滑坡地质灾害远程无线实时预警监测系统研究

李 琦，郑 燕

(河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450053)

国内滑坡灾害监测方法包括宏观异常观测经验法、物探法、水异常分析、微观擦痕分析、GPS定位法、遥感大地测量、钻孔钻井测斜法、应变测量计、多点位移传感、CCD监测等。使用传统的监测仪器如多点位移计、孔隙水压力计、水位计、载荷传感器等进行监测的技术方法应用最为广泛。研究系统由滑坡现场多点数据采集局域网系统(智能GPRS监测终端+现场数据采集局域网)、GPRS网络和远程监测主机等3部分构成。滑坡现场大范围、多点、多类别的物理参数由多点数据采集局域网系统进行采集并发送[1-3]。研究融合现代测控技术、岩土工程和工程地质、通信、计算机等多个学科，是当前国内外学术研究的热点领域，其研究和应用价值很高，其成果可广泛应用于滑坡地质灾害、煤矿矿井坍塌事故预警以及铁路、公路、桥梁等领域。

1 系统硬件

1.1 系统硬件总体构成

系统硬件部分由滑坡现场传感器节点系统、智能监测终端系统、GPRS主机接收系统等构成[4-6]。系统硬件组成原理如图1所示。

图1 硬件系统构成Fig.1 Hardware system compositionx

1.2 传感器节点系统

每个节点都是一个独立的数据采集系统。应用电子测控技术、传感器技术、微电子等技术，来提高其适应野外恶劣工作环境的能力。常用的滑坡地表位移监测传感器，根据信号输出的形式，大致可以分为数字量传感器和模拟量传感器两大类。常用的数字量传感器有用于位移和角度监测的编码器、温度传感器、降水量传感器等，常用的模拟量传感器有位移传感器、压力传感器等。

为了实现节点系统能够根据需要灵活配置，用来检测位移、空隙水压力、载荷等多种滑坡表面物理参数，将节点系统设计为2种类型：①用于监测数字式传感器信号的数字板；②用于监测模拟量式输入的模拟量监测板(简称模拟板)。虽然两者用途不同但是同属于监测终端下一级的监测节点，地位等同。监测节点组成如图2所示。

图2 监测节点组成示意Fig.2 Composition of monitoring nodes

1.3 智能监测终端系统

主控中心硬件模块结构如图3所示。

图3 监测终端硬件模块结构Fig.3 Monitoring terminal hardware module structure

(1)监测终端硬件实现。硬件系统是完整系统实现的基础，作为软件的载体，起到了类似神经中枢的作用。所有外设的检测信号在这里进行处理，系统的执行命令也由这里发出。硬件设计的完善度和稳定性，直接影响整个系统的可靠性。

(2)系统核心的选择。采用C8051F040单片机作为系统核心。其接口连接如图4所示。设计中，部分I/O口采用开漏模式，通过电阻上拉至+5 V，以保证和外设通信和控制的兼容性。对于关键的控制信号使用电阻上拉，提高系统的抗干扰性。采用外部晶振作为系统时钟源，以提高系统工作的稳定性。

图4 C8051F040接口连接Fig.4 C8051F040 interface connection

(3)CAN总线通信。由于CAN总线具有很高的实时性能，因此在各种领域里得到了广泛应用。为了确保系统现场正常工作，硬件采用了冗余设计，在采用内建的CAN控制器的同时，添加了SJA1000的总线制的CAN控制器。两者均通过TJA1050CAN总线收发器构成CAN总线传输网络。同时，为了避免2套小系统之间存在干扰，采用高速光耦6N137实现系统间的隔离。

SJA1000、TJA1050和6N137的器件连接如图5所示。为了提高节点的稳定性，输出节点采用RC阻容滤波。在节点端添加了特征阻抗，抑制CAN总线网络回波，提高节点抗干扰能力。

图5 CAN总线节点连接Fig.5 CAN bus node connection

(4)外设电源控制。由于系统在野外，市电供应可能比较困难，这样系统供电可能需要使用蓄电池。为尽可能延长系统有效工作时间，除了系统本身采用低功耗设计之外，还需要对外部设备的供电进行有效控制，如液晶显示屏等，避免能量的无谓消耗。在设计中，采用PNP型三极管9012结合继电器HRS1(H)-S-DC3来实现对外部电源的通断控制。现在以液晶显示屏电源控制电路为例，给出电路连接。外部电源供给控制如图6所示。

当C8051F040的P4.0口为低电平时，就会触发9012，开启继电器，接通液晶显示屏的电源。当P4.0口为高电平时，就会关闭显示屏的电源。这样，就可以通过程序控制，适时供电，合理利用有限的能源。

(5)环境温度检测电路。系统采用DS18B20来实现对环境温度的检测。DS18B20的测温范围为-55～+125 ℃，其检测精度在-10～+85 ℃时为±0.5 ℃。

(6)电源电压转换以及外部电压监控。由于系统主体采用3.3 V电压系统，所以需要将5 V电源转化为3.3 V电压对系统供电。同时由于系统外部电源采用蓄电池供电，所以必须对蓄电池供电电压进行检测，以便及时更换电池，保证系统的正常工作。具体电路连接如图7所示。其中，接插件J5的第4脚就是外部电源监测输入端，OVCC-W接入C8051F040的第18脚AIN0.0。

(7)人机交互接口。人机交互接口包括外接的液晶显示屏接口和键盘输入接口。液晶显示接口连接液晶控制模块VT6448，其是专门针对分辨率为 320×240(1)的单色屏而设计的液晶显示控制模块。键盘输入采用标准设计，利用总线方式和片选控制，实现对输入命令的读取，然后由系统做出相应的处理。

(8)GPS接口。考虑滑坡现场的工作情况，对GPS模块进行了优选。GPS设备技术指标主要技术指标如下：①定位时间。冷启动50 s，温启动35 s，热启动8 s，重新捕获100 ms。②精度。位置精度3 m (CEP)，速度精度0.2 m/s，时间精度20 ns RMS。③使用外部无源天线。④协议采用的为NMEA-0183 V3.0二进制协议。⑤Flash内存为8 Mbit。⑥尺寸为26 mm×26 mm×4.7 mm，质量4 g，电压2.7 V，功耗130 mW，操作电压2.7～3.0 V，工作温度为-40～85 ℃。

(9)防盗报警接口。采用红外报警传感器，配合按键开关，如有人非法闯入或者有盗窃行为，系统能够及时向监控中心报警。

2 系统软件的设计

2.1 系统软件总体构成

根据前面分析可知，该系统在软件上可分为彼此相互联络，又彼此相互独立的3大部分。而从功能角度而言，系统软件又分为传感器节点系统软件、智能终端监测软件、上位机监测和分析软件3大部分[7-10]。该系统软件总体构成如图8所示。

图8 滑坡远程系统软件总体构成Fig.8 General composition of landslide remote system software

系统软件采用汇编和C语言进行开发，而上位机监测和分析软件采用高级语言Visual C++语言编程。

2.2 传感器节点系统软件

89C51单片机系列的开发语言主要有单片机C51语言以及汇编语言，汇编语言的可读性与可维护性等方面不如C语言，且C语言开发程序相对周期较短。由于本系统相对较为复杂，为了能更好地实现预定功能，也为了使程序有较好的可移植性和便于维护，选择使用单片机C51语言来进行该系统的软件设计。在监测节点的设计中可以将所有的部分分为小块作为子程序最后在系统中加以调用即可。就本项目传感器节点系统而言主要分为CAN总线程序、A /D转换器程序、温度传感器程序以及相应的其他小的子程序。

(1)CAN总线软件设计。针对CAN总线的应用在使用前必须设计全套的完善的调试软件，具体包括：接受、发送、初始化。主要完成各种寄存器的初始值的给定，并根据寄存器初值调用相应的子函数。

(2)ADS8344软件设计。ADS8344为16位高精度A/D转换器，其读写软件的好坏直接关系到本软件能不能发挥其最大的优点。对于ADS8344的操作软件主要是严格按照资料进行操作。

(3)DS18B20软件设计。对于温度传感器DS18B20，采用1-wire总线的通讯方式操作。

2.3 上位机监测与分析软件

(1)实时监测子系统设计。此系统采用现今比较流行的B/S模式，基于ASP，Web服务器使用IIS 5.1(Internet Information Serve)或者更高版本，数据库使用Access，利用Microsoft Visual Studio.NET 2003开发。总体结构如图9所示。

图9 上位机监测与分析软件总体结构Fig.9 Overall structure of the upper computer monitoring and analysis software

通过不同的方式浏览、查询、显示实时监测曲线及历史监测曲线，提供监测点信息图、系统布置图及整体地理信息图的浏览、查询。对监测到的数据采取统计、分析，并进行相应的归纳，满足实际的监测需求。实时监测系统流程如图10所示。

图10 实时监测系统流程Fig.10 Real-time monitoring system process

(2)数据管理子系统设计。数据管理子系统包括监测信息管理、用户管理、数据管理和信息公告管理4部分。监测信息管理提供监测站、监测仪器、监测点等信息的添加、修改、删除及查询等工作，此功能对应监控基本信息子系统的后台管理工作。数据管理流程如图11所示。

图11 数据管理流程Fig.11 Data management process

3 具体试验

3.1 试验总体方案

此项目的重点，是要将GPRS无线传输技术应用到滑坡现场。其关键技术有2个方面：①野外现场环境条件下，采用GPRS无线信号传输的可靠性；②系统整机的可靠性问题。针对以上关键技术问题，展开了深入研究并进行了大量的室内试验。进行了电力载波试验，包括大电流波动试验、远距离载波传输及大电压波动试验、大电压波动试验；抗干扰试验，抗振性、抗潮性能试验、参数的标定和整机联机调试。在试验中修改设计，最终确定设计方案。由于室内试验做得非常充分和全面，从而确保了项目模拟野外试验的成功。室内试验完成后，应当通过野外试验验证，由于滑坡的发生是一个由量变到质变的过程，且量变时各项检测数据的变化量非常小，野外试验无法正常实施。为了验证滑坡地质灾害远程无线实时预警监测系统传输的可靠性，同时也使项目圆满完成，设计了一个试验台模拟野外试验。对滑坡地质灾害远程无线实时预警监测系统进行了模拟野外试验，采集了10组试验数据，实际与终端显示比较吻合，实验取得圆满成功。

3.2 室内试验

(1)大电流波动试验。信号的传输，将受到周围电力线中电流的波动冲击。野外环境条件下，电力线中电流会大幅度波动。为了确保在这种工况下信号的可靠传输，在电路设计上采取了很多措施，并进行了大量的室内试验。电路试验采用了笔记本电脑、单片机开发系统等设备和仪器。试验采用在连续不断的载波中传输大量的数据，同时反复启动、关断大功率电机，观察其数据传输的正确性。通过反复修改电路、反复试验，最终确定出了一个能满足这种工况的最佳电路，保证了在此工况下其数据传输的可靠性。

(2)远距离载波传输及大电压波动试验。为了能保证远距离传输的可靠性，通过串接电阻进行模拟10 km传输室内试验，同时系统旁边再接1台4 kW的三相异步电机。由于电缆有电阻，电机启动时，电压降至180 V左右。同时反复启、停电机。 此试验既考虑了电压波动对传输的影响，又试验了传输的距离。

(3)抗干扰试验。现场可能有强烈的外界空间干扰。为此，在信号传输的同时，紧靠电力线，反复开启电焊机及等离子切割机，用电焊机及等离子起弧时的强烈空间干扰及电网干扰来进行试验及电路改进。

(4)抗振性、抗潮性能试验。野外环境的另一个恶劣条件是，环境湿度大，有时阴雨绵绵，因而会作用到仪器上，对传感器和电路均会造成严重损害。这也是该套系统设计重点考虑的因素之一，也是室内试验的重要内容之一。具体试验分2项来进行：①选择出现大雨的天气，将仪器放置室外过夜，第二天一早对其通电，观察其运行的可靠性；②用水蒸气薰仪器，连续数小时，并同时观察其工作的可靠性。通过这2项试验，将曝露出的问题逐一解决，使全套仪器具有很大的抗潮性能。冲击时产生的作用力，要远远大于振动时产生的作用力。为简化实验装置，本次室内试验，采用了摔落冲击方式。实际试验时，未出现过因冲击而出现故障的情况，也未出现过因冲击而使器件松动的现象。

3.3 模拟野外实验

各传感器均由电缆线连接于节点系统，节点系统连接于监测终端，接收系统通过GPRS接收监测终端传输的数据并在电脑上显示。用一螺杆和螺母实现拉压力的传递，通过转动手轮调节拉压力；用空压机供气，管路中串入单向阀、气压表，来实现气压的测量；用一酒精灯来加热烧杯中的水并用温度计测量温度。用手拉动位移传感器，转动手轮，开启空压机和点燃酒精灯就可使各传感器产生数据并在监测终端和接收终端显示出来。各参数的10组实验数据见表1。

表1 模拟野外实验数据Tab.1 Simulate field experimental data

4 结语

滑坡地质灾害远程无线实时预警监测系统历经反复室内试验、模拟野外试验、重新修改后，认为该系统是检测技术、计算机技术与网络技术结合的高科技成果。该系统性能稳定，显示出较强的野外适应性。通过此项目的实施，一方面，完成了任务书要求，研究开发了滑坡地质灾害远程无线实时预警监测系统；另一方面，锻炼了地质灾害监测仪器开发研究队伍，为今后开发研究培育了人力基础。

与传统的人工现场检测相比，将GPRS无线通信技术应用于滑坡地质灾害远程实时监测有明显的优越性。具体体现在以下几个方面：①系统能实现远程实时的监测与预报，便于决策部门和专家在异地随时观看地质灾害现场的动态监测结果，具有实时在线、高速传输、数据可靠、性能良好等优点；②在系统调试中，应用多项软、硬件抗干扰技术提高整个系统的可靠性，提高了系统适应野外工作的能力；③项目的研制成功，为地质、环境、水文、矿山等领域的网络化、数字化建设打下了良好的技术基础。