電磁波泥水位監(jiān)測(cè)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(guó)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(guó)土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)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(wàn)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查(編號(hào)：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(cè)技術(shù)。

摘要：設(shè)計(jì)了一個(gè)基于電磁波原理的泥水位監(jiān)測(cè)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(dòng)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(hào)微弱情況下自動(dòng)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(yíng)村廟兒溝進(jìn)行了野外應(yīng)用。

0 引言

　　我國(guó)是一個(gè)多山國(guó)家，山地面積約占全國(guó)土地面積的69%，山區(qū)常見(jiàn)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(shí)短暫、來(lái)勢(shì)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(duì)泥石流進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)成為防治地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的一個(gè)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(gè)階段^[3]?；谀嗍鳟a(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)和危害三個(gè)階段的特點(diǎn)，對(duì)泥石流泥水位的監(jiān)測(cè)和分析成為泥石流監(jiān)測(cè)的重要手段^[4]。

1 泥水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況及原理

1.1 概況

　　泥水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)泥石流地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測(cè)的設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泥石流發(fā)生過(guò)程泥水位的高度，根據(jù)泥水位設(shè)定閾值自動(dòng)增加采集密度，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)。泥水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在本地存儲(chǔ)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(yáng)能蓄電池浮充方式進(jìn)行供電，能夠自身提供能源動(dòng)力。受中國(guó)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(wàn)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”資金支持，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前已安裝在張家口市崇禮區(qū)三道營(yíng)村廟兒溝泥石流溝進(jìn)行野外試驗(yàn)。

1.2 電磁波監(jiān)測(cè)技術(shù)

　　泥石流發(fā)生時(shí)通常伴有泥流、水流和石流，以往的超聲波監(jiān)測(cè)方法常常由于溝底不平整而無(wú)法接收反射波，導(dǎo)致無(wú)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(lái)，以光速在空間傳播，通過(guò)泥石流溝底反射回來(lái)并被雷達(dá)接收，脈沖信號(hào)發(fā)射與接收之間的時(shí)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(hào)在空間中的傳播速度為光速，通常在測(cè)量距離時(shí)，發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間差極短，只有納秒量級(jí)，設(shè)備采用先進(jìn)的等效采樣方法^[6]將原本納秒級(jí)的時(shí)間間隔準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的準(zhǔn)確測(cè)量。

1.3 監(jiān)測(cè)原理

　　泥石流泥水位監(jiān)測(cè)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(hào)，泥水位電壓原始信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路后送入A/D采樣電路，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為PIC32MX能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，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(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS/北斗無(wú)線傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)平臺(tái)，同時(shí)保存到本地SD存儲(chǔ)卡上做備份。電磁波泥水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)原理圖如圖1所示。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　泥水位監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算和各個(gè)電路部分的邏輯控制。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件由以下幾個(gè)部分組成：信號(hào)調(diào)理電路、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、本地存儲(chǔ)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(chǔ)和傳輸，實(shí)現(xiàn)泥石流泥水位的監(jiān)測(cè)。

2.1 信號(hào)調(diào)理電路

　　為去除泥水位監(jiān)測(cè)過(guò)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(gè)精密電阻，將電壓信號(hào)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(gè)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(duì)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(yáng)能浮充方式給12 V鉛酸蓄電池充電，電路中對(duì)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(shí)序程序控制工作時(shí)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(chǔ)電路

　　泥石流泥水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)的完整性，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的泥水位數(shù)據(jù)除傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)平臺(tái)外，在硬件上設(shè)計(jì)了本地存儲(chǔ)功能，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地SD卡內(nèi)，存儲(chǔ)容量為4 GB，按2小時(shí)采集一次數(shù)據(jù)計(jì)算，可存儲(chǔ)2年的數(shù)據(jù)。

2.5 GPRS/北斗傳輸電路

　　泥水位監(jiān)測(cè)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(dòng)、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(gè)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(chǔ)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(dòng)ADS1256進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集完成后進(jìn)行本地存儲(chǔ)，隨后根據(jù)通信標(biāo)志位自動(dòng)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(guò)程中接收監(jiān)測(cè)平臺(tái)反饋信息，接收到反饋信息則表明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送成功，至此一個(gè)采集過(guò)程結(jié)束。進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)，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(shí)，需要MCU通過(guò)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(kāi)端口，開(kāi)始工作

4 野外應(yīng)用試驗(yàn)

　　泥水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)野外應(yīng)用試驗(yàn)點(diǎn)選擇在2022年冬奧會(huì)雪上項(xiàng)目舉辦地張家口市崇禮區(qū)的三道營(yíng)村廟兒溝，該溝總長(zhǎng)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(yíng)村村民的生命財(cái)產(chǎn)安全。圖8是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的野外安裝試驗(yàn)圖，主要包括泥水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支護(hù)設(shè)施、監(jiān)測(cè)機(jī)箱、太陽(yáng)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(guò)2017年8月7日到8月12日連續(xù)六天數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，得到廟兒溝泥水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線如圖9所示，橫坐標(biāo)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)時(shí)間，縱坐標(biāo)為監(jiān)測(cè)泥水位數(shù)據(jù)，六天監(jiān)測(cè)過(guò)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(cè)系統(tǒng)用于泥石流地質(zhì)災(zāi)害泥水位的監(jiān)測(cè)，通過(guò)野外實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)和取得的泥水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，監(jiān)測(cè)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(shí)自動(dòng)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(huì)的順利舉辦提供技術(shù)支撐。

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