降雨诱发型滑坡预警系统设计

王永杰 周国清 周叔一 张飙

摘  要： 针对现场和非现场滑坡监测现状，设计实现适用于降雨诱发型滑坡灾害预警系统。系统由一个主控单元和多个预设不同倾角阈值的滑坡传感器构成。滑坡传感器埋入可能滑坡的现场，主控单元安装在附近人员家中或工作单位内。滑坡出现时达到倾角阈值，触发滑坡传感器供电并发射无线信号给主控单元，主控单元收到信号后启动声光报警器并发送手机短信给责任人。主控单元采用STM32微处理器和SIM900短信模块实现滑坡地点和责任人信息设置和预警短信发送。系统软件由μC/OS操作系统调度，实现了基于消息邮箱通信的多任务程序设计，采用有限状态机解析短信内容能有效剔除垃圾短信。滑坡传感器只在滑坡出现时供电，解决了传感器长期供电难题。实验结果表明：系统体积小、成本低、实用性强、适用于保护滑坡点附近人员的生命安全。

关键词： 滑坡预警; 降雨型滑坡; 滑坡传感器; 主控单元; 信息设置; 短信模块; 系统设计

中图分类号： TN911?34; TP301.6                     文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）20?0139?06

Design of warning system for rainfall induced landslide

WANG Yongjie1， ZHOU Guoqing2， ZHOU Shuyi3， ZHANG Biao1

（1. Department of Information Science and Engineering， Guilin University of Technology，Guilin 541004，China;

2. Guangxi Key Laboratory for Geospatial Informatics and Geomatics Engineering， Guilin 541004， China;

3. Guilin Danzhong Science and Technology Ltd， Guilin 541004， China）

Abstract： In allusion to the current situation of monitoring on? and off?site landslide， the disaster warning system for rainfall induced landslide is designed and implemented. The system is composed of a main control unit and multiple landslide sensors with preset different dip angle thresholds. The landslide sensors are  embedded in the possible landslide sites and the main control unit is installed in  a person′s home or the work unit near the possible landslide sites. When the landslide occurs and it reaches the dip angle thresholds， the landslide sensor is triggered to supply power and send wireless signals to the main control unit. After receiving the signal， the main control unit starts the audible and visual alarm and sends short messages to responsible persons. The STM32 microprocessor and SIM900 short message module is used in the main control unit to realize information setup of landslide location and for the responsible persons， and send early warning short messages. The system software is scheduled by μC/OS operating system， to realize multi?task programming based on message mailbox communication. The finite state machine is used to parse the content of short messages， which can effectively eliminate spam short messages. The landslide sensors supplies power only when the landslide occurs， which solves the difficulties existing in long?term power supply for the sensor. The system has the advantages of small size， low cost， strong practicability， and is suitable for protecting the life safety of people near the landslide point.

Keywords： landslide warning; rainfall?type landslide; landslide sensor; main control unit; information setting; message module; system design

0  引  言

滑坡是一种突发性地质灾害，降雨则是滑坡发生的主要诱发因素，大部分滑坡都具有“大雨大滑、小雨小滑、无雨不滑”的特征[1]。滑坡监测是对滑坡体进行形变检测，由于滑坡发生的随机性高，滑坡体形变属于缓慢变化，通常需要不间断的长期监测[2]。目前滑坡检测分为现场监测和非现场监测两种方式：现场监测是在可能滑坡的地点安装监测设备;非现场监测采用人工或半人工职守方式在远离滑坡点的地方安装监测设备。现场滑坡监测设备根据滑坡机理采用专用或通用的电传感器[3?5]，该方式存在传感器长期供电难题。有些系统配置了太阳能互补供电[6]，造成设备体积大，成本高，易遭受人为破坏，而且在南方地区滑坡发生前阴雨天气概率较高，太阳能发电设备发电效率低，会使蓄电池充电不足，这些都限制了此类系统的推广应用。非现场监测运用了先进的激光扫描和雷达技术[7?8]，这种方案不需要把传感器放置在滑坡地点，但传感器更贵，还需要建设观测间，即使是自动报警也需要人员维护设备，成本更加高昂，只适用出现滑坡的重点区域，如矿山、水坝等。

本设计结合现场监测和非现场监测的特点来解决滑坡预警问题，所研制的系统体积小、成本低、免维护，适用于保护滑坡点附近人员的生命安全。本设计的现场滑坡传感器只在滑坡迹象出现时才被触发进行供电并发出射频报警信号，解决了棘手的供电问题，主控制单元需要不间断供电，通常安装在离滑坡地点最近的人员家中或工作单位内。

1  降雨诱发型滑坡机理与形成过程

降雨会导致滑坡岩土体容重增加，增大了下滑力;雨水入渗会软化和润滑软弱的结构面，导致土石层抗剪强度降低;这两个因素直接诱发滑坡发生[9]。水土力学中总应力与有效应力的关系为

式中：c为粘聚力;[φ]为土的内摩擦角;[tanφ]为土的内摩擦力;[σn]为滑面上的法向应力;t是抗剪强度。雨水入渗会使c，[φ] 值降低，导致土体的抗剪强度t降低，从而诱发滑坡发生。

多数降雨型滑坡形成过程包含蠕动变形阶段、急剧变形阶段和滑动阶段三个阶段。具体表现为：坡脚表面先出现横向开裂，然后裂缝从坡脚向坡顶延伸，雨水沿裂缝入渗形成贯通面，坡脚先呈现出圈椅状小滑塌，随着降雨持续，滑塌范围逐步扩大，最终形成后退式流土破坏，如图1所示[10]。

图1  降雨型滑坡破坏模式示意图

2  系统结构

本设计系统结构如图2所示。

图2  系统结构图

图2中每个滑坡监测点包含1个主控制单元和多个滑坡传感器。滑坡传感器埋在可能出现滑坡的现场，具体数量根据现场情况灵活配置。根据第1节中的降雨型滑坡形成过程，滑坡传感器在坡顶、坡中部和坡脚处都要埋设，坡顶埋设数量少，坡脚埋设数量大，埋设前可设置不同的倾角阈值，保证在滑坡的蠕动变形阶段、急剧变形阶段和滑动阶段都能及时预警。主控制单元通常安装在人员家里或工作单位内，距埋设滑坡传感器地点不超过400 m（经测试，远离城市的乡村或矿区，信号干扰小，安装距离可达1 200 m）。滑坡传感器内含倾角检测模块，无线发射模块，天线和电池。滑坡传感器平时处于断电状态，只在倾斜度达到预设倾角阈值时才会触发供电，发出射频预警信号，从而实现了长时间不更换电池。主控制单元内含无线接收模块、短信息模块、存储模块、声光报警模块和微处理器。无线接收模块用于接收滑坡传感器发出的预警信号;短信息模块将滑坡预警信息发送给责任人;存储模块用于存储滑坡地点、责任人姓名及手机号码;微处理器控制各模块协调工作。

3  硬件设计

3.1  滑坡传感器

每个滑坡监视点需要安装多个滑坡传感器，根据实际地形通常为6～10个，如图2所示。滑坡传感器内的倾角检测模块采用机械式倾角开关，平时无须供电，倾角开关能预设不同的倾角阈值，当滑坡传感器倾斜度达到预设阈值后就会触发电池供电，使无线发射模块发出射频预警信号。本设计解决了滑坡传感器供电难题，无需拉电或利用太阳能发电，传感器只在滑坡的蠕动变形阶段、急剧变形阶段和滑动阶段才被触发供电。传感器采用长寿命碱性干电池作为电源，成本低，体积小，可实现5年免维护，而且传感器只有天线露出地面，隐蔽性好不易遭受人为破坏。滑坡传感器中的无线发射模块使用20位元内码的学习码编码芯片EV1527，其编码重复概率极低。EV1527通过自学习可实现多个发射模块对应同一个接收模块。发射模块在滑坡传感器内，接收模块在主控单元内，这样就实现了一个主控单元对应多个滑坡传感器。

EV1527应用电路如图3所示，SW0～SW3为4个两芯插针，当两芯插针接上短路块后，EV1527的5～8脚上会相应地出现高电平，从而触发第4 脚输出数据串（调制信号），由于1脚接330 kΩ，电源为9 V，数据串周期被配置为1.48 ms。因为滑坡传感器是埋入土壤中的，故4个两芯插针中哪个接短路块是预先连接好的。一旦傾角达到阈值电源被接通，周期为1.48 ms的调制信号就会加载到433 MHz载波上发射到空中。滑坡传感器对应的SW3，SW2，SW1，SW0的电平可按4位格雷码设定，如0111，0110，0100，0010，0011，0001等，其中“1”表示对应的两芯插针连接短路块，“0”表示则不连接短路块。

图3  EV1527 电路图

3.2  主控制单元

主控制单元由微处理器，无线接收模块，短信模块，存储模块，声光报警器，状态指示，电源模块等部分组成，如图2所示。当无线接收模块接收滑坡传感器中发出的无线信号，微处理器根据接收到的信号识别出是哪个滑坡传感器发出预警。短信模块采用SIM900，微处理器收到滑坡预警信号后就控制该短信模块给责任人发送手机短信。声光报警器为通用型，报警时能发出尖锐警报声同时闪烁警示灯。状态指示采用一组LED管，用于指示预警信号来自哪一个滑坡传感器。微处理器采用STM32系列，型号为STM32F103RCT6，主要功能：判断是哪个滑坡报警器发出预警并打开声光报警器和状态指示LED;控制短信模块的收发和存储模块的读/写。短信模塊采用内含GSM基带、射频单元、天线接口、存储器及串行通信口的SIM900模块。STM32微处理器用串口与SIM900相连，利用 AT 指令实现短信接收、发送。

无线接收模块采用TDH6300，它是EV1527的解码模块。每个主控单元内有1片TDH6300，它对应多个埋在现场的滑坡传感器（每个传感器内都有1个EV1527）。TDH6300与STM32微处理器连接电路如图4所示，D0～D3和VT脚平时为低电平。当收到滑坡预警信号时VT脚输出高电平到PA1，D0～D3也输出相应的高低电平给PC0～PC3。D0～D3输出的电平就是图3中 EV1527的5～8脚电平值。PA1脚配置为上升沿触发的外部中断脚，VT脚由低变高时触发该中断，在中断服务程序中STM32微处理器读取D0～D3电平值就可以判断出是哪一个滑坡传感器发出预警。

图4  TDH6300与微处理器连接图

1个主控单元与多个滑坡传感器配对就是TDH6300的学习过程，其2脚连接学习键，3脚连接学习指示灯。学习步骤：

1） 按下学习键，学习指示灯闪烁一次后熄灭，TDH6300进入学习状态。

2） 让滑坡传感器中的EV1527发射编码，TDH6300收到后，学习指示灯常亮1 s后熄灭，学习结束，即完成了1个滑坡传感器就与主控单元配对。

3） 其余的滑坡传感器逐个重复步骤1），步骤2），就实现了1个主控单元配对多个滑坡传感器。当TDH6300进入步骤1）后30 s内没有收到EV1527发出的编码则学习指示灯快速闪烁5秒，表示学习失败。若与主控单元配对的滑坡传感器损坏，则可长按学习键清除原先的配对信息，然后按步骤1）～步骤3）将主控单元与多个滑坡传感器重新配对。存储模块采用I2C接口的非易失性E2PROM存储芯片24C16，容量为2 KB用于存储滑坡地点信息，责任人姓名及手机号码。状态指示包括与主控单元配对的多个滑坡报警器的报警指示灯，短信收、发，程序运行和电源供电指示灯。电源模块包含直流12 V，5 V和3.3 V电源，12 V电源由220 V市电经降压整流得到，为声光报警器供电，12 V经DC?DC模块降至5 V给短信模块供电，5 V电压经ASM1117电源模块降为3.3 V为STM32微处理器供电。

4  软件设计

4.1  多任务软件工作流程

主控单元的软件运行在嵌入式操作系统μC/OS上，μC/OS属于抢占式多任务内核，内含任务调度、任务管理、任务间通信等功能，可以移植到STM32微处理器上。本设计建立了声光报警任务、短信发送任务、短信接收任务、存储任务和开始任务，5个任务的优先级依次降低。任务间利用消息邮箱机制进行通信，保证通信的稳定性。μC/OS运行后利用开始任务创建其他4个任务，然后挂起开始任务。图5为软件工作流程图。程序中还使用一个外部中断和一个串口中断。外部中断服务程序完成两项功能：识别是哪个滑坡报警器发出预警;发送邮箱消息1给声光报警任务和短信任务。串口中断实现短信模块SIM900与STM32微处理器的通信。声光报警任务优先级最高，任务运行后检查邮箱1是否收到消息，收到消息就知道是哪个滑坡报警器发出了预警信号。该任务开启主控单元中的声光报警器，同时点亮报警滑坡传感器的LED指示灯;如果没有收到有邮箱消息1，该任务进入等待状态，让CPU运行其他进入就绪状态的任务。

短信发送任务收到来自外部中断的邮箱消息1后，会读取E2PROM 24C16中的滑坡地点信息和责任人姓名及手机号码，合成出“xx责任人xx地点x号滑坡预警器发出报警”的短信息;然后利用AT指令通过串口将报警信息发给SIM900，SIM900就将该信息发手机短信给责任人。若短信发送任务没有收到邮箱消息1，则进入等待状态，允许CPU处理其他任务。短信接收任务运行时首先检查串口接收FIFO是否收到数据，如果收到就对其内容进行解析，若是有效设置短信该任务则提取短信中滑坡地点、责任人姓名及手机号码等设置信息再发邮箱消息2给存储任务，否则丢弃该短信。如果串口接收FIFO为空，任务进入等待状态，CPU继续运行其他任务。

存储任务运行后就会检查是否收到邮箱消息2，如果收到就会将用户设置的滑坡地点、责任人姓名及手机号码信息存储到24C16相应存储单元中。如果消息邮箱2中没有消息，该任务释放CPU使用权进入等待状态。