大冰雹山洪泥石流灾害；在泥石流灾害监测中，对于泥石流物源区的监测是至关重要的，可以为早期预警提供较长的时间，但是物源区通常位于深山部位，手机网络无法覆盖，这样监测数据就无法实时传输到监控中心，给早期预警工作造成了很大的困扰。北斗系统是国家大力发展的战略性产业[2]，除了定位、授时等功能外，还可以发送短报文，目前在全国范围内可以保证在任何地点、任何时间的无障碍双向通信。

本文将北斗终端的通信功能与泥石流监测仪器相结合，采用实时采集与发送数据的方法以满足地质灾害监测预警的需要。文中以泥石流灾害为研究对象，设计的监测预警系统，实时采集雨量、泥水位、地声等数据，通过北斗短报文发送到远程的监控中心，根据获得的数据分析结果，为泥石流早期预警工作创造了有利条件[3]。

1 系统设计

本系统主要由传感器、采集传输仪和监控中心软件组成，结构如图1所示。传感器主要采集雨量、地声、泥水位三类变量；采集传输仪分为2个部分，由数据采集板和北斗终端组成；监控中心服务器控制软件采用C/S模式设计，用于显示、存储监测的数据和下发控制命令，主要实现了针对不同类型地质灾害监测信息的采集与存储等重要功能。

图1 系统总体框图Fig.1 Overall frame of the system

1.1 数据采集板

由16位超低功耗PIC嵌入式处理器PIC24F16 KA102、24位模数转换器ADS1256、电源控制模块等核心模块组成，数据采集板原理如图2所示。

图2 数据采集板框图Fig.2 Overall frame of the data acquisition board

PIC24F16KA102属于Microchip的超低功耗16位单片机系列产品线，具有丰富的外设功能部件和增强的计算性能，此外还具有一系列能在工作时显著降低功耗的功能，主要包含动态时钟切换、打盹模式工作、基于指令的节能模式等，属于超低功耗器件，工作电压范围为1.8 V～3.6 V。ADS1256是一种24位Δ-ΣADC，为TI工业级产品，内部集成有输入多路复用器、输入缓冲器、可编程增益放大器。

仪器系统选取直流12 V做为主电源，电源控制部分采用分区供电的设计指导思想，功能模块工作时被供给电源，在其它时间彻底切断电源以最大限度降低功耗[4]，整个系统受程序控制[5]，目前分为CPU电源、AD电源、5 V传感器电源、12 V传感器电源。CPU电源通过降压模块LTC3631由12 V降压为3.3 V，最大输出电流100 mA；AD电源通过低压差线性稳压器LP3878由12 V降压为5 V，最大输出电流800 mA；5 V传感器电源通过降压开关稳压器LM2596S由12 V降压为5 V，最大输出3 A电流；12 V传感器电源通过继电器G6E-134P，直接从主电源获取；这2个传感器电源由处理器控制打开或关闭，为一些功耗较大的传感器定时供电。

RS485是很多种智能传感器的标准接口[6]，仪器上预留了一路这类接口，可以通过串联的方式进行扩充。RS232接口用于连接北斗终端。为了进一步降低噪声，增加抗干扰性，电路板设计为四层板，电源层和地层放置在板子中间，把模拟器件和数字器件分别放置在底层和顶层。

1.2 北斗终端

北斗终端由北斗卫星UM330模块和电源、RS232电平转换模块构成，北斗卫星模块UM330是基于多系统多频率高性能SoC芯片（NebulasTM），采用单芯片接收机方案，同时支持BD1基带以及BD2/GPS基带和射频，实现更高的集成度和更低的功耗，支持短报文收发。

1.3 采集传输仪工作模式

采集传输仪通常工作于低功耗模式，外部12 V电源通过LTC3631转换为3.3 V为PIC24供电，仪器时钟通常处于低频率模式下，整机功耗控制在0.024 W以下，外部中断与时钟维持运行，当有外部事件发生或定时时间到，PIC24进行时钟切换，把时钟由内部31 kHz转换为外部7 MHz，进入正常工作状态，通过GPIO口导通继电器为AD转换器、通讯终端、外部有源传感器、RS485模块提供12 V和5 V电源，通过ADS1256采集8路电压、电流类型数据，通过RS485采集智能仪器的数据，雨量数据通过外部中断实时获取。数据采集完毕后通过串口把数据传输到通讯终端，得到通讯终端发送成功的回复后，关断继电器，切换工作时钟，自身重新进入低频率模式，等待下一次；如果数据发送有错误且多处重发依然无效，则把数据暂存，进入低频率模式，在下一个定时时间与新的采集数据一起发送。

1.4 监控中心软件

监控中心软件由C#+SQLServer组合开发完成，其中程序采用C#高级编程语言开发实现，数据存储则采用SQLServer实现，由于SQLServer是网络数据库，允许并发的操作数据，这样也为预警信息系统实时使用监测数据提供了统一的数据平台，软件组成结构如图3所示。

图3 软件组成结构图Fig.3 Structure of the Sofiware composition

整个系统的工作机制主要由三个响应过程组成：客户端软件通过配置与服务器软件通信，再由服务器软件响应客户端事件请求；服务器软件通过TCP Socket/SMS监控终端数据上传并解析[7]，并能够实现控制命令的下发；服务器软件实现对终端数据的缓存，同时通过数据接口与SQLServer数据库进行实时存储和交互等，达到采集数据存储和管理的目的。

通过在数据库中保存终端ID与其相对应的协议类型的映射，在接收到采集终端的上行数据后首先解析出终端ID，再根据对应关系判断终端所使用协议类型，最后分派给相对应的解析模块处理。发送模块工作原理相仿，先根据协议指定格式把要发送的命令数据前加上终端ID和协议类型的标识，然后发送给收发器完成发送任务。

2 泥石流灾害监测指标

依据“崩塌、滑坡、泥石流监测规范”和“六类地质灾害应急防治技术标准手册”要求，泥石流监测预警系统主要选取了雨量、泥水位、地声做为主要监测内容的技术指标，这3种参数主要代表了泥石流监测中的形成条件 （雨量代表了气象水文条件）监测、运动特征（泥水位代表了动态要素、地声振幅代表了动力要素）监测[8]。通过观察以上类型的数据，可以比较完整地勾勒出灾害体的当前形态，如果对长期积累的数据进行深入的比较与分析，再结合当地的地质调查情况，可以初步推断出监测预警的临界值，可以极大推动泥石流早期预警工作。

3 应用情况

基于北斗短报文的泥石流监测预警系统目前已经在“重要地质灾害隐患监测示范（辽宁）”、“北京房山地灾监测”等国家重大地质灾害监测预警工程中得到大量应用，尤其在四川雅安地区发生的“4.20”庐山震后次生灾害监测应急工作中发挥了重要的作用。

根据国土资源部“4.20”雅安地震指挥部的统一部署，对灾区宝兴县冷木沟和教场沟泥石流进行了应急监测，部署了6套泥石流监测预警系统如图4所示，实现了高海拔峡谷区无网络信号情况下的泥石流地质灾害监测。

图4 现场布置Fig.4 Site layout

2013年5月23日16点10分，宝兴县城遭遇局地强降雨袭击，17点05分，监控到洪峰越过原来的一号大坝冲向道路，且有瞬时加强的趋势；17点25分，从降雨与泥水位变化曲线见图5上分析，暴雨累计降雨量已达到63.5 mm，此时监测点Z2发出了报警信号，说明泥水位上升1 m后达到预定预警值，主沟上游形成的洪峰已经到达中游，有发生泥石流灾害的迹象，宝兴县防灾减灾指挥部及时组织沟内开展应急抢险的四川省地矿局909队150余名施工人员和60台套大型机械设备以及可能受威胁的500余名群众果断撤离，避免了人员伤亡和财产损失。

图5 降雨与泥水位变化曲线Fig.5 Relationship between rain and mud level

4 结语

基于北斗短报文的泥石流监测预警系统，依据国家颁布的泥石流监测预警规范与技术标准，选取了具有代表性的技术指标做为监测参数，通过北斗终端，以短报文的形式把数据实时传输到后方的监控中心，为泥石流监测早期预警工作奠定了基础，在国家重大地质灾害监测预警工程和应急监测工作中发挥了作用；使用北斗传输数据，相应的拓展了北斗系统的应用范围，为北斗系统健康生态链的发展增加了重要的一环。

[1] 张树成，江帆.六类地质灾害应急防治技术标准手册[M].北京：地质出版社，2010.

[2] 何树权.北斗应用技术发展模式的思考[J].数字通信世界，2013（8）：28-30.

[3] 殷跃平，吴树仁.滑坡监测预警与应急防治技术研究[M].北京：科学出版社，2012.

[4] 车健.嵌入式系统中低功耗设计[J].电子测量技术，2005（3）：16-18.

[5] 李云.专业嵌入式软件开发[M].北京：电子工业出版社，2012.

[6] 张小贝，周凤星.基于嵌入式控制器和RS485的智能家居系统[J].电子测量技术，2012（8）：62-65.

[7] 苏赛，朱昭俊，段哲，黄浩.基于C#的TCP网络通信的研究与应用[J].电脑编程技巧与维护，2013（4）：39-41.

[8] 中华人民共和国国土资源部.DZ/T0221-2006崩塌、滑坡、泥石流监测规范[S].北京：中国标准出版社，2006. ■