基于STM32 MCU和GSM的滑坡灾害远程监测系统设计

何彩霞，何来运

(1.安徽汽车职业技术学院，安徽 合肥 230601；2.安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601)

0 引言

滑坡是岩石或土壤受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素综合影响，因为重力作用，沿坡面整体向下滑动的一种地质灾害[1-3]。滑坡灾害主要发生在崎岖、岩石破碎或多雨地区。滑坡具有突发性、难以预测的特点，在人们未做好充分准备的情况下，很容易给人们的生命财产带来巨大的损失。因此对危险区域的日记监控的重要性越发突出。图1为农村地区发生的山体滑坡全景。

如果事件发生前能得到指示，及时向居民报告，对降低事件损失有很大的帮助[4]。滑坡灾害监测系统即对滑坡灾害进行实时监测预警，根据灾害发生的情况，紧急向主机系统发送精密测量数据。由于对灾害发生地点的了解不准确，有必要利用分布式传感节点对某一区域进行监测。监测系统应尽量避免测量数据因传感节点间的数据冗余存储而丢失。同时，由于传感节点易损坏，造成功能停止，传感节点网络需具有自恢复功能。

图1 农村地区发生的山体滑坡全景

近年来，随着信息技术的不断应用，地质灾害监测、仪器精度和监测预报系统得到了很大的改进[5-7]。但是，无论是滑坡工程监测预报参数，还是山路路堑滑坡的特点和施工监测预报工作，都存在很大的改进空间。为了全面监测山道路堑滑坡的施工情况，本文开发了一套采集单元控制软件，评估雷暴、降雨、其他地质和地貌性质的局部控制因素和土地利用之间可能的关系，实现了多视角分析预测和多任务网络通信。

1 远程检测控制系统

1.1 远程检测系统结构

远程监测和降雨监测系统的主要参数是基于地表裂缝的位移、地表倾斜、倾斜岩石和区域降雨[8-10]。系统总体结构如图2所示，通过浏览器/服务器(B/S)模式数据服务，搭建了远程Web发布平台，实现多用户远程监控，实现数据的实时共享。借助GSM移动通信网络模块的帮助,向监控中心提供的信息被解析和处理后,数据将被存储在数据库，检测到报警信息并向检测系统报告。

图2 远程监控系统结构

1.2 系统结构组成

基于STM32 MCU和GSM的硬件控制模块如图3所示，系统包含现场数据采集、数据异常报警、GSM通信模块和远程数据监控软件。

图3 基于STM32 MCU和GSM的开发板

(1)现场数据采集模块用于传感器数据采集、实时数据输出控制、数据存储与显示、GSM模块驱动与网络连接、接收与处理GSM模块上传数据包等。

(2) GSM通信模块是系统的通信模块，负责网站采集单元与互联网的连接，它是站点采集单元与Internet之间交换数据包的媒介。

(3)远程数据监控使用行业组态软件实现，这种编程方法可以大大减少软件开发的工作量，缩短系统开发周期。

2 采集单元的设计

采集单元结构图如图4所示。单片机控制系统结构简单、体积小、功耗低、成本低，且具有较强的可扩展性和软件接口兼容性，满足监控数据采集、处理和存储要求的同时支持24小时连续工作和无人值守。

图4 采集单元结构图

2.1 滑坡数据获取

采用SCAl00T传感器，精度为±1°，测量范围为+30°[11]。传感器安装在滑坡或岩石，设置安装的初始值，将每个采集值与初始值进行比较，得到监测点的梯度变化。监控节点与GSM移动通信模块相连，多个监测点可以向一个接收端发送数据。监控节点采用动态采集的方式传输数据，数据发送时间间隔为3小时。当变化超过±5°时，系统将发出警告，同时自动将间隔时间调整为1 小时/次，若变化超出±2°，间隔时间调整为30分钟/次，如果小于±2°，数据发送频次为则为3小时/次。

2.2 雨量监测

监测节点采用的拉绳位移传感器是一种拉绳自动位移传感器。降雨监测节点采用双阀控水排水，保证了暴雨期间测量的准确性和采集的便利性。雨量监测可根据降雨量自动调整发送数据的时间间隔，利用相对稳定点的周围滑坡相对位置的变化和滑坡监测点的变化，得到各监测点的相对位移。动态采集模式监控节点与GSM移动通信模块连接，实现数据的远程传输。

3 灾害远程监控软件的开发

观察山体滑坡过程的时间序列，发现降雨强度降低或降雨结束时发生山体滑坡概率更高。这些山体滑坡富含石块和有机碎片，还伴有强烈的声音和当地的地震，就像构造性质的地震一样，这些地震也会引发山体滑坡，应在系统设计时注意这些关键节点。

3.1 测量模式

本文中传感节点采用基于随机参数的不规则采样时间间隔进行测量。在测量数据波动幅度较小的情况下，传感节点采用较长的采样间隔进行测量。如果在测量数据波动幅度较大的跨越阈值时，传感节点采用较短的采样间隔进行测量。图5为测量模式下的数据流，Node2和Node3是中继点节点，这些节点存储自己的测量数据，并从其他节点临时接收数据到自己的内存中。测量数据通过本地网络中的中继点节点传输到Node0，最后传输到主机系统。

图5 测量模式下的数据流

3.2 监控软件的开发

本文以通用开发平台和SQL Server2000数据库为背景，开发多参数的滑坡灾害远程监测预报系统。软件系统结构如图6所示。

图6 软件结构

系统可以修改参数，包括工作区的设置、监控、转发、端口等，还可以设置参数操作权限。系统采用TCP/IP协议，主监控中心的计算机将接收到的数据实时存储到后端数据库，将数据传输到服务器。当网络中断时，手动传输模式可以防止数据丢失。

3.3 网络数据图形平台

本系统提供了多种情况下的数据查询，可以根据数据和监测仪表号查询相应的降雨倾角、位移和监测数据。对于倾斜、位移和降雨监测数据，可以根据曲线的形状绘制一天和多天的过程曲线，然后确定坡度变化与降雨量之间的关系。因此该系统可以确定局部降雨、坡度和位移的阈值。

为了保证现场数据的实时多用户远程联网和共享，采用Web技术，通过浏览器/服务器(B/S)模式构建远程Web数据服务交付平台。当用户访问Web服务器上的数据时，远程收集的数据将实时显示在Web页面上，监测任何有网络覆盖的地方的滑坡状况，滑坡灾害预警变得更加快速、高效、直观。

4 总结

为了实现滑坡灾害的实时远程监测，降低灾害对人民安全和财产损失的影响，本文建立基于STM32 MCU和GPRS的远程监控系统。本文提出的基于本地传感节点网络的自主监测系统，利用多种传感器技术，结合GSM技术和嵌入式技术，对路堑滑坡参数进行远程监测和预警。实验结果表明，该传感节点网络具有节点自恢复、节点布置灵活、灾后数据传输效率高等特点,可在滑坡灾害监测系统中发挥巨大的作用，为人民的生命财产提供一份保障。