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中國地質調查局水文地質環境地質調查中心(河北 保定 071051) 2國土資源部地質環境監測技術重點實驗室(河北 保定 071051)

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201803/377629.htm

*基金項目：京津唐張交通廊道規劃建設區1:5萬環境地質調查(編號：DD20160232)

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

摘要：設計了一個基於電磁波原理的泥水位監測系統，系統以PIC32MX和ADS1256晶片為核心，選用基於電磁波原理的雷達物位傳感器完成泥石流泥水位感知，能夠遠程設定數據採集頻度、根據設定閾值自動增加數據採集頻率。系統具有GPRS和北鬥兩種傳輸模式，能夠在GPRS信號微弱情況下自動切換到北鬥數據傳輸模式，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體設計思路，並在張家口市崇禮區三道營村廟兒溝進行了野外應用。

0 引言

　　我國是一個多山國家，山地面積約佔全國土地面積的69%，山區常見的崩塌、滑坡、泥石流、巖溶塌陷等山區地質災害給當地村民的生活造成了嚴重影響。其中，泥石流具有發生突然、歷時短暫、來勢兇猛和破壞力強等特點，而成為最有影響力的災害之一，對泥石流進行監測和預報成為防治地質災害發生的一個重要環節^[1-2]。泥石流自上而下可分為形成區、流通區和堆積區三個階段^[3]。基於泥石流產生、運動和危害三個階段的特點，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災害專業監測的設備，實時監測泥石流發生過程泥水位的高度，根據泥水位設定閾值自動增加採集密度，並將監測數據實時傳輸到監控平臺。泥水位監測數據自動保存在本地存儲卡上，可作為泥石流泥水位數據研究分析。設備採用太陽能蓄電池浮充方式進行供電，能夠自身提供能源動力。受中國地質調查局地質調查項目「京津唐張交通廊道規劃建設區1:5萬環境地質調查」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村廟兒溝泥石流溝進行野外試驗。

1.2 電磁波監測技術

　　泥石流發生時通常伴有泥流、水流和石流，以往的超聲波監測方法常常由於溝底不平整而無法接收反射波，導致無法捕捉泥水位數據。電磁波具有傳播速度快、不受反射物形狀影響等特性^[5]，微波脈衝從雷達天線發射出來，以光速在空間傳播，通過泥石流溝底反射回來並被雷達接收，脈衝信號發射與接收之間的時間差和光速的乘積為兩倍於泥石流泥水位，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，發射脈衝與接收脈衝的時間差極短，只有納秒量級，設備採用先進的等效採樣方法^[6]將原本納秒級的時間間隔準確地測量出來，從而實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採用雷達物位傳感器感知泥石流泥水位的變化，系統將採集到的實際泥水位值轉化為電壓信號，泥水位電壓原始信號經過信號調理電路後送入A/D採樣電路，將模擬電壓信號轉換為PIC32MX能夠識別的數位訊號，經單片機數據處理後計算出泥水位值。完成一次數據採集後，系統將監測數據通過GPRS/北鬥無線傳輸到監測平臺，同時保存到本地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 監測系統硬體設計

　　泥水位監測系統的核心部件是單片機PIC32MX晶片，單片機完成監測數據的採集、計算和各個電路部分的邏輯控制。監測系統硬體由以下幾個部分組成：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/北鬥[9]通信電路。這些電路協同工作，完成泥石流泥水位的採集、轉換、處理、存儲和傳輸，實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程中高頻波的幹擾，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，能夠更好地濾除大於高頻幹擾波，使採集更準確。在TS912輸出端並聯一個精密電阻，將電壓信號轉換為A/D晶片能夠接受的電壓範圍後輸入給數據採集單元。

2.2 A/D模數轉換電路

　　系統硬體數據採集部分的模數轉換器選用ADS1256晶片，該晶片具有24位解析度、採樣速率達30 kHz，具有8個模擬量輸入通道，採用5 V和3.3 V雙電源供電模式，使用方便且能夠滿足系統對高精度、低功耗、抗幹擾的要求。模數轉換電路如圖3所示。

2.3 供電電路

　　系統的能源供給採用太陽能浮充方式給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晶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，硬體上採用LTC3631晶片，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，硬體採用LP3878-ADJ晶片進行轉換得到5 V電壓，該晶片可由邏輯時序程序控制工作時間。雷達物位傳感器工作於大電流電壓，為此，電路上使用LM2596，該晶片可輸出高達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於泥石流的發育狀況有著重要的參考價值，為了保證監測數據的完整性，監測系統採集的泥水位數據除傳輸到監測平臺外，在硬體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小時採集一次數據計算，可存儲2年的數據。

2.5 GPRS/北鬥傳輸電路

　　泥水位監測系統的數據傳輸採用GPRS和北鬥2種傳輸方式。系統在GPRS^[7-8]乙太網傳輸上設計了傳輸模塊電路，選用MC52i傳輸模塊，將電信、移動、聯通手機通信卡插入SIM卡座進行數據傳輸。系統在硬體電路設計上留有2個RS232通信接口，便於和北鬥終端連接。

3 系統軟體設計

　　系統軟體在野外的數據採集中完成了系統硬體的初始化、數據的採集、本地存儲和傳輸等，它是所有設備中的控制中樞，系統軟體的設計流程如圖7所示。先進行終端硬體的初始化，啟動ADS1256進行數據採集，採集完成後進行本地存儲，隨後根據通信標誌位自動選擇數據傳輸模式。通信標誌位為1，則GPRS傳輸，否則北鬥傳輸。數據傳輸過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送成功，至此一個採集過程結束。進行監測數據的傳輸時，需要進行通訊模塊的初始化設置，校驗用戶名和密碼(可選)，設置TCP/IP 的地址與埠等。初始化時，需要MCU通過串行口按順序給模塊發送以下AT 指令，設置模塊及網絡工作參數。初始化程序如下：

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

　　at^sics=0,user,cm // 用戶名稱 (可選)

　　at^sics=0,passwd,gprs // 密碼 (可選)

　　at^sics=0,apn,cmnet // 網絡接入點名稱

　　at^siss=1,srvType,socket // 設置服務類型為socket

　　at^siss=1,conId,0 // I.D.

　　at^siss=1,address,"socktcp://219.238.229.74:3000" // 設置伺服器地址及埠

　　at^siso=1 // 打開埠，開始工作

4 野外應用試驗

　　泥水位監測系統野外應用試驗點選擇在2022年冬奧會雪上項目舉辦地張家口市崇禮區的三道營村廟兒溝，該溝總長度1.3 km，主溝寬度10 m，夏季由於雨水衝刷容易導致溝內石塊堆積，威脅著溝口三道營村村民的生命財產安全。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、太陽能供電系統、避雷針系統、雷達物位傳感器，系統採集和傳輸設備存放於機箱內做到防水。經過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如圖9所示，橫坐標為監測系統監測時間，縱坐標為監測泥水位數據，六天監測過程中未出現降雨，溝內泥水位未發生變化情況。

5 結論

　　研製的電磁波泥水位監測系統用於泥石流地質災害泥水位的監測，通過野外實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，並在泥水位發生變化時自動增加採集頻率，較真實反映泥石流發生情況，為泥石流地質災害的研究及冬奧會的順利舉辦提供技術支撐。

　　參考文獻：

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　　[4]楊順,潘華利,王鈞,等.泥石流監測預警研究現狀綜述[J].災害學,2014(1):150-156.

　　[5]何忠良.電磁波層析成像技術的邊坡工程地質勘察研究[J].科技與創新,2017(6):153-155.

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　　[9]吳悅,任濤,王璇.基於北鬥短報文的泥石流監測預警系統[J].自動化與儀表.2014(3):19~22.

　　本文來源於《電子產品世界》2018年第4期第33頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。