陳盼　陳健

摘 要：伴隨著全球氣候變暖，冰凍圈雪崩災(zāi)害潛在風(fēng)險(xiǎn)逐漸增加，雪崩災(zāi)害已受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。雪崩摧毀森林和度假勝地，會(huì)給當(dāng)?shù)氐穆糜谓?jīng)濟(jì)造成非常大的影響，大型雪崩會(huì)掩埋山下居民的房屋，甚至活埋當(dāng)?shù)鼐用瘛Ｓ纱丝梢?，?duì)雪崩的監(jiān)測(cè)和預(yù)警顯得尤為重要。本文介紹了一種基于陀螺儀傳感器和GPS的新型監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可以有效的對(duì)雪崩進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

關(guān)鍵詞：雪崩；監(jiān)測(cè)；預(yù)警；陀螺儀

1 引言

雪崩是指覆雪處于一種“危險(xiǎn)”的平衡狀態(tài)下，如果稍微有外力作用，就會(huì)失去平衡，造成雪塊滑動(dòng)，進(jìn)而引起更多的覆雪運(yùn)動(dòng)，使大量的積雪瞬間傾盆而下的現(xiàn)象。雪崩既是一種奇特的自然景象，又是一種破壞巨大的自然災(zāi)害。雪崩發(fā)生時(shí)從部分雪體開始，范圍迅速蔓延，終至于大量覆雪瞬間傾盆而下，削山丘而平溝壑，令地貌為之一變，擁有驚人的破壞力。

國內(nèi)外研究成果簡(jiǎn)介：目前，國內(nèi)外研究人員在雪崩形成機(jī)制、拋程、動(dòng)態(tài)模擬、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與區(qū)劃、預(yù)防與防治等領(lǐng)域取得了較大進(jìn)展。

2 設(shè)計(jì)思路

為了對(duì)雪崩進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，設(shè)計(jì)出了一種基于GPS，陀螺儀傳感器，超聲波脈沖以及單片機(jī)等模塊的雪崩監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠提高監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和使預(yù)警更加智能化，能有效的預(yù)防雪崩對(duì)人類生活帶來的不利影響。同時(shí)該系統(tǒng)還可以在雪崩發(fā)生后對(duì)陀螺儀采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出雪體的運(yùn)動(dòng)速度和方向。

3 設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)由GPS，陀螺儀傳感器，超聲波雪深傳感器模塊，GPRS通信模塊，單片機(jī)模塊以及電源模塊組成，各模之間相互配合工作，想預(yù)警中心發(fā)送實(shí)時(shí)采集的山體積雪信息，并對(duì)雪崩做出預(yù)警和數(shù)據(jù)采集。

3.1 陀螺儀傳感器模塊

陀螺儀是一種用來傳感與維持方向的裝置，基于角動(dòng)量守恒的理論設(shè)計(jì)出來的，陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn)，由于輪子的角動(dòng)量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。因此根據(jù)陀螺儀傳感器采集到的雪體的加速度和位移數(shù)據(jù)可以判斷出是否有發(fā)生雪崩的可能。當(dāng)陀螺儀傳感器采集的雪體運(yùn)動(dòng)很微弱時(shí)，可以得出雪體處于受力比較穩(wěn)定的狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生雪崩；反之，當(dāng)采集的雪體運(yùn)動(dòng)很劇烈時(shí)，就可以判斷出將要或者已經(jīng)發(fā)生雪崩。同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過分析以后可以得出雪體運(yùn)動(dòng)的方向和速度，計(jì)算出人們可以逃生的時(shí)間，為人們逃生提供參考。

3.2 超聲波雪深傳感器模塊

超聲波雪深傳感器模塊是應(yīng)用超聲波在聲阻抗不同的兩種物質(zhì)界面上產(chǎn)生反射的性質(zhì)測(cè)量界面距離的原理來測(cè)量雪的深度。它由發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖，傳到目標(biāo)經(jīng)反射后返回接收器，測(cè)出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時(shí)間。由此便可計(jì)算出積雪深度，用公式表示：D=H-0.5Vt。式中：D為積雪深度；H為超聲波傳感器安裝高度；V為超聲波在空氣中的傳播速度；t為超聲波往返時(shí)間。

根據(jù)超聲波雪深傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)，通過分析處理可以得出發(fā)生雪崩積雪的深度，從而判斷出雪崩的等級(jí)及破壞力大小，為是否需要疏散居民提供依據(jù)。

3.3 GPS模塊

一旦發(fā)生雪崩GPS模塊能夠提供發(fā)生雪崩的具體位置，人們根據(jù)位置信息判斷該地區(qū)有無人居住和活動(dòng)，從而確定是否要發(fā)出預(yù)警和進(jìn)行救援。

3.4 單片機(jī)模塊

單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

在該系統(tǒng)中單片機(jī)模塊將陀螺儀傳感器模塊和超聲波雪深傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理分析，得出是否發(fā)生雪崩，雪深，雪速等信息。然后控制GPRS通信模塊將得到的信息傳送給監(jiān)測(cè)中心部門，供人們作出一系列決定。

3.5 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊采用高性能工業(yè)級(jí)無線模塊及嵌入式處理器，以實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件支撐平臺(tái)，為用戶提供高速，穩(wěn)定可靠，永遠(yuǎn)在線的透明數(shù)據(jù)傳輸通道。利用該模塊通過通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行信息傳遞，將單片機(jī)模塊處理分析后得到的數(shù)據(jù)和GPS模塊采集到的數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心，達(dá)到通信和數(shù)據(jù)傳遞的功能。

3.6 電源模塊

由于該系統(tǒng)終端機(jī)分布在野外，供電較困難，所以終端機(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，可以及時(shí)補(bǔ)充蓄電池的消耗，延長(zhǎng)供電時(shí)間，使該系統(tǒng)能夠全天工作，實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警。

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