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《電子器件雜志》2014年第三期

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1預(yù)警系統(tǒng)終端機(jī)山體滑坡預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端機(jī)由各種水文、氣象傳感器模塊(三軸加數(shù)度陀螺儀，GPS模塊)、無線通信模塊、電源模塊和主控制器模塊組成。圖2為線、角加速度采集傳輸模塊連接框圖，圖3為位移采集傳輸模塊連接框圖。

1．1．1線、角加速度采集傳輸模塊主要用到的模塊有:主控制模塊(STC12C5A60S2)、三軸加速度陀螺儀模塊(MPU－6050)、無線傳輸模塊(SIM300)。(1)主控制模塊所采用的主控制芯片是STC12C5A60S2。它是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)［7］，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8倍～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10bitA/D轉(zhuǎn)換(250ksample/s，即25萬次/s)，兩個(gè)串口。在對(duì)線、角加速度采集傳輸設(shè)計(jì)中只是把它作為普通的51單片機(jī)來使用(單串口)。(2)三軸加數(shù)度陀螺儀模塊采用的芯片是MPU－6050，MPU－60X0系列是全球首例9軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP(DigitalMotionProcessor)。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為±250°/s、±500°/s、±1000°/s、±2000°/s(%dps)，加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8，±16gn(重力加速度)。(3)無線傳輸模塊本設(shè)計(jì)采用的GPRS通信模塊為SIM300。SIM300是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS雙頻模塊，支持TCP/IP協(xié)議、三頻/四頻/GSM/GPRS，支持PDU模式和文本模式的短消息傳送，支持?jǐn)?shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸，使用時(shí)更加方便靈活。GPRS通訊適用于間斷的、突發(fā)性的或少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，且具有實(shí)時(shí)在線，按量收費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)［8］。在該設(shè)計(jì)中，GPRS模塊的接口信號(hào)端GRX、GXD分別與STC12C5A60S2的RxD、TxD連接，如圖2所示。當(dāng)主控制模塊和GPRS模塊啟動(dòng)后，MCU通過串口直接向GPRS模塊發(fā)送AT指令使其接入GPRS網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。其內(nèi)容包括波特率、網(wǎng)關(guān)、GPRS模塊的類別、測(cè)試GPRS服務(wù)是否開通等。

1．1．2位移采集傳輸模塊主要用到的模塊有主控制模塊(STC12C5A60S2)、全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊、無線傳輸模塊(SIM300)。在對(duì)位移采集傳輸設(shè)計(jì)中使用了STC12C5A60S2的雙串口功能。MCU將從串口1傳輸?shù)腉PS數(shù)據(jù)解析后，經(jīng)過串口2數(shù)據(jù)傳給SIM300。該設(shè)計(jì)中，GPRS模塊的接口信號(hào)端GRX、GXD分別與STC12C5A60S2的RxD(2)、TxD(2)連接。全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊采用的芯片為u－blox公司生產(chǎn)的NEO－6M－0－001。捕獲冷啟動(dòng)29s，溫啟動(dòng)27s，輔助啟動(dòng)＜3s，熱啟動(dòng)＜1s，靈敏度:捕獲－162dBm，跟蹤－147dBm，冷啟動(dòng)－146dBm。GPS模塊的Tx、Rx端分別與STC12C5A60S2的RxD、TxD相連，如圖3所示。

1．1．3電源模塊由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)終端機(jī)分布在野外，供電較困難，終端機(jī)采用蓄電池供電，蓄電池容量大、自放電率低，并采用太陽能板對(duì)其進(jìn)行涓流充電，可以保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。本設(shè)計(jì)中采用的是9V\2．3W的太陽能板，6V\4A的蓄電池，以及AMS1117－5．0電源穩(wěn)壓模塊，連接圖如圖4所示。圖中的二極管是防止蓄電池對(duì)太陽能板進(jìn)行反充電。蓄電池的實(shí)際電壓為6．7V，經(jīng)過AMS1117－5．0電源穩(wěn)壓模塊后在OUT+\－端輸出5V電壓，可以為單片機(jī)、GPRS模塊、GPS模塊供電1．2預(yù)警平臺(tái)本設(shè)計(jì)中，預(yù)警平臺(tái)是通過短信和報(bào)警器的播報(bào)方式通知相關(guān)人員的。用到的硬件有:單片機(jī)STC89C52、無線傳輸模塊(SIM300)、報(bào)警器ES－626、手機(jī)。其中STC89C52與SIM300模塊的連接方式與圖2一樣。選用的報(bào)警器可工作在6V～12V之間，在12V時(shí)，可達(dá)到120dB的聲音。它是由繼電器對(duì)其進(jìn)行控制的，繼電器是通過達(dá)林頓管(ULN2003)來驅(qū)動(dòng)的。繼電器的‘1’為常開端口，‘3’為常閉端口。原理圖如圖5所示。通過MCU(STC89C52)對(duì)LED1、LED2、繼電器進(jìn)行控制。在報(bào)警前，LED2(綠燈)亮，LED1(紅燈)滅，繼電器處于常閉狀態(tài)，報(bào)警器不工作;當(dāng)接收到監(jiān)控系統(tǒng)控制站的報(bào)警指令后，LED2滅，LED1亮，繼電器處于常開狀態(tài)，報(bào)警器工作，且手機(jī)會(huì)收到一條預(yù)警短信。本設(shè)計(jì)選擇的實(shí)驗(yàn)滑坡采集點(diǎn)有三處，標(biāo)記為1、2、3號(hào)地區(qū)。短信內(nèi)容如圖6所示，提醒相關(guān)人員做好防范。

1．3監(jiān)控系統(tǒng)控制站監(jiān)控系統(tǒng)控制站，主要負(fù)責(zé)將終端機(jī)傳送過來的加速度、位移數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示，判斷數(shù)據(jù)是否達(dá)到預(yù)警門限值，如果達(dá)到門限值時(shí)就會(huì)發(fā)送一條指令給預(yù)警平臺(tái)，預(yù)警平臺(tái)將會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置。本設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件是借助于網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手這款軟件。它支持UDP，TCP協(xié)議，集成TCP服務(wù)器和客戶端;可以自動(dòng)發(fā)送校驗(yàn)位，支持多種校驗(yàn)格式;支持間隔發(fā)送，循環(huán)發(fā)送，批處理發(fā)送等功能。圖7為監(jiān)控終端接收到的放大256倍的線、角加速度數(shù)據(jù)。其中A后面的3個(gè)數(shù)據(jù)分別表示X、Y、Z軸的線加速度，單位為gn(重力加速度)，G后面的3個(gè)數(shù)據(jù)分別表示X、Y、Z三軸旋轉(zhuǎn)方向的角加速度，單位為°/s。圖8為監(jiān)控終端收到的GPS位移數(shù)據(jù)。例如圖8中第1行數(shù)據(jù)，設(shè)為A點(diǎn)“h:36．6N:325249E:1194821t:33”，它表示該滑坡采集地處于高度36．6，北緯32°52''''49″，東經(jīng)119°48''''21″的位置。t為北京時(shí)間的秒，前后t相減就得到了采集間隔時(shí)間Δt=21s。如果數(shù)據(jù)變?yōu)锽點(diǎn)，處于高度5．2，北緯32°52''''51″，東經(jīng)119°48''''19″的位置。那么A、B兩處距離將通過下面方法進(jìn)行計(jì)算。

2結(jié)論

本設(shè)計(jì)對(duì)山體位移、加速度信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保了預(yù)警的準(zhǔn)確性;預(yù)警平臺(tái)的設(shè)計(jì)大大方便了預(yù)警的播報(bào);采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)保證了監(jiān)控站可以在無限遠(yuǎn)處設(shè)立，利于遠(yuǎn)程監(jiān)控。本設(shè)計(jì)在經(jīng)過實(shí)地驗(yàn)證后，能夠及時(shí)、可靠地對(duì)滑坡災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行預(yù)警，有效地解決了有線傳輸及人工播報(bào)方式的缺陷。

作者：陳煒峰席萬強(qiáng)周峰劉云平單位：南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院南京易周能源科技有限公司