基于TC264单片机的山体滑坡预警系统设计*

孙晶莹，李绍民，吕明帅，艾佳瑞，陈兴月

(大连民族大学信息与通信工程学院,辽宁 大连 116600)

0 引言

我国地域广阔,地质灾害在一定范围内发生较为频繁,每年由此造成的经济损失和家庭破裂不计其数。目前山体滑坡监测系统中通常使用GPS和近景摄影等方法进行监测,但在投入使用后发现了类似于无法适配恶劣环境和稳定性不高等问题,影响监测系统的整体性能。

针对上述问题,本文设计基于TC264单片机的山体滑坡监测系统,通过无线通信远程连接监控中心,降低设备成本[1],提高监测的灵活性和可行性。本系统会最大限度上减小天气环境等外部因素对于监测系统的影响,做到预警的实时准确。

1 系统方案设计

本设计分为数据采集和数据接收两大部分,核心主控芯片选择TC264单片机。采集端使用液位传感器、土壤湿度传感器、GPS定位系统、ICM-20602六轴陀螺仪传感器共同完成数据采集[2]并通过NRF24L01传输数据。数据接收端接收无线传输模块的数据,得到节点位置信息、山体状态信息,采用OLED屏进行数据的实时显示,单片机进行数据的分析,通过GSM无线通信模块向监测人员报警,完成山体滑坡预警。

图1 系统整体设计框图

2 系统硬件电路设计

2.1 微处理器方案

本系统的主控芯片采用TC264单片机,最高主频 200 MHz,双核 TriCore架构,具有4个12位SAR ADC 转换器,支持SPI,并具有4个IO扩展口,支持100 Mbit以太网,充分满足系统对高运算速度和丰富外部接口的设计要求。

2.2 数据采集端的硬件设计

2.2.1 土壤湿度采集电路

由于本系统用于山体信息的采集,所处环境湿度大、雨水多,故采用耐腐蚀的电容非接触式传感器,可延长工作寿命。利用XC6062芯片为电路提供3 V的稳定电压,土壤湿度采集电路的输出口连接单片机的AN0端口,将模拟值转换为数字值并进行数据的分析和处理。

2.2.2 液位值采集电路

液位值采集电路采用接触式电阻水位传感器监测山体监测点的液位值。ADC1端口连接单片机的AN1端口,该电路高电平接3.3 V,低电平与单片机共同接GND端口。该电路原理图如图2所示。

图2 液位值采集模块电路图

2.2.3 GPS定位模块电路

本系统采用GPS定位的方式来确定采集节点的位置,该定位方法在山体滑坡监测中的准确度受到了肯定。GPS定位模块电路采用ARK-NEO-6M模块,此模块采用单点定位法。ARK-NEO-6M模块的优点是成本低、定位时间短。该模块电源端与单片机5V、GND相连,将其TXD、RXD分别与单片机的P00_1、P00_0端口相连。单片机接收数据后完成数据解析,便可得到节点定位。

2.2.4 山体稳定性测量电路

本系统利用ICM-20602进行山坡稳定性的测量[3]。ICM-20602是一个6轴运动跟踪装置,它结合了一个3轴陀螺仪和一个3轴加速度计。ICM-20602在程序中通过硬件SPI进行通信,ICM-20602的CLK端口接单片机P20_11,片选端口CS接单片机P20_13,MOSI和MISO分别接单片机P20_14和P20_12。通过卡尔曼滤波算法[4]将六轴的原始数据进行换算,最终将四元数转换成欧拉角,完成ICM-20602的姿态转换,以此来判断山体是否稳定。

2.3 数据接收端的硬件设计

2.3.1 人机交互系统设计

显示电路模块采用OLED 屏幕对山体信息进行实时显示。OLED具有视角广、自发光、反应速度快、无需背光源且内嵌有显示存储振荡器和DC转换器,大大减少了功耗。本系统采用I2C通信方式的OLED显示屏,使用单片机的P13_1和P13_2模拟SCL和SDA,程序可移植性较高。

2.3.2 GSM无线通信模块

GSM无线通信电路用于发送预警信息。SIM800C模块封装小巧易于集成,有GSM/GPRS850/900/1800/1900MHz 5种工作频段,适合在多山环境中的通信。GSM拥有AT指令集接口,发送AT指令即可控制该模块。GSM与单片机之间为串口通信,将单片机的P00_1、P00_0分别接到SIM800C的TXD、RXD端,再将二者的GND连到一起,上电后便可用单片机给GSM发送AT指令,设置其工作模式、数据通信等。

2.4 NRF24L01数据无线传输模块

NRF24L01模块与GPRS连接完成本设计基本的无线数据传输功能,无线传输距离为1 000 m,符合山体滑坡设计的距离要求。NRF24L01模块采用3.3 V供电,CLK端口接单片机P15_3,片选端口接单片机P15_2,MOSI和MISO分别接单片机P15_5和P15_4。 NRF24L01数据无线传输模块电路如图3所示。

图3 NRF24L01数据传输模块电路图

3 系统软件设计

系统总程序的软件设计可分为数据采集端和接收显示两大部分。采集端进行土壤湿度、液位值的采集,对偏转角进行采集并判断,之后将实时信息、判断结果以及GPS定位信息传输给接收端。接收端主要接收采集端无线传输模块传输的信息,对该信息进行解析,将其在OLED显示屏上显示出来,若偏转角过大则向监测人员报警,对状况进行处理。

3.1 采集程序设计

采集端主要用来对环境数据进行检测,同时将采集到的环境数据反馈给接收端。首先采集端的程序必须对本次实验所有的定时器、串口、NRF24L01模块引脚、ICM-20602模块引脚初始化、ADC引脚初始化。然后ICM-20602芯片进行自检,用来验证ICM-20602芯片的机械和电气特性是否正常,如果正常,直接读取陀螺仪数据作为初值,后读取GPS数据并将数据赋予发送数组。紧接着通过单片机ADC引脚读取液位和湿度信息并进行处理后赋予发送数组。最后再通过ICM-20602进行采集,将采集数据与初始值判断。该控制端的主程序流程图如图4所示。

图4 采集端主程序流程图

3.2 接收端程序设计

首先在主函数对各个模块进行初始化,其中包括无线传输模块、按键、OLED显示等各个引脚初始化,接着对NRF24L01模块设置为接收模式,OLED显示开机界面。判断是否要显示节点1信息,如果需要显示节点1信息,则更新采集点1的显示数据。若不需要显示,则判断是否需要显示采集点2的信息,如果需要则更新采集点2的数据,否则判断完节点数据是否需要报警后,将继续判断是否更新采集点1数据。主程序流程图如图5所示。

图5 接收端主程序流程图

图5 环境危险警报短信示意图

图6 汽车被盗短信示意图

4 系统调试

接收端上电后即可接收到采集端的GPS定位、土壤湿度、液位值以及倾角信息。升高水杯里的水位,可以发现采集到的液位值、土壤湿度都随之增大。采集端处于水平放置,并从3个方向翻转进行测试用来模拟山区地理环境,并计算其误差。系统平均误差为0.76%,符合设计要求。

5 结束语

本次基于TC264单片机的山体滑坡预警系统的设计主要通过两大基础模块的设计完成整体的规划,其中液位传感器、土壤湿度传感器等传感器用于采集数据,并通过GPS进行实时定位,NRF无线组网和GPRS完成实时传输和远程监控,最后使用SIM芯片进行报警处理。通过一系列的组合调试后本设计的功能基本实现,且设计简练易操作,适用性强,成本损耗低。

在本设计的基础上仍有可改进的地方,例如在数据接收端可采用报警制动的方法以达到简单的紧急处理措施开展;也可以在定位系统上做进一步优化,例如选择北斗导航作为总支持目标,使得定位更加精准和及时。由于客观条件限制,本设计在山体滑坡预警系统的基本范例上进行了一些改进和创新,提高了预警系统的可调性和耐久性,于设计问题的提出也具有一定的安全保障意义和参考价值。