嵌入式雪崩灾害无人监测预警系统的设计

张贤辉，钟晓玲，曾 亮

(成都理工大学信息科学技术学院，四川成都 610000)

新疆果子沟素有“伊犁第一景”之称，它位于 霍城县城东北40公里处，是312国道乌鲁木齐-伊犁公路的必经通道，冬季时其远山皑皑冰峰，近处的苍松白雪，相映增辉美不胜收。然而这美丽的冬季景色下隐藏着雪崩的危险。每年果子沟地区都会发生大小不一的雪崩，重则掩埋公路，影响通行，甚至威胁人们生命财产。因此在此地建立了一个雪崩监测预警站点。此雪崩监测点主要分为山上数据采集站和山下公路旁红黄灯警示站点两部分，而且此系统已经取得了初步的成效，可靠性得到了验证。

雪崩由于具有突发性，破坏性和危害性等特点［1］，因此对无人监测预警系统的实时监测性能要求非常高，国内外也有很多测量自然灾害的方法，而有些传统的测量技术可靠性差，准确度不高给提前预测雪崩带来了很大的不便。基于此原因，本文设计一种以ARM9处理器为核心，uC/OSII为操作系统［2－3］与LED大灯报警显示相结合的系统，具有远程操作、功耗低、准确性高、安全可靠等优点。

降雪量大的地区由于大雪覆盖过多，当积累到一定程度时，厚厚的覆盖雪层由于重力的作用，在积雪下滑引起雪崩灾害之前会导致山体变形和内部应力的改变，变化会以加速度的形式体现，致使陡坡观察点处的三轴加速度传感器采集的数据发生一定变化［4］。通过ARM处理器处理分析数据进而判断是否会发生雪崩，实现了对雪崩易发地区降雪的监测，并在雪崩发生时监测雪崩引起的大地震动情况。测得的监测数据通过Zigbee模块发送给山下红黄灯报警装置并触发山下预警装置。报警装置主要是红黄两个LED大灯，根据雪崩发生的情况呈现不同的闪烁方式以此来警示路过的行人和车辆，再通过GPRS模块远程传输到远程数据中心显示。具有预防、预警和科研等多个功能，达到了对雪崩的监测和提前预警，为人民的人身和财产安全提供了帮助和保证［5］。

1 系统设计

系统由两个站点组成，一个位于雪崩易发点正下方，使雪崩发生时数据采集系统能及时将危险信号传至山下公路红黄灯报警系统，给过往车辆以雪崩警示。另一站点即数据采集系统位于雪崩易发点附近，主要用于采集发生雪崩时大地震动情况，便于今后对雪崩的科学研究。雪崩监测系统主要由数据采集系统板、红黄灯报警系统板、位移加速度传感器、Zigbee模块、GPRS模块和太阳能电源六个部分组成。2个站点分别装在两个可以移动的盒子里，因此体积小。其雪崩监测系统组成如图1所示。

图1 系统设计方案

雪崩监测数据采集系统站点将三轴低频加速度传感器水平安置在靠近被监测雪地的固定点较硬的附近［6］，这样传感器的输出更准确可靠;而胶粘连接方式使用快捷，实际安装中可通过软件增加测试样本数量取均值的方法减少由胶粘的不均匀性带来的误差［7］。三轴低频加速度传感器测量在震动过程中二个正交方向上的位移加速度值［4］，从而感知山上是否发生了雪崩，而红黄灯报警系统站点则安置在山下公路旁警示路过的行人和车辆。数据采集系统远程发送采集数据每1次/10min，当山体有震动时，X轴、Y轴和Z轴方向的加速度值会发生不同程度的变化。若重启系统或每一分钟后数据采集系统实时对加速度多点采集12个数据并剔除最大和最小异常值计算十个数据平均值作为正常状态时的标准值，系统软件这样设计的好处是可以根据所处的山体环境自适应山体状态，避免了有可能不是发生雪崩而导致的错误报警，具有一定的人工智能的特性。当真正监测到雪崩发生时:数据大于设定的最大门限值即发生雪崩标准值临界点［8］或者两秒钟内有七次数据大于最大门限值标准值，数据采集系统通过Zigbee传输模块［9］向山下的红黄灯报警系统发送异常信号。此时红灯亮半小时，半小时过后红灯再闪烁半小时，然后红灯熄灭，黄灯再点亮一个半小时，最后黄灯熄灭，给在此路通过的行人和车辆以警示。该Zigbee传输速率为250Kbps，根据具体数据采集系统与安装红黄灯报警系统之间的距离可以算出预警时间，同时通过GPRS传输模块［10］对山体雪崩状态实时监测，以短信的形式将雪崩突发状况发送给远程监测人员。整个系统无界面操作适合无人看管，重启系统命令、手动采集数据命令、红黄灯关灯命令、震动站点异常门限值修改、设置系统时间命令等都是通过远程服务器中心控制的，例如系统时间修改命令格式:年月日星期时分秒+timeS如发送1201017132112timeS表示修改系统时间为2012年1月1日星期天13点21分12秒，后面的timeS是命令识别字符串，从而使系统操作简便。其中三轴加速度传感器测量山体震动的加速度矢量，通过ARM处理器进行分析比较山体雪崩的状态，电源模块为整个系统提供电力支持，蓄电池确保在阴雨天情况下整个系统也可以正常运行。

2 硬件设计

2.1 数据采集系统站点1硬件设计

数据采集系统站点1硬件主要分为ARM数据采集板、三轴低频位移加速度传感器、GPRS模块、Zigbee模块和电源模块等几个部分。数据采集板和位移加速度传感器都采用5V直流电源，Zigbee模块用ARM数据采集板上二次电源模块的3.3V直流供电。数据采集板控制位移加速度传感器采集数据，并对数据做处理及判断，当有发生雪崩的迹象时，就将异常值与系统时间一起通过Zigbee传输模块发送到公路边红黄灯报警系统站点2。GPRS模块每隔10分钟向服务器终端发送采集到的加速度传感器值，通信为双向。其数据采集系统站点1硬件原理如2所示。

2.2 红黄灯报警系统站点2硬件设计

红黄灯报警系统站点2硬件主要分为ARM红黄灯数据处理板、红黄灯设备、Zigbee传输模块、电源模块等几个部分。红黄灯数据处理板采用5V直流供电，LED红黄灯设备采用12V直流供电，Zigbee模块使用ARM红黄灯数据处理板上二次电源模块的3.3V直流电源。红黄灯报警系统板通过Zigbee接收经过站点1处理分析过的异常数据，红黄灯报警系统此时控制继电器通断进而控制红黄灯闪烁，其红黄灯报警系统站点2硬件原理如图3所示。

图2 数据采集系统站点1硬件原理图

3 仿真结果

雪崩监测系统通过数据采集系统实时监测山顶上雪崩的状态，当雪崩发生时，数据采集系统采集到低频加速度传感器的异常值。通过与正常状态标准值作比较，如果确实发生了雪崩，数据采集系统通过GPRS模块以短信的形式将采集到的异常值远程传送到服务终端显示，提示监测人员。通过计算机里安装的串口终端模拟由数据采集系统发来的数据显示，仿真结果如图4所示。

图3 红黄灯报警系统站点2硬件原理

图4 数据采集系统仿真结果

4 结束语

本系统通过Zigbee模块将山上的雪崩状态发送给山下的红黄灯报警系统，达到提前预警的效果。通过多点布置加速度传感器，减少单点监测雪崩误差提高硬件抗干扰能力，利用软件采样定理实现每个点的加速度传感器采集多值，求其平均值与标准值进行比较判断是否有雪崩发生实现软件抗干扰能力以便降低成本。系统采用稳定的太阳能和蓄电池联合供电系统，使其具有体积小、可靠性高、操作简便等优点，适用于降雪量大无人看管的地区灾害监测。

［1］ 陈晓光.雪崩运动及对策［J］.国外公路，1998，18(5):18－24.

［2］王振宇.uC_OS操作系统在ARM系统中的应用［D］.吉林:吉林大学，2004.

［3］李玉刚.嵌入式操作系统uC_OS_在ARM上的移植研究［J］.微计算机信息，2010，26(8 －2):97 －98，58.

［4］邓大伟，祝武，栾佰霖，等.基于ARM 的山体滑坡远程无人监测系统［J］.仪表技术与传感器，2012，26(2):89－92.

［5］周石.雪崩危险度评价的程序和方法［J］.湖南师范大学自然科学学报，2002，25(4):84 －87.

［6］丁铁华，姚伟，解恒密.低频量大位移加速度传感器的研制［J］.佳木斯工学院学报，1994，12(4):232－237.

［7］陈爽，孙浩.加速度传感器及其安装工艺对碰撞模拟试验结果的影响［J］.洗车工程，2012，34(11):1033－1038.

［8］王建刚.雪崩灾害预报原理和方法［A］.灾害性天气系统的活动及其预报技术［C］.新疆:阿勒泰地区气象局，2006.

［9］厦门才茂.LTE ZTU CM2891技术参数［EB/OL］.http://www.gkong.com/co/caimore/pro_content.asp?products_id=1407660，2004.

［10］厦门才茂.工业级GPRS RTU采集终端CM5191技术参数［EB/OL］.http://b2b.c-ps.net/2579749_detail.html，2004.