電磁波泥水位監測系統設計及應用

作者 / 董翰川^1,2 龐麗麗^1,2 宋繼武^1,2   1中國地質(zhì)調查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調查中心(河北 保定 071051) 2國土資源部地質(zhì)環(huán)境監測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室(河北 保定 071051)

*基金項目：京津唐張交通廊道規劃建設區1:5萬(wàn)環(huán)境地質(zhì)調查(編號：DD20160232)

董翰川(1985 -)，男， 工學(xué)碩士，工程師，研究方向：地質(zhì)災害監測技術(shù)。

摘要：設計了一個(gè)基于電磁波原理的泥水位監測系統，系統以PIC32MX和ADS1256芯片為核心，選用基于電磁波原理的雷達物位傳感器完成泥石流泥水位感知，能夠遠程設定數據采集頻度、根據設定閾值自動(dòng)增加數據采集頻率。系統具有GPRS和北斗兩種傳輸模式，能夠在GPRS信號微弱情況下自動(dòng)切換到北斗數據傳輸模式，有效保證了數據傳輸的可靠性。闡述了系統的工作原理和軟硬件設計思路，并在張家口市崇禮區三道營(yíng)村廟兒溝進(jìn)行了野外應用。

0 引言

　　我國是一個(gè)多山國家，山地面積約占全國土地面積的69%，山區常見(jiàn)的崩塌、滑坡、泥石流、巖溶塌陷等山區地質(zhì)災害給當地村民的生活造成了嚴重影響。其中，泥石流具有發(fā)生突然、歷時(shí)短暫、來(lái)勢兇猛和破壞力強等特點(diǎn)，而成為最有影響力的災害之一，對泥石流進(jìn)行監測和預報成為防治地質(zhì)災害發(fā)生的一個(gè)重要環(huán)節^[1-2]。泥石流自上而下可分為形成區、流通區和堆積區三個(gè)階段^[3]?；谀嗍鳟a(chǎn)生、運動(dòng)和危害三個(gè)階段的特點(diǎn)，對泥石流泥水位的監測和分析成為泥石流監測的重要手段^[4]。

1 泥水位監測系統概況及原理

1.1 概況

　　泥水位監測系統是針對泥石流地質(zhì)災害專(zhuān)業(yè)監測的設備，實(shí)時(shí)監測泥石流發(fā)生過(guò)程泥水位的高度，根據泥水位設定閾值自動(dòng)增加采集密度，并將監測數據實(shí)時(shí)傳輸到監控平臺。泥水位監測數據自動(dòng)保存在本地存儲卡上，可作為泥石流泥水位數據研究分析。設備采用太陽(yáng)能蓄電池浮充方式進(jìn)行供電，能夠自身提供能源動(dòng)力。受中國地質(zhì)調查局地質(zhì)調查項目“京津唐張交通廊道規劃建設區1:5萬(wàn)環(huán)境地質(zhì)調查”資金支持，該監測系統目前已安裝在張家口市崇禮區三道營(yíng)村廟兒溝泥石流溝進(jìn)行野外試驗。

1.2 電磁波監測技術(shù)

　　泥石流發(fā)生時(shí)通常伴有泥流、水流和石流，以往的超聲波監測方法常常由于溝底不平整而無(wú)法接收反射波，導致無(wú)法捕捉泥水位數據。電磁波具有傳播速度快、不受反射物形狀影響等特性^[5]，微波脈沖從雷達天線(xiàn)發(fā)射出來(lái)，以光速在空間傳播，通過(guò)泥石流溝底反射回來(lái)并被雷達接收，脈沖信號發(fā)射與接收之間的時(shí)間差和光速的乘積為兩倍于泥石流泥水位，從而計算出泥石流泥水位值。電磁波信號在空間中的傳播速度為光速，通常在測量距離時(shí)，發(fā)射脈沖與接收脈沖的時(shí)間差極短，只有納秒量級，設備采用先進(jìn)的等效采樣方法^[6]將原本納秒級的時(shí)間間隔準確地測量出來(lái)，從而實(shí)現對距離的準確測量。

1.3 監測原理

　　泥石流泥水位監測系統采用雷達物位傳感器感知泥石流泥水位的變化，系統將采集到的實(shí)際泥水位值轉化為電壓信號，泥水位電壓原始信號經(jīng)過(guò)信號調理電路后送入A/D采樣電路，將模擬電壓信號轉換為PIC32MX能夠識別的數字信號，經(jīng)單片機數據處理后計算出泥水位值。完成一次數據采集后，系統將監測數據通過(guò)GPRS/北斗無(wú)線(xiàn)傳輸到監測平臺，同時(shí)保存到本地SD存儲卡上做備份。電磁波泥水位監測系統監測原理圖如圖1所示。

2 監測系統硬件設計

　　泥水位監測系統的核心部件是單片機PIC32MX芯片，單片機完成監測數據的采集、計算和各個(gè)電路部分的邏輯控制。監測系統硬件由以下幾個(gè)部分組成：信號調理電路、A/D模數轉換電路、本地存儲電路、供電電路和GPRS/北斗[9]通信電路。這些電路協(xié)同工作，完成泥石流泥水位的采集、轉換、處理、存儲和傳輸，實(shí)現泥石流泥水位的監測。

2.1 信號調理電路

　　為去除泥水位監測過(guò)程中高頻波的干擾，系統在電路上設計了有緣二階低通濾波電路，如圖2所示。增加TS912集成運算放大器組成有緣濾波，能夠更好地濾除大于高頻干擾波，使采集更準確。在TS912輸出端并聯(lián)一個(gè)精密電阻，將電壓信號轉換為A/D芯片能夠接受的電壓范圍后輸入給數據采集單元。

2.2 A/D模數轉換電路

　　系統硬件數據采集部分的模數轉換器選用ADS1256芯片，該芯片具有24位分辨率、采樣速率達30 kHz，具有8個(gè)模擬量輸入通道，采用5 V和3.3 V雙電源供電模式，使用方便且能夠滿(mǎn)足系統對高精度、低功耗、抗干擾的要求。模數轉換電路如圖3所示。

2.3 供電電路

　　系統的能源供給采用太陽(yáng)能浮充方式給12 V鉛酸蓄電池充電，電路中對12 V電壓分別做轉換處理，得到5 V和3.3 V電壓，供給PIC單片機和A/D轉換器等使用。系統的供電部分主要是CPU的供電、A/D芯片的供電及雷達物位傳感器的供電。PIC單片機需要3.3 V電壓供電，硬件上采用LTC3631芯片，可穩定輸出3.3 V電壓，保證CPU穩定工作。ADS1256需要5 V電壓供電，硬件采用LP3878-ADJ芯片進(jìn)行轉換得到5 V電壓，該芯片可由邏輯時(shí)序程序控制工作時(shí)間。雷達物位傳感器工作于大電流電壓，為此，電路上使用LM2596，該芯片可輸出高達3 A的電流，保證了雷達物位傳感器的正常工作。供電電路如圖4、圖5、圖6所示。

2.4 數據存儲電路

　　泥石流泥水位監測數據對于泥石流的發(fā)育狀況有著(zhù)重要的參考價(jià)值，為了保證監測數據的完整性，監測系統采集的泥水位數據除傳輸到監測平臺外，在硬件上設計了本地存儲功能，將監測數據存儲在本地SD卡內，存儲容量為4 GB，按2小時(shí)采集一次數據計算，可存儲2年的數據。

2.5 GPRS/北斗傳輸電路

　　泥水位監測系統的數據傳輸采用GPRS和北斗2種傳輸方式。系統在GPRS^[7-8]以太網(wǎng)傳輸上設計了傳輸模塊電路，選用MC52i傳輸模塊，將電信、移動(dòng)、聯(lián)通手機通信卡插入SIM卡座進(jìn)行數據傳輸。系統在硬件電路設計上留有2個(gè)RS232通信接口，便于和北斗終端連接。

3 系統軟件設計

　　系統軟件在野外的數據采集中完成了系統硬件的初始化、數據的采集、本地存儲和傳輸等，它是所有設備中的控制中樞，系統軟件的設計流程如圖7所示。先進(jìn)行終端硬件的初始化，啟動(dòng)ADS1256進(jìn)行數據采集，采集完成后進(jìn)行本地存儲，隨后根據通信標志位自動(dòng)選擇數據傳輸模式。通信標志位為1，則GPRS傳輸，否則北斗傳輸。數據傳輸過(guò)程中接收監測平臺反饋信息，接收到反饋信息則表明監測數據發(fā)送成功，至此一個(gè)采集過(guò)程結束。進(jìn)行監測數據的傳輸時(shí)，需要進(jìn)行通訊模塊的初始化設置，校驗用戶(hù)名和密碼(可選)，設置TCP/IP 的地址與端口等。初始化時(shí)，需要MCU通過(guò)串行口按順序給模塊發(fā)送以下AT 指令，設置模塊及網(wǎng)絡(luò )工作參數。初始化程序如下：

　　at^sics=0,conType,GPRS0 // 設置GPRS 工作模式

　　at^sics=0,user,cm // 用戶(hù)名稱(chēng) (可選)

　　at^sics=0,passwd,gprs // 密碼 (可選)

　　at^sics=0,apn,cmnet // 網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)名稱(chēng)

　　at^siss=1,srvType,socket // 設置服務(wù)類(lèi)型為socket

　　at^siss=1,conId,0 // I.D.

　　at^siss=1,address,"socktcp://219.238.229.74:3000" // 設置服務(wù)器地址及端口

　　at^siso=1 // 打開(kāi)端口，開(kāi)始工作

4 野外應用試驗

　　泥水位監測系統野外應用試驗點(diǎn)選擇在2022年冬奧會(huì )雪上項目舉辦地張家口市崇禮區的三道營(yíng)村廟兒溝，該溝總長(cháng)度1.3 km，主溝寬度10 m，夏季由于雨水沖刷容易導致溝內石塊堆積，威脅著(zhù)溝口三道營(yíng)村村民的生命財產(chǎn)安全。圖8是監測系統的野外安裝試驗圖，主要包括泥水位監測系統支護設施、監測機箱、太陽(yáng)能供電系統、避雷針系統、雷達物位傳感器，系統采集和傳輸設備存放于機箱內做到防水。經(jīng)過(guò)2017年8月7日到8月12日連續六天數據監測，得到廟兒溝泥水位監測數據曲線(xiàn)如圖9所示，橫坐標為監測系統監測時(shí)間，縱坐標為監測泥水位數據，六天監測過(guò)程中未出現降雨，溝內泥水位未發(fā)生變化情況。

5 結論

　　研制的電磁波泥水位監測系統用于泥石流地質(zhì)災害泥水位的監測，通過(guò)野外實(shí)際運行試驗和取得的泥水位監測數據可知，監測系統能夠正確反映泥石流泥水位值，并在泥水位發(fā)生變化時(shí)自動(dòng)增加采集頻率，較真實(shí)反映泥石流發(fā)生情況，為泥石流地質(zhì)災害的研究及冬奧會(huì )的順利舉辦提供技術(shù)支撐。

　　參考文獻：

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第4期第33頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。