地表侦察卫士设计与研究

杨元清 秦刚 荣梦杰 叱婵娟 李贵斌

[摘 要]滑坡地质灾害具有临界突发性、破坏力巨大等特点，随着人类工程活动的日趋频繁，造成的损失也越来越大，其中大部分具有很强的隐蔽性，不借助先进的监测仪器设备很难发现其存在的安全隐患。地表侦察卫士以STM32单片机为主控芯片，经由加速度计、陀螺仪等对滑坡形变信息进行实时采集，结合角度解算与多传感器数据融合技术得到整个监测对象的形变量，并将采集到的形变信息通过VPN服务器传送至远程监测端，能够提前采取有效措施，把地质灾害造成的危害降到最低。

[关键词]滑坡监测；陀螺仪；加速度计；远程监测

[中图分类号]V279 [文献标识码]A

在我国，一方面滑坡灾害分布广泛，工程防治、机理研究、预测预报等起步较晚，而另一方面又面临着国内滑坡监测仪器和监测方法发展滞后的局面。因此，为了有效降低滑坡等地质灾害给人类带来的损失。研究一种应用于滑坡监测领域的地表侦察卫士，并探求其监测方法及监测数据的应用具有重大的科研和工程意义。

1 系统总体方案设计

“地表侦察卫士”由现场测算线、无线数据发射端、无线数据接收端、现场监测平台和远程监测平台组成。现场测算线主要负责检测传感器的数据采集以及角度和震动信息的解算，然后将处理后的数据信息通过RS485通讯总线进行传输，通过无线传输显示在现场监测平台上。现场监测平台通过搭建的VPN服务器实现与远程监测平台的数据传输。监测平台可以将数据储存在数据库中并可以执行查询任务，同时可以将监测数据以曲线的形式显示出来方便工作人员分析。若检测到的姿态角度超过设定的预警值，可以及时报警通知管理人员，同时监测平台可以对山体滑坡的形变程度进行评估。如图1为地表侦察卫士的总体结构框图。

2 系统的硬件设计

本设计的硬件结构如图2所示，测算线由若干测算模块通过RS485通讯总线的方式进行连接组合而成。对被监测区域的形变量进行监测，测算模块采集到被监测区域的形变量。测算模块主要由以STM32微处理器为核心的最小系统模块、陀螺仪和加速度计构成的滑坡信息采集模块、电源模块、通信模块及存储模块组成。

2.1 核心控制单元模块

由STM32F103C8T6作为的系统的主控制器，它采用36管脚VFQFPN封装，由32位中央处理单元（CPU12X）、256KB程序Flash（P-lash）、48KB RAM组成片内存储器，足够存储并运行复杂的姿态角度的解算算法，而且容量大，体积小。处理速度快可达72MHZ，与51单片机相比速度更快，功能更加强大。

2.2 电源模块

电源是系统设计中的一个重要组成部分，稳定可靠的电源模块能够为系统稳定工作提供能源保障。为了提高系统的可靠性，根据传感器和整个系统电源的需要，本系统采用ASM1117芯片将5V的电源转换为3.3V为滑坡测算模块提供工作电压。

2.3 数据采集模块

本设计的数据采集模块采用飞思卡尔半导体公司的三轴数字陀螺FXAS21002与FXOS8700CQ6加速度磁力计传感器。该模块为IIC通信协议，供电电压3.3V，工作温度范围较广（-40℃至+85℃）；角速率分辨率为0.0625 dps/LSB；输出数据频率（ODR）范围：12.5 Hz至800 Hz。经过融合后，可以得到准确的角度信息。

2.4 通信模块

采用MAX3485EN总线通讯电路，它是一种8管脚的收发器，RS-485采用半双工通信方式，将TTL电平转换为差分信号输出，在接收端再进行信号还原，所以RS-485具有很强的抑制共模能力和高信号接收灵敏度。

2.5 存储模块

存储芯片选用AT24C02存储芯片。AT24C02具有结构紧凑、存储容量大等特点，适用于具有大容量数据存储要求的数据采集系统，AT24C02与CPU之间采用IIC两线制通信方式。将AT24C02的写保护引脚WP接地，允许写操作；SCL、SDA经过+5V的上拉后分别接入主控制器的PA7和PA6口，主控制器通过这两个口模拟I2C时序与存储芯片通信，进行数据交换。

3 系统的软件设计

本项目中對各个功能模块的编程设计是通过C语言实现的。软件设计采用模块化和结构化的编程思想，完成对地表侦察卫士软件功能的实现。为保证振动信号的准确、实时监测和数据传送，各个功能模块更加灵活高效地实现各自的功能。地表侦察卫士的软件系统主要包括以下几个模块：

初始化模块：初始化的作用主要是将系统各个部分从休眠等其他非工作状态唤醒，让系统开始运行到工作状态。本系统下位机监测端的初始化程序主要包含时钟初始化、主控制器端口初始化、通信模块初始化、存储模块初始化以及传感器设备初始化等。

定时器模块：系统软件运行工作时定时器被正确设定和执行确保系统的高效工作。单片机的定时器设置为10ms，用定时中断函数控制着采样时间，即执行一次定时中断就进行一次等间隔采样。

姿态数据采集模块：STM32支持IIC总线的通信方式。所以设计通过GPIO口采用模拟IIC通信协议的方式，需要对模拟IIC协议中包含例如起始时序、应答时序等子程序进行设计，从而对加速度计、陀螺仪的数据进行采集。

程序各个功能模块之间相互依存，相互配合，实现对滑坡形变的准确监测。

4 结论

本文完成了系统模块和整体的调试。实现对滑坡形变量准确、实时的监测，并进行数据存储、显示与报警，从而可以预见地质灾害的发生，采取及时有效的措施来减低其危害。

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