基于STM32F103的泥石流灾害预警系统设计*

徐根祺，曹 宁，任小文，孙 敏，郑黎明，毛曼琳

（1.西安交通工程学院电气工程学院，西安710300；2.西安交通工程学院土木工程学院，西安710300）

1 引言

西方国家从19世纪就已经开展了对泥石流的系统研究工作。20世纪初叶由美国地质专家贝克尔撰写的《半干旱山区的地质作用:泥石流》是人们对泥石流的最初印象[1]。20世纪中叶日本设立了防灾研究所，表明日本也是研究泥石流较早的国家，泥石流形成的条件公式便是由该国学者提出的[2]。1956年至1974年，前苏联通过对杜鲁德河地区泥石流的研究，出版了对泥石流的动力学研究具有指导作用的《苏联泥石流及其防治措施》[3]。1983～1984年间，英国剑桥大学Innes教授、美国地质调查局的Costa博士分别发表了：《泥石流》和《泥石流普通地貌学》[4]。1977～1988年，在美国进行了第一次全球大范围内精确性的泥石流危险性评价。包括奥地利和瑞士在内的西方国家较早使用红、黄、绿色划分泥石流危险区[5]。本世纪以来，国内外的研究工作更多地开始倾向于理论基础和动力学方向，同时开始了对泥石流预警技术的探索[6]。

我国对泥石流的研究起步于20世纪50年代。青藏高原、川滇山区以及中南和西北等地，被证明是我国泥石流较易发生的区域，对这些地区泥石流的定位观测和防治工作也相继展开[7]。1970年以后，泥石流的研究重心转移到以定点观测及防治工程相结合的模式[8]。2000以后，世界各国开始重视泥石流危害，大力创新研究方法，打破原有研究模式，提出许多新思路和新方法，使得泥石流研究更加多样化全面化[9]。为分析实时监测数据信息、探究灾害发生规律，以准确预测发展变化趋势并下达可靠有效的防治决策，就需要在灾害常发地区收集有效信息。因此，收集灾害孕育阶段的数据信息并建立泥石流灾害预警系统是防灾减灾工作任务的重中之重。

2 系统总体方案

对于当前大多数研究方法而言，无论是泥石流灾害历史数据的数量，还是对数据进行分析评判所采用的算法，都会影响最终的预测准确性，也给灾害的及时预警和有效防治带来了很大的困难[10]。

为解决目前研究中泥石流灾害数据量不足且数据获取困难的问题，在此设计的用于泥石流灾害影响因子数据采集和灾害预警的泥石流灾害预警系统，需要收集更为全面的信息，包括：降雨量、土壤含水率、孔隙水压力、地声、次声、断线和流速；所用到的相应传感器包括：雨量传感器、土壤含水率传感器、孔隙水压力传感器、地声传感器、次声传感器、断线传感器和流速传感器。传感器先将采集到的数据以近距离无线通信方式向下一级传输；由现场预警单元接收传感器发送来的数据，并对数据进行分析；之后再经远距离无线通信方式向远程监控单元传输；最后由远程监控单元进行综合评判并对灾害做出预警提示。

系统的最终设计方案由数据采集单元、现场预警单元、通信单元、报警单元、远程监控单元和客户端组成，总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图

3 系统硬件设计

泥石流灾害预警系统综合运用无线射频、GPRS远距离无线传输和多传感器融合等技术，以数据信息传送无误为前提，将可能爆发泥石流的山区的影响因子信息逐级传送，现场预警单元和远程监控单元分级对泥石流灾害进行预警。

系统采用一体化的形式将所有传感器各自的无线数据采集单元的通信接口集成在一起。由包括射频单元、电源单元、RS232通信单元、脉冲通信单元、最小系统单元、RS485通信单元和AD通信单元在内的多个模块共同构成无线数据采集单元。除了电源单元和最小系统单元外，现场预警单元的基本构成部分还包括GPRS单元、人机交互单元、无线射频单元和脉冲通信单元。由于MSP430F149芯片具有超低功耗、低电压和低成本等优点[11]，在设计中将其用于无线数据采集单元。现场预警单元则采用STM32F103作为微处理器[12]。泥石流灾害预警系统硬件框图如图2所示。

图2 泥石流灾害预警系统硬件框图

4 系统软件设计

本监测系统的监测内容为泥石流灾害的各影响因子数据信息，包括降雨量、土壤含水率、孔隙水压力、地声、次声、断线和流速。系统在得电后，即对系统进行内部初始化，之后AS32_TTL_100进入到数据接收模式。随后，系统将会查询按键或触摸屏有无操作，若有则开始运行对应的程序，再扫描有无召测指令；若没有按键或触摸屏操作，则直接查询有无召测指令，若有则检验召测任务类型，若无则依据已设置的次序开始各影响因子信息并比较阈值。若数据超出设置值，则AS32_TTL_100进入到数据发送模式，同时下达报警命令，配置AS32_TTL_100数据包向报警单元下达命令和配置GPRS数据将收集的数据信息发送至远程监控单元；若收到的数据未超出设置值，则配置GPRS数据包将收集的数据信息发送至远程监控单元。系统完整的数据采集流程图如图3所示。

图3 系统数据采集流程图

5 实例研究

将设计完成的泥石流灾害预警系统应用于陕西省山阳县泥石流灾害多发区对泥石流灾害影响因子进行收集，并从所采集的数据中选取2000组数据。将其中1800组数据作为训练样本，剩余200组数据作为验证样本，利用粒子群优化径向基函数神经网络[13]对预警准确率进行验证，结果如表1所示。从表中数据可以看出，虽然预测出的泥石流发生概率的部分实验值与实际值有所差异，但是二者的预警等级几乎一致。这表明所设计的泥石流灾害预警系统对泥石流灾害影响因子进行采集的有效性，在此基础上，引入适当的算法就可以对泥石流灾害发生的概率进行预测，进而对发生概率较大的灾害做出及时有效的预警。

表1 测试结果

6 结束语

在对泥石流地质灾害研究现状分析的基础上，从总体方案以及硬件、软件设计方面进行论证，设计出一套泥石流灾害监测预警系统。本系统集监测、采集、分析、评价等功能为一体，既能够对泥石流灾害影响因子进行实时监测，还能对监测到的数据进行分析并根据分析结果自行对泥石流灾害进行预警。实例表明将本系统用于泥石流灾害预警是可行的，为现阶段的泥石流灾害研究提供了一种新的手段。