基于STM32的泥石流监测预警系统设计*

温宗周 刘 超 袁妮妮 费腾蛟 赵建新 周 冬

(西安工程大学电子信息学院 西安 710048)



基于STM32的泥石流监测预警系统设计*

温宗周 刘 超 袁妮妮 费腾蛟 赵建新 周 冬

(西安工程大学电子信息学院 西安 710048)

目前我国在地质灾害监测中对于泥石流的监测主要依靠人工的方法,成本高,实时性差,论文针对这一问题设计了一种基于32位微控制器的智能监测系统。该系统能够实现对监测区域的降雨量,土壤含水率,泥水位变化,次声等信息的实时采集并通过GPRS/CDMA或卫星上传到监测中心,监测中心通过相应的模型算法对数据处理分析得出相应的灾害状态。通过实验测试,系统运行稳定,能够达到设计目标要求。

STM32; 泥石流; 监测预警

Class Number TP23

1 引言

近年来国内特大灾害性泥石流频繁发生,这些灾害性泥石流规模超大破坏性强,评估监测和防治困难,监测预警工作缺乏。在此基础上国家出台了一系列的防灾减灾对策,国家中长期科技规划(2006—2020)中明确:重点领域是“对突发公共事件快速反应和应急处置的技术支持”,优先主题为“重大灾害的监测预警技术以及综合风险分析评估技术”。所以泥石流等地质灾害的监测预警、评估治理等防灾减灾工作成为目前我国经济社会发展的重要工作,成为我国中长期发展的国策[1～4]。

对于现有泥石流灾害的监测工作具有以下弊端,首先,人力成本高,维护困难。其次,数据准确性差,实时性不高。最后,灾害多发生在偏远山区,不便于统一管理,难以保证监测人员的安全[5～6]。针对以上问题,本文结合无线通信技术和智能信息采集技术设计了基于STM32的具有数据采集和无线传输的远程智能监测系统.实现了对监测区域的降雨量,土壤含水率,泥位变化,次声等信息的实时采集并通过GPRS无线网络或卫星上传到监测中心,监测中心通过对数据的分析处理得出相应的灾害状态。

2 系统总体设计

结合系统布设地区地理特点,设计了一套时效性强、准确度高、传输稳定、分析快捷、预警及时有效的智能监测系统,对灾害易发区进行严密地监控。本系统主要由以下几部分组成:信息采集部分,数据传输部分,数据处理与监控部分,预警部分。系统总体设计如图1所示。

图1 泥石流监测预警系统总体设计

信息采集方面以自动化监测设备为主,人工监测设备为辅助,动静结合。监测系统前端由雨量、土壤含水率、泥位、断线、次声[7～10]等传感器部分组成,根据实际需要来选用。由于灾害易发区域大多不通电,信号不好,甚至处于无人区域,因此通讯上需要数据通过GPRS/SMS/北斗卫星等多种通信方式进行传输确保通信畅通。数据处理部分由系统收集信息数据整理存档,并提供展示平台、分析模型、数据管理、预警机制等。平台结合群测群防组织,优势互补,反应及时,力争达到准确预警的水平。预警部分有三种途径: 1) 发短信到相关人员手中; 2) 监控中心平台显示; 3) 可能发生灾害区域预装的广播和警示灯报警。最终实现灾害监测预警工作中的“统一指挥、反应灵敏、功能齐全、协调有序、运转高效”的目标。

3 硬件设计

依据系统的功能需求,其硬件电路主要由最小系统模块、电源模块、信息采集模块、信息存储模块、无线通信模块、人机交互模块等几部分组成。总体设计结构框图如图2所示。

电源部分采用12V供电,采用低功耗模式的设计思想能够给监测终端提供足够稳定的电压并可以降低整体的功耗,程序下载选择SWD方式,这种模式支持更少的引脚而且在高速模式下更加可靠。LCD显示部分便于现场查看数据和设备调试。信息采集和传送部分根据监测现场的实际情况可采用长期分时采集也可选择所关心的数据和时间段进行召测。无线通信模块包括GPRS通信和卫星通信两部分组成并互为备用,在偏远山区GPRS通信中断的情况下可切换到卫星通信以保证系统的功能正常和稳定[8]。

图2 总体设计框图

3.1 STM32F407ZGT6最小系统设计

最小系统的设计主要依据STM32F407参考手册,系统时钟的振荡源选用外部8MHZ晶振,22PF的负载电容与晶振构成谐振器;外部低速时钟的振荡源选用外部32.768MHZ的晶振,负载电容为10PF并与晶振构成谐振器。系统默认BOOT1=0,BOOT=0从用户闪存启动,这是正常的工作模式。也可选择BOOT1=0,BOOT0=1从系统存储器启动,这种模式启动的程序功能由厂家设置。具体电路设计如图3所示。

3.2 存储模块设计

依据设计功能需求存储模块由两部分组成:一部分用于存储相关采集和发送的数据,另一部分用于存储系统参数,根据各自不同的特点本设计选用W25Q128BV存储芯片存储相关数据,选用FM24C64芯片存储系统参数。

串行flash存储器W25Q128BV为那些对空间大小,引脚数,功耗有限制的系统提供了一个适合的存储解决方案。供电范围为2.7V～3.6V,在激活状态下电流功耗低到4MA,睡眠状态下则降低到1UA。具体电路设计如图4所示。

FM24C64是一种串行非易失存储器,存储容量为64K,数据在掉电后可以保存10年,可以支持1万亿次的读写次数,接口方式为工业标准二线制串行接口,与串行EEPROM的功能操作相似,与EEPROM具有相同的引脚排列,优点在于FM24C64具有非常出色的写操作性能。具体设计电路如图5所示。

图3 最小系统启动方式部分电路图

图4 W25Q128BV存储电路原理图

图5 FM24C64存储电路原理图

3.3 通信模块接口设计

本设计选用SIMCOM公司的SIM6320(CDMA/EVDO)作为无线通信模块的主控芯片实现GPRS通信,支持供电电压范围3.3V～4.2V,底板上设计有和无线模块通信的标准接口和模块电源控制电路,接口电路如图6所示。

图6 无线通信接口电路设计

4 软件设计

4.1 下位机软件设计

4.1.1 系统软件主流程设计

泥石流灾害多发生在条件恶劣的偏远地区,各种干扰因素比较多,在这种条件下要保证整个监测系统的正常运行就必须有一套稳定可靠的软件系统的支持,本系统采用意法半导体的STM32F407芯片作为核心控制器,充分利用ST官方提供的3.5版本的函数库并采用Keil软件进行开发,丰富的库函数大大提高了程序的开发效率,主程序中采用任务轮询方式的循环设计思想结合模块化设计,充分保证了系统的正常运行,系统主流程图设计如图7所示。

设备上电后首先进行芯片和所有外设的初始化,其中包括电源、系统时钟、时基定时器、RTC,所有GPIO引脚、看门狗、中断和串口等,初始化成功则进入while(1)循环进行任务轮询并将看门狗标志位清零,任务包括时间设置,雨量、水位采集,串口和GPRS协议处理,数据下载等。因为本设计不涉及操作系统所以对多任务的处理采取循环执行并结合中断的方式,中断分为系统时基定时器中断,外部脉冲中断和串口中断的方式,这样就可以保证系统即能够及时响应外部事件也可以按一定的时间顺序执行任务进而达到实时监测的目的。

图7 系统主流程图设计

4.1.2 事件任务程序设计

泥石流监测系统要监测的量很多,简单高效的任务函数是程序设计的关键,代码编写要求格式规范,逻辑清晰。下面列出了本程序设计中的一些主要的自定义任务函数:

Task_Time(); //时间的读取和设置

Task_VoltsTemper(); //电源电压和温度检测

Task_ComAgreement(); //串口协议解析

Task_GprsAgreement(); //GPRS协议解析

Task_Rain(); //雨量和土壤含水率采集

Task_Mud(); //泥位变化

Task_DataStore(); //数据下载和存储

Task_Dtu(); //GPRS接收和发送任务

Task_TimingReport(); //定时上报数据

Task_SystemReset(); //RTU复位重启

4.1.3 中断程序设计

系统时基定时器一般情况下用于实时操作系统,在没有操作系统的情况下也可当成一个标准的递减计数器,当计数器为0时能产生一个可屏蔽中断,本文就是利用它的计数功能每0.1s产生一次中断,在此基础上可实现时间读取,定时喂狗,间隔一定时间采集数据,定时上报数据,规定时间外部程序未执行进行复位等任务。外部脉冲中断主要用于接收雨量传感器发送来的外部脉冲,并通过脉冲数量计算出当前雨量。串口中断一共有四个串口1主要用于程序调试和监控,串口2用于和GPRS模块通信传送数据和命令等,串口3和4外接485芯片,用于接收485信号同时串口3接外部手持设备,可进行参数设置和实时数据读取等。

4.2 上位机软件程序设计

上位机软件程序面向用户,能够提供系统参数的设置,实时数据的显示、历史数据查询以及基于时间的数据查找等基本的功能,同时还能通过网口或者串口发送不同的命令来控制设备处于不同的工作状态。通过上位机界面程序,用户可以在控制室的计算机上远程查看设备的运行状态,数据采集情况,并进行相应的操作控制,上位机软件程序的工作主流程如图8所示。

图8 上位机软件程序主流程图设计

本系统的上位机程序采用Qt图形库并结合MySQL数据库进行开发设计,使用串行接口透传工具建立虚拟的串行接口到设备接口的网络映射,通过响应串口的事件读取设备传送来的数据,并将接收到的数据按照相应的协议解析,根据不同的数据类型区分并处理,传送的数据主要有响应命令、时间信息、采集到的数据等,并将这些信息以时间戳作为索引存入MySQL数据库并保存,另外,用户还可以通过界面程序发送响应的命令对终端设备进行例如设备复位、电压及电量查询等操作,设备接收到命令并处理后将返回命令响应和反馈结果。上位机界面设计如图9所示。

图9 上位机用户界面设计

5 结语

泥石流监测预警系统主要包括泥石流监测区的降雨量监测、次声监测、泥水位监测、土壤含水率监测等以及与之关联的监控中心和预警系统。目的在于研发设计一套准确、有效、稳定的全自动一体化监测预警系统,为泥石流防灾减灾工作提供相应的保障。该系统安装在灾害易发区域,能够对易发生泥石流灾害的区域进行长期的监测和灾害分等级预报,对于防灾减灾很有实用价值。系统的优点在于多参数协调分析,综合决定泥石流灾害的不同等级并进行有效的预防。系统运行期间,由雨量监测点、泥水位监测点和次声监测点等自动采集相关数据并将其发送到控制中心,控制中心实时分析、处理、显示数据并根据相应的预报模型进行不同等级的灾害预报。本系统采用太阳能板加锂电池供电,并以遥测终端设备实现雨量、泥位和次声的自动采集和传输,野外监测点采用有人看管、无人值守的方式,节省人力资源,保证工作人员的安全,极大的提高了工作效率,具有较大的实际应用价值。

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Debris Flow Monitoring and Early Warning System Based on STM32 Design

WEN Zongzhou LIU Chao YUAN Nini FEI Tengjiao ZHAO Jianxin ZHOU Dong

(College of Electronics & Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048)

Currently the debris flow monitoring in our country mainly rely on artificial observation, it has many problems such as high cost, poor real-time. Based on the STM32 data remote transmission, a telemetry terminal is designed in this paper which combined with wireless data transmission technology. The experimental results show that the data of soil moisture content, infrasound and sound, rainfall and image information can be collected on real-time by the system, and then collected data will be reported to the central station through GPRS wireless network. The central station finally has a comprehensive evaluation to the telemetry parameter data on real-time of the terminal debris flow by the debris flow monitoring prediction model based on neural network algorithm.

STM32, debris flow, monitoring and early warning

2016年7月9日,

2016年8月27日

温宗周,男,副教授,研究方向:嵌入式系统应用与开发。刘超,男,硕士研究生,研究方向:嵌入式系统在工业中的应用。袁妮妮,女,硕士研究生,研究方向:嵌入式系统在工业中的应用。费腾蛟,男,硕士研究生,研究方向:嵌入式系统在工业中的应用。赵建新,男,硕士研究生,研究方向:嵌入式系统在工业中的应用。周冬,男,硕士,研究方向:嵌入式系统在电力上的应用。

TP23

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.020