一种基于51单片机的地质灾害监测装置

陈易飞 王昊宇

摘 要：如今地质灾害已经成为人们生产生活的重要影响因素，但目前的地质灾害监测方法都不具备完善的监测系统，造成的损失巨大。本文作者提出一种基于51单片机改进的地质灾害监测装置，利用霍尔效应原理，将位移信号转换成电信号，同时接入土壤湿度传感器实时监测土壤湿度，利用串口通信技术便于工作人员及时准确收到监测信息，及时做出处理，避免地质灾害带来的严重损失。

关键词：51单片机;霍尔效应;土壤湿度传感器;串口通信

1 设计背景及思路

崩塌、滑坡、泥石流是三大地质灾害。根据中国国土资源部2017年4月发布的2016年国土资源公报可以看到：2016年，共发生地质灾害9710起，造成370人死亡、35人失踪、209人受伤，直接经济损失31.7亿元。地质灾害发生数量、造成死亡失踪人数和直接经济损失同比分别增长18.1%、41.1%和27.4%。现今常用的滑坡监测方法包括宏观地质监测法、大地精密测量法、遥感监测、GSM监测、TDR监测法、倾斜仪测量等。而它们各有优缺点，比如宏观地质监测法精度低和劳动强度大;大地精密测量法受到地形条件和气象条件的限制，工作量大，周期长，连续观测能力差等。而利用51单片机及霍尔效应组成的地质灾害监测装置，可以很好的中和上面的不足。利用霍尔原理，将土壤的位移信号转化为电信号，利用单片机控制，与设定阈值实时比较。在装置的安装支架上面，装有土壤湿度传感器，利用嵌入土中的土壤湿度传感器，可以实时采集土壤中的水含量，也与设计的阈值进行比较。更增加有震动、倾斜传感器，震动传感器可以感受到波动，对于崩塌、落石、地震都有一定的监测效果。倾斜传感器可以监测到装置的位置，当装置发生侧翻和猛烈撞击，信号都会传递给主控制器。主控制器由STC89C51构成，价格低廉，性能稳定。实时的比较着由各个传感器采集到的信息，如有变化，就会更新显示装置，并且蜂鸣器长响以达到报警的效果。装置的电源设备是用光伏板接收太阳能，然后滤波处理储存在锂离子电池中，整个装置耗能小，待机时间长。利用串口通信技术，控制sim900模块将这边的变化通知给远方的工作人员。

2 主要研究内容

2.1研究内容

在这个装置的设计和制作过程中，总体按以下几个部分内容开展研究：

（1）霍尔元件的信号采集研究。霍尔元件的两端电压U和磁感应强度的大小B有线性关系，公式如下：

其中I是通过霍尔元件两端的电流，d是导体厚度，n是单位体积内载流子的个数。此装置，是利用磁感应强度B离磁场源越远则B越小的性质，同时将距离反应到电压上面。但要获得一个均匀增大的磁场是比较困难的，此装置是用简单的磁铁做磁场发生源，经过数据测试，在一定距离范围内，是满足线性关系的。

（2）湿度传感器信号采集处理研究。土壤中水含量与土壤是不是会滑落有很大关系。本装置的特点之一就是在支架上安装有土壤含水量的监测装置。但是装置在采集水含量信号的时候不是十分准确，当前的处理是将实时采集的水含量与阈值进行比较，若超出，则报警，发送通知短信。但是后期希望将水含量的数值进行采集处理成像，从而可以达到预测的目的。

（3）SIM900A短信发送模块。通过单片机的串口通信，向此模块中写入AT指令，连接上网络，就可以实时发送短信。但是此模块目前仅可以发送一条短信，其中涉及的知识有串口通信、中断等代码的书写。

2.2研究目标

利用目前现有的技术和装置，对其进行改進和完善，包括软件和硬件。包括代码的结构化，硬件信息采集的准确度更高。最后结合陕甘青地区实际的山体情况进行实地测量，将装置用到滑坡监测上。

2.3拟解决的关键问题

2.3.1霍尔元件位移量转化为电压量。霍尔元件的电压大小与磁感应强度有一定关系，但一个均匀增大的磁场是很难有的，所以装置目前是通过采集数据，然后在某一段距离之内将磁感应强度看作是均匀增加的，并且设定了阈值。

2.3.2土壤含水量对滑坡发生的影响。滑坡发生的实质是，斜坡上的土体或者岩体，在水，或者地震等的影响下，在重力作用下沿着斜坡下滑的现象。故要解决和探究水含量对滑坡发生有多大的影响。

2.3.3装置的结构和电路拓扑。由于我们的装置是放置在野外，并且分为两个监测部分，所以装置的外观设计，就尤为重要，并且光伏模块是要接受阳光直射，才能储存最大的电能，同时SIM900A模块也需要接受信号，连接网络，才能发送短信。

3 技术路线与研究成果

3.1技术路线

具体的设计路线及实验方法如下：（1）首先对所需要装设该装置的地区进行地质勘探，依据调查结果，确定各项指标;例如土壤含水量、地磁场大小对霍尔元件的影响等。（2）在确定装置各项指标后，设定装置模块的阈值，根据调查的地磁场强度，土壤含水量、各个地区不同的环境以及不同的物理条件，对各个模块的阈值进行确定，使各个模块都能因地制宜的工作。（3）装置的外围设计也需要根据实际的地形、气候等因素进行设计。如果风能比较丰富，就装设风力发电模块，如果太阳能比较丰富，就装设太阳能发电模块。（4）当所有的模块都设置完之后，对各个模块分开测试，确保分开测试时各个部分都是可以正常工作。之后进行各个模块组合和结果的验证调试。

3.2研究结果

该装置的诞生就是为了服务于民，将从以下几点说明：（1）当装置投入运行时，可以护一方水土的人民生命财产安全，这是我们装置的最基本任务，也是最基本的结果。（2）在探究霍尔元件的过程中，可以研究一下均匀增强磁场的实现方法，目前基于这方面的研究还是很少的。（3）在对于土壤湿度的研究中，已经发现，这是发生滑坡的一个重要诱因之一，所以对其接下来的研究还需要深入，争取发现更多的诱发因素。

4 创新点总结

由于市场上没有相似的产品，因此该装置的研究填补了该领域的空白;利用霍尔原理将地质的位移信号转化为电压信号，并且监测位置确切到每一个滑坡点;每一个监测点配合土壤湿度模块，对滑坡发生的监测准确度又大大提升。利用STC89C51微控制器对SIM900A模块写入AT指令，将实时监测数据发送给远方的工作人员，做到实时监测、无人控制、缩减人力，提高安全性;预测准确及时;价格便宜等。

作者简介

陈易飞（1999—），男，汉族，河南平顶山，本科，研究方向：电气工程及其自动化。

王昊宇（1997—），男，汉族，山东烟台，本科，研究方向：地质工程。