電磁波泥水位監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

作者 / 董翰川^1,2 龐麗麗^1,2 宋繼武^1,2   1中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心(河北 保定 071051) 2國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北 保定 071051)

*基金項(xiàng)目：京津唐張交通廊道規(guī)劃建設(shè)區(qū)1:5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查(編號：DD20160232)

董翰川(1985 -)，男， 工學(xué)碩士，工程師，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)。

摘要：設(shè)計(jì)了一個基于電磁波原理的泥水位監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)以PIC32MX和ADS1256芯片為核心，選用基于電磁波原理的雷達(dá)物位傳感器完成泥石流泥水位感知，能夠遠(yuǎn)程設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻度、根據(jù)設(shè)定閾值自動增加數(shù)據(jù)采集頻率。系統(tǒng)具有GPRS和北斗兩種傳輸模式，能夠在GPRS信號微弱情況下自動切換到北斗數(shù)據(jù)傳輸模式，有效保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。闡述了系統(tǒng)的工作原理和軟硬件設(shè)計(jì)思路，并在張家口市崇禮區(qū)三道營村廟兒溝進(jìn)行了野外應(yīng)用。

0 引言

　　我國是一個多山國家，山地面積約占全國土地面積的69%，山區(qū)常見的崩塌、滑坡、泥石流、巖溶塌陷等山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害給當(dāng)?shù)卮迕竦纳钤斐闪藝?yán)重影響。其中，泥石流具有發(fā)生突然、歷時短暫、來勢兇猛和破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)，而成為最有影響力的災(zāi)害之一，對泥石流進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報(bào)成為防治地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的一個重要環(huán)節(jié)^[1-2]。泥石流自上而下可分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)三個階段^[3]。基于泥石流產(chǎn)生、運(yùn)動和危害三個階段的特點(diǎn)，對泥石流泥水位的監(jiān)測和分析成為泥石流監(jiān)測的重要手段^[4]。

1 泥水位監(jiān)測系統(tǒng)概況及原理

1.1 概況

　　泥水位監(jiān)測系統(tǒng)是針對泥石流地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測的設(shè)備，實(shí)時監(jiān)測泥石流發(fā)生過程泥水位的高度，根據(jù)泥水位設(shè)定閾值自動增加采集密度，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺。泥水位監(jiān)測數(shù)據(jù)自動保存在本地存儲卡上，可作為泥石流泥水位數(shù)據(jù)研究分析。設(shè)備采用太陽能蓄電池浮充方式進(jìn)行供電，能夠自身提供能源動力。受中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“京津唐張交通廊道規(guī)劃建設(shè)區(qū)1:5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”資金支持，該監(jiān)測系統(tǒng)目前已安裝在張家口市崇禮區(qū)三道營村廟兒溝泥石流溝進(jìn)行野外試驗(yàn)。

1.2 電磁波監(jiān)測技術(shù)

　　泥石流發(fā)生時通常伴有泥流、水流和石流，以往的超聲波監(jiān)測方法常常由于溝底不平整而無法接收反射波，導(dǎo)致無法捕捉泥水位數(shù)據(jù)。電磁波具有傳播速度快、不受反射物形狀影響等特性^[5]，微波脈沖從雷達(dá)天線發(fā)射出來，以光速在空間傳播，通過泥石流溝底反射回來并被雷達(dá)接收，脈沖信號發(fā)射與接收之間的時間差和光速的乘積為兩倍于泥石流泥水位，從而計(jì)算出泥石流泥水位值。電磁波信號在空間中的傳播速度為光速，通常在測量距離時，發(fā)射脈沖與接收脈沖的時間差極短，只有納秒量級，設(shè)備采用先進(jìn)的等效采樣方法^[6]將原本納秒級的時間間隔準(zhǔn)確地測量出來，從而實(shí)現(xiàn)對距離的準(zhǔn)確測量。

1.3 監(jiān)測原理

　　泥石流泥水位監(jiān)測系統(tǒng)采用雷達(dá)物位傳感器感知泥石流泥水位的變化，系統(tǒng)將采集到的實(shí)際泥水位值轉(zhuǎn)化為電壓信號，泥水位電壓原始信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后送入A/D采樣電路，將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為PIC32MX能夠識別的數(shù)字信號，經(jīng)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后計(jì)算出泥水位值。完成一次數(shù)據(jù)采集后，系統(tǒng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS/北斗無線傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺，同時保存到本地SD存儲卡上做備份。電磁波泥水位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測原理圖如圖1所示。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　泥水位監(jiān)測系統(tǒng)的核心部件是單片機(jī)PIC32MX芯片，單片機(jī)完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算和各個電路部分的邏輯控制。監(jiān)測系統(tǒng)硬件由以下幾個部分組成：信號調(diào)理電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、本地存儲電路、供電電路和GPRS/北斗[9]通信電路。這些電路協(xié)同工作，完成泥石流泥水位的采集、轉(zhuǎn)換、處理、存儲和傳輸，實(shí)現(xiàn)泥石流泥水位的監(jiān)測。

2.1 信號調(diào)理電路

　　為去除泥水位監(jiān)測過程中高頻波的干擾，系統(tǒng)在電路上設(shè)計(jì)了有緣二階低通濾波電路，如圖2所示。增加TS912集成運(yùn)算放大器組成有緣濾波，能夠更好地濾除大于高頻干擾波，使采集更準(zhǔn)確。在TS912輸出端并聯(lián)一個精密電阻，將電壓信號轉(zhuǎn)換為A/D芯片能夠接受的電壓范圍后輸入給數(shù)據(jù)采集單元。

2.2 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

　　系統(tǒng)硬件數(shù)據(jù)采集部分的模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用ADS1256芯片，該芯片具有24位分辨率、采樣速率達(dá)30 kHz，具有8個模擬量輸入通道，采用5 V和3.3 V雙電源供電模式，使用方便且能夠滿足系統(tǒng)對高精度、低功耗、抗干擾的要求。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2.3 供電電路

　　系統(tǒng)的能源供給采用太陽能浮充方式給12 V鉛酸蓄電池充電，電路中對12 V電壓分別做轉(zhuǎn)換處理，得到5 V和3.3 V電壓，供給PIC單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器等使用。系統(tǒng)的供電部分主要是CPU的供電、A/D芯片的供電及雷達(dá)物位傳感器的供電。PIC單片機(jī)需要3.3 V電壓供電，硬件上采用LTC3631芯片，可穩(wěn)定輸出3.3 V電壓，保證CPU穩(wěn)定工作。ADS1256需要5 V電壓供電，硬件采用LP3878-ADJ芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到5 V電壓，該芯片可由邏輯時序程序控制工作時間。雷達(dá)物位傳感器工作于大電流電壓，為此，電路上使用LM2596，該芯片可輸出高達(dá)3 A的電流，保證了雷達(dá)物位傳感器的正常工作。供電電路如圖4、圖5、圖6所示。

2.4 數(shù)據(jù)存儲電路

　　泥石流泥水位監(jiān)測數(shù)據(jù)對于泥石流的發(fā)育狀況有著重要的參考價(jià)值，為了保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性，監(jiān)測系統(tǒng)采集的泥水位數(shù)據(jù)除傳輸?shù)奖O(jiān)測平臺外，在硬件上設(shè)計(jì)了本地存儲功能，將監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲在本地SD卡內(nèi)，存儲容量為4 GB，按2小時采集一次數(shù)據(jù)計(jì)算，可存儲2年的數(shù)據(jù)。

2.5 GPRS/北斗傳輸電路

　　泥水位監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸采用GPRS和北斗2種傳輸方式。系統(tǒng)在GPRS^[7-8]以太網(wǎng)傳輸上設(shè)計(jì)了傳輸模塊電路，選用MC52i傳輸模塊，將電信、移動、聯(lián)通手機(jī)通信卡插入SIM卡座進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)在硬件電路設(shè)計(jì)上留有2個RS232通信接口，便于和北斗終端連接。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件在野外的數(shù)據(jù)采集中完成了系統(tǒng)硬件的初始化、數(shù)據(jù)的采集、本地存儲和傳輸?shù)?，它是所有設(shè)備中的控制中樞，系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程如圖7所示。先進(jìn)行終端硬件的初始化，啟動ADS1256進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集完成后進(jìn)行本地存儲，隨后根據(jù)通信標(biāo)志位自動選擇數(shù)據(jù)傳輸模式。通信標(biāo)志位為1，則GPRS傳輸，否則北斗傳輸。數(shù)據(jù)傳輸過程中接收監(jiān)測平臺反饋信息，接收到反饋信息則表明監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送成功，至此一個采集過程結(jié)束。進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸時，需要進(jìn)行通訊模塊的初始化設(shè)置，校驗(yàn)用戶名和密碼(可選)，設(shè)置TCP/IP 的地址與端口等。初始化時，需要MCU通過串行口按順序給模塊發(fā)送以下AT 指令，設(shè)置模塊及網(wǎng)絡(luò)工作參數(shù)。初始化程序如下：

　　at^sics=0,conType,GPRS0 // 設(shè)置GPRS 工作模式

　　at^sics=0,user,cm // 用戶名稱 (可選)

　　at^sics=0,passwd,gprs // 密碼 (可選)

　　at^sics=0,apn,cmnet // 網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)名稱

　　at^siss=1,srvType,socket // 設(shè)置服務(wù)類型為socket

　　at^siss=1,conId,0 // I.D.

　　at^siss=1,address,"socktcp://219.238.229.74:3000" // 設(shè)置服務(wù)器地址及端口

　　at^siso=1 // 打開端口，開始工作

4 野外應(yīng)用試驗(yàn)

　　泥水位監(jiān)測系統(tǒng)野外應(yīng)用試驗(yàn)點(diǎn)選擇在2022年冬奧會雪上項(xiàng)目舉辦地張家口市崇禮區(qū)的三道營村廟兒溝，該溝總長度1.3 km，主溝寬度10 m，夏季由于雨水沖刷容易導(dǎo)致溝內(nèi)石塊堆積，威脅著溝口三道營村村民的生命財(cái)產(chǎn)安全。圖8是監(jiān)測系統(tǒng)的野外安裝試驗(yàn)圖，主要包括泥水位監(jiān)測系統(tǒng)支護(hù)設(shè)施、監(jiān)測機(jī)箱、太陽能供電系統(tǒng)、避雷針系統(tǒng)、雷達(dá)物位傳感器，系統(tǒng)采集和傳輸設(shè)備存放于機(jī)箱內(nèi)做到防水。經(jīng)過2017年8月7日到8月12日連續(xù)六天數(shù)據(jù)監(jiān)測，得到廟兒溝泥水位監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線如圖9所示，橫坐標(biāo)為監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測時間，縱坐標(biāo)為監(jiān)測泥水位數(shù)據(jù)，六天監(jiān)測過程中未出現(xiàn)降雨，溝內(nèi)泥水位未發(fā)生變化情況。

5 結(jié)論

　　研制的電磁波泥水位監(jiān)測系統(tǒng)用于泥石流地質(zhì)災(zāi)害泥水位的監(jiān)測，通過野外實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)和取得的泥水位監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，監(jiān)測系統(tǒng)能夠正確反映泥石流泥水位值，并在泥水位發(fā)生變化時自動增加采集頻率，較真實(shí)反映泥石流發(fā)生情況，為泥石流地質(zhì)災(zāi)害的研究及冬奧會的順利舉辦提供技術(shù)支撐。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]許強(qiáng).四川省8·13特大泥石流災(zāi)害特點(diǎn)、成因與啟示[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2010(5):596-608.

　　[2]唐川.汶川地震區(qū)暴雨滑坡泥石流活動趨勢預(yù)測[J].山地學(xué)報(bào),2010(3):341-349.

　　[3]師哲,張平倉,舒安平.泥石流監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)研究[J].長江科學(xué)院院報(bào),2010(11):115-119.

　　[4]楊順,潘華利,王鈞,等.泥石流監(jiān)測預(yù)警研究現(xiàn)狀綜述[J].災(zāi)害學(xué),2014(1):150-156.

　　[5]何忠良.電磁波層析成像技術(shù)的邊坡工程地質(zhì)勘察研究[J].科技與創(chuàng)新,2017(6):153-155.

　　[6]張杰,張亮亮.類等效采樣應(yīng)用于導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)的研究[J].儀表技術(shù)與傳感器,2016(10):58-61.

　　[7]徐濟(jì)仁,牛紀(jì)海,陳家松.GPRS的技術(shù)與應(yīng)用[J].有線電視技術(shù),2003,123(3):48-50.

　　[8]曹修定,戚國慶,阮俊等.GPRS技術(shù)及其在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2006,17(1):69-72.

　　[9]吳悅,任濤,王璇.基于北斗短報(bào)文的泥石流監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)[J].自動化與儀表.2014(3):19~22.

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第4期第33頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。