盘山公路边坡岩体稳定性实时监测系统

樊 成 周凤星

(武汉科技大学冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心，湖北 武汉 430081)

0 引言

我国地域辽阔，地形复杂多变，盘山公路和傍山公路是多山地区公路的必然形式。近年来，地震、泥石流等自然灾害频发，山坡的稳定性监测对于保护盘山公路运输安全至关重要。然而，在许多盘山公路路边山坡都没有设置岩体稳定性监测设备，仅靠路政部门安排人员定期巡查，不仅耗时耗力，而且无法做到实时获得准确的监测数据，一旦山坡岩体出现不稳定因素，会导致巨石掉落或路面塌方等危险，严重危害人民群众生命财产安全。本文设计的用于盘山公路的山坡岩体稳定性实时监测系统可以很好地解决上述问题，从而最大限度地保障盘山公路的运输安全。针对某盘山公路的几个碎石滑落高发路段，采用超低功耗高性能STM32F205RE 控制器作为主控单元，控制声发射传感器和计数器等周边电路采集岩体形变信号，并通过GPRS 无线传输技术将监测信号实时传送至监控中心，为路政部门维护保养提供理论依据。

1 岩体稳定性监测原理

声发射是材料中局部区域应力集中，快速释放能量并产生瞬态弹性波的物理现象，有时也称为应力波发射，检测材料的声发射现象是常见的无损检测方法之一。目前声发射的表征参数基本是通过处理声发射传感器输出的波形得到的，这些参数主要有声发射事件与振铃计数率和总数、幅度及幅度分析、能量及能量分布、有效电压值、频谱和波形等［1］。本文具体测量大事件率、总事件率、能率3 个参数。在实际监测中，声发射传感器采集的声发射信号经放大和滤波处理后，进入两路电压比较器，与设定的阈值电压值进行比较判断，然后在单位时间内经计数芯片的计数，得到大事件率和总事件率，分别反映单位时间内需要监测的声发射事件的大事件和总事件的个数。声发射能率反映声发射源以弹性波形式释放的能量，这里的能量分析是针对仪器输出的信号进行的，得到的能率值是与单位时间声发射能量成正比例的量(无量纲)［2］。通过对岩体声发射信号在单位时间内的事件数及总能率的变化情况进行研究，映射岩体的振动状态，进而预测岩体稳定性［3］。

2 监测系统架构

监测系统主要由监测终端和监控中心的上位机服务器组成。监测终端主要包括声发射传感器、数据采集电路、控制器、数据存储模块、GPRS 数据传输模块、电源模块六部分。监控中心部分的设计是基于Web网络技术，采用接入移动网络的服务器接收终端发回的数据，上位机访问服务器的方式获得数据。监测系统架构如图1 所示。

图1 系统总体架构图Fig.1 Architecture of the system

监控中心上位机连接到服务器，通过GPRS 网络发送指令给监测终端，完成监测终端系统初始化。系统初始化后，采集的声发射信号经前置放大和滤波处理后得到波形信号，在控制器的控制下，在监测周期5 min内，经过数据采集电路处理后存入数据存储模块，同时由GPRS 数据传输模块将数据发至监控中心的服务器。

设计中，考虑到盘山公路坡体面积较大、监测环境复杂等原因，必须在关键路段设置多个监测点。由于声发射传感器测量精度高，易受环境噪声的干扰，因此将声发射传感器置于岩层内2 m 深处，外部用隔音棉隔绝外部环境的干扰。考虑到网络不稳等原因，若上位机未收到个别监测周期的监测数据，则上位机发送查询指令给监测终端，监测终端调取存储模块中的相应数据，重新发送给上位机服务器，供监测人员查询。考虑到野外环境电力供应困难，采用光伏产品供电，进而可使用户实时监测坡体的稳定性状况。

3 监测终端硬件设计

3.1 终端硬件系统原理

硬件系统原理图如图2 所示。该设计采用的控制器STM32F205RE 是基于工作频率高达120 MHz 的高性能ARM Cortex-M3 32 位RISC 内核。产品带有标准与高级通信接口，包括3 个I2C 接口、4 个USART 和2 个UART 通信接口、3 个SPI 接口、1 个CAN 接口、1 个SDIO 接口。丰富的接口为该监测仪的设计和日后的升级完善工作提供了极大的便利，使本设计中的阈值、监测点编码等能够便利地调整。同时，该控制器的低功耗特点为野外场所的光伏产品供电系统的设计提供了便利。

图2 硬件系统原理图Fig.2 Schematic diagram of hardware system

监测终端工作环境恶劣，长期无人维护，这对系统的可靠性提出了更高的要求。STM32F205RE 有一个独立看门狗和一个窗口看门狗，提供了更高的安全性、精确性和灵活性。两个看门狗设备可用来检测和解决由软件错误引起的故障。当计数器达到给定的超时值时，触发一个中断或产生系统复位。为了保证更高的可靠性，在设计中还增加了一个片外看门狗复位芯片X5045，更加有力地杜绝了死机问题。

根据岩体声发射的特性，传感器采用声华公司设计的内置前置放大器的超低频窄带传感器SR10。该传感器的工作温度范围-20 ～120 ℃，频率范围1 ～15 kHz，灵敏度峰值＞80 dB，并拥有IP66 防水等级，能够适应恶劣工作环境下的岩体声发射信号的采集，其灵敏度足以将微小的岩体形变释放的声发射信号采集下来。SR10 的工作原理是内部晶体组件受力产生变形，其表面出现电荷，而在电场的作用下，芯片发生弹性变形而产生压电效应。这种压电效应，将声发射波所引起的被检件表面振动转换成电压信号。

由于监测终端工作环境恶劣、温度变化范围宽和长期无人值守、无法定期校时等特点，为了获得数据采集的精确时间，终端采用了内置晶振及数字温度计的的高精度时钟芯片SD3088。该芯片可使用户不用顾虑因外接晶振、谐振电容等所带来的元件匹配误差问题、晶振温度特性问题及可靠性问题，实现了常温及宽温范围内不需用户干预，全自动、全电源环境补偿的高精度、高可靠计时功能。

存储单元由4 片EEPROM 芯片AT24C512 级联构成，可提供2 Mb 的存储空间，供系统存储大事件、总事件和能率3 个参数，避免网络不稳定等因素造成的数据丢失。同时，大容量SD 卡用于存储经过A/D 转换后的声发射信号的波形数据，供监测人员调阅研究。EEPROM 级联电路图和SD 卡电路图如图3 所示。

图3 EEPROM 级联电路和SD 卡存储电路图Fig.3 EEPROM cascade circuit and SD card storage circuit

3.2 数据采集单元的实现

传感器所采集的声发射信号经过数据采集单元处理，得到的各数字量传递给控制器STM32。数据采集单元如图4 所示。

图4 数据采集单元Fig.4 The data acquisition unit

数据采集单元主要由滤波器、放大器、电压跟随器、A/D 转换器、电压比较器、电压平方器、压频转换器和计数器等器件组成。其中，滤波器采用高集成度通用有源滤波器UAF42。它具有设计方便的特点，只需改变UAF42 芯片的外接电阻和电容的参数和连接方式，就可以轻松构成各种满足工程实际需要的滤波器。利用Burr-Brown 公司提供的FILTER42 软件，设计人员只需要根据电路的设计要求输入参数，就可以计算出相应的元件值，提高效率［4］。这里采用了低通滤波方式，电路图如图5 所示。

图5 滤波电路Fig.5 The filtering circuit

式(1)为该低通滤波电路的截止频率计算公式:

式中:fosc为滤波器截止频率;R = RF1= RF2为外接电阻;C 为芯片内部电容。这里R 设置了5 个参数供选择，分别对应不同的截止频率，从而应对不同的岩体信号进行采集。

图6 AD633 电路原理图Fig.6 Schematic diagram of AD633 circuit

3.3 通信模块的设计

GPRS 模块选用SIEMENS MC75i GPRS 工业通信模块。该模块支持850、900、1 800 和1 900 (单位:MHz)4 种频率，E-GPRS 下行速率可达460 kbit/s，工作温度-30 ～+75℃，体积小，并且板载SIM 卡插槽，性能非常强劲，能适应在恶劣工作环境下工作。同时，该模块内部嵌有TCP/IP 协议栈，STM32 可以直接使用AT 指令集控制模块，将UART 串口上的数据转换成TCP/IP 数据包进行网络传送，用户不需涉及底层传输协议，便于程序设计。GPRS 模块通过与移动基站通信连入移动网络，再通过移动网络网关连入互联网。这里为了保证监测数据的实时性，监测终端的采样计数周期设置为5 min，保证了监测过程的连贯性。此外，GPRS 模块不会由于长期不发送数据而自动下线。

4 监测系统软件设计

监测终端程序由C 语言编写完成，主要包括STM32 系统初始化、数据采集过程的控制、数据存储和读取过程的控制(包括EEPROM 和SD 卡的读写控制)、GPRS 模块发送数据的控制。整个数据采集过程中，STM32 主要通过控制Intel8254 计数器计数得到大事件率、总事件率、能率3 个岩体声发射信号参数;同时，通过控制AD976A 芯片进行模数转换，将声发射原始波形信号转化为可存储的数字信号。数据存储过程中，控制器分别对EEPROM 和SD 卡进行读写操作，实现采集数据的存储和读取。GPRS 数据传输过程中，STM32 控制器控制GPRS 模块与上位机建立联系，连接成功则发送数据，连接不成功则继续尝试连接。当GPRS 模块受到网络不稳定等因素干扰，数据未成功发送时，控制器从EEPROM 中读取数据，并控制GPRS模块重新发送数据。程序流程图如图7 所示。

上位机软件采用Java 编程语言开发，通过Eclipse开发平台进行编译。上位机软件设计的主要思想是创建一个基于TCP/IP 协议的多线程服务器端，与一个或多个GPRS 模块建立Socket 通信。Socket 是建立在TCP、UDP 等传输层协议之上的套接字规范，是进行TCP/IP 网络通信程序设计的关键应用技术。它屏蔽了网络通信的细节，可以为用户直接提供应用程序与网络之间的标准接口，极大地简化了网络编程。程序首先通过TCP 函数实现Socket 通信，然后对接收到的声发射监测信息做图形化处理，同时以二进制的文件格式存储到预先指定的路径中，完成对信息的处理、分析和存储工作［5］。

图7 监测终端程序流程图Fig.7 Flowchart of the program of monitoring terminal

5 结束语

盘山公路山坡岩体稳定性实时监测系统，实现了数据实时采集、存储发送和实时监控，通过参数调节，可适应不同岩体，性能稳定，可靠性高，实时监测频率高，可以得到准确的实时监测效果。同时，高可靠性的设计、太阳能电池板和大容量锂电池的应用可以实现长期免维护实时监测，大大降低了人工巡检的人力成本和开销，有效预防和减少了盘山公路山坡岩体失稳导致的安全事故。

［1］ 高保彬，李回贵，王晓蕾，等.基于小波包变换的不同强度煤样的声发射特性［J］.煤田地质与勘探，2013(6):21 -23.

［2］ 姚强岭，李学华，何利辉，等.单轴压缩下含水砂岩强度损伤及声发射特征［J］.采矿与安全工程学报，2013(5):44 -47.

［3］ 邓飞，罗福友，胡龙飞，等. 水对岩石物理性质及声发射特征影响研究现状［J］.采矿技术，2013(6):27 -28，31.

［4］ 颜良，陈儒军，刘石.基于UAF42 通用滤波芯片的50Hz 陷波器设计［J］.仪器仪表学报，2006(8):30 -33.

［5］ 徐迎晓. Java 语法及网络应用设计［M］. 北京:清华大学出版社，2002.