基于物联网技术的自动化地质检测器

杨晓娟 何小玲 谭丹

摘要：本文提出将物联网及自动化技术应用于地质测量、灾害预警当中。针对低功耗、高运算速度的要求选择STM32F103C8作为微控制器，使用SIM800作为通信模块，并使用北斗和震动监测模块作为传感器。在软件部分，按功能划分出通信、测量等模块，以操作系统为基础，构架出检测器的软件。

关键词：地质监测;物联网;自动化设计

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）14-0258-02

1引言

我国地质条件复杂，存在地质灾害隐患的地点较多，因此需要长期进行地质监测。传统地质监测灾害监测主要是依靠全站仪等设备，需要有人值守，在时效性以及覆盖率上远不及自动化地质监测设备。

随着物联网技术的发展，尤其是无线蜂窝通信技术的普及，地质监测的发展呈现出无人化、自动化趋势，且监测实时性极大提高。本设设计基于物联网的自动地质监测器，该设备可用于监控地质高危区域的地面变形以及震动情况。

2硬件设计

根据设计要求，监测器需要具备如下模块。

微型控制器，用于设备上的数据计算以及逻辑控制，由于该控制器处于中心控制地位，需要处理每个模块的信息，因此需要具备一定的数据处理能力，同时该设备需要长时间依靠电池工作，因此需要具备低功耗能力。STM32F103C8单片机由于具有最高72MHz运算频率，64KSRAM，因此可满足高速数据处理要求。该单片机可工作在睡眠、停机和待机模式最低功耗可低至2uA以下。因此该单片机满足设计要求。

通信模块，通过无线网络向预警人员发送数据。通信可选择无线蜂窝通信和卫星通信两种方式，前者优势在于成本低，通信可靠度高，后者优势在于信号盲区少。由于我国无线蜂窝网络覆盖度高达92%以上，综合成本、性能两方面考虑，使用SIM800无线蜂窝网络通信模块。

定位模块，用于测定设备安置点的绝对地理位置。定位模块选择基于卫星系统的定位模块，可选GPS系统或者北斗系统，GPS系统现阶段建成度较高，因此精度高成本相對高，北斗系统暂时精度较低（2.5米），但成本低。考虑到该设备投放量较大，处于易损环境，2.5米精度也能满足需求，因此选择北斗模块作为定位测量模块。

震动监测模块，监测被测地点震动等级。震动监测模块可监测到被检测位置的运动状态变化，甚至是震动状态。

电源系统，对设备进行供电。由于该设备长期处于无人监管状态，且布置地点分散较为广泛，不便于架设供电线路，因此供电系统需要采用太阳能或者风能等具备离线自充电功能的能源。

上述子系统以STM32单片机为中心节点，各自分别与微控制器连接并通信。电源系统则对所有模块供应电源。

3软件系统

软件系统按照设计任务可划分为如下模块：

1）通信模块，发送实时数据测量结果以及接收远端查询要求。该软件模块在启动初始化后将一直在后台待命运行。

2）位置传感器读取模块。本系统需要满足低功耗要求，因此该软件模块启动后间歇性运行。不运行时，该模块控制位置定位系统进入低功耗休眠模式。该模块运行时，将唤醒位置传感器并采集一次位置数据，并计算当前位置与前几次时刻位置差异，一旦监测到位置变化，就通知远端服务器。

3）震动监测模块，该模块可通过触发单片机的中断功能运行。一旦该模块被启动运行则证明被测点有强烈运动。应立即告警远端服务器。

由于软件系统由多个模块构成，为了降低软件系统的开发难度，增加模块化程度，提升系统整体稳定性，因此使用操作系统作为底层支持软件。STM32单片机支持的操作系统有FreeOs、UcOs、UcLinux等。其中UcOs由于具备丰富的API、完善的开发资料，F1JAsH及内存需求量相对少等特点，因此使用该操作系统作为平台。

n的取值需合理，太大则会导致系统灵敏度过低，从而使得测量点位移警报测量延迟过大，太小则导致滤波效果降低，从而误触发警报。实际测量n=30较为合理。

为进一步提高系统灵敏度，可改变测量策略，一旦监测到PE有明显变化，则连续不停测量位置数据30次以上，以确认位置变化。