趙燕燕

摘 要：地震動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)是通過前端傳感系統(tǒng)檢測環(huán)境中的震動信號，對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理，以確定環(huán)境中目標(biāo)對象的物理信息等。文章以單片機(jī)為基礎(chǔ)，對震動數(shù)據(jù)實(shí)時采集進(jìn)行研究探討。系統(tǒng)利用傾角、液位傳感器、控制電路、GPRS無線傳輸及電源模塊等組成，對易發(fā)生山體滑坡地區(qū)實(shí)時信息采集與監(jiān)測。該系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)、無線控制，適用于滑坡多發(fā)事故區(qū)的地震動測試試驗(yàn)場合。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；震動數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集；山體滑坡

中圖分類號：TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0017-02

Abstract： The task of the seismic data acquisition system is to detect the seismic signal in the environment through the front-end sensor system and process the obtained data in real time in order to determine the physical information of the target object in the environment. Based on the single-chip microcomputer， the real-time acquisition of vibration data is studied and discussed in this paper. The system makes use of dip angle， liquid level sensor， control circuit， GPRS wireless transmission and power module to collect and monitor the real-time information of landslide prone areas. The system has strong anti-interference and wireless control， and is suitable for testing and testing ground motion in the area with frequent landslide accidents.

Keywords： single chip microcomputer； vibration data； data acquisition； landslide

1 概述

我國地域遼闊，地形地勢復(fù)雜多樣。很多地區(qū)由于植被的破壞導(dǎo)致水土流失，其山體土坡在暴雨潮濕天氣極易發(fā)生山體滑坡事故，給我們的財產(chǎn)生命安全和公路交通帶來巨大的威脅。我們無力阻止災(zāi)害的發(fā)生，但是我們可以采取一定的手段來減緩危害，這就要求我們要自然災(zāi)害有著一定的“預(yù)知”。事實(shí)上，有些自然災(zāi)害的發(fā)生是有前兆的，我們可根據(jù)收集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行回避[1]。我國幅員遼闊，如果單靠人力監(jiān)控不太現(xiàn)實(shí)。為及早發(fā)現(xiàn)滑坡降低損失，需要建立地質(zhì)災(zāi)害檢測預(yù)警系統(tǒng)工程，數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)在這樣的環(huán)境之中的作用尤為重要。

因此，可以在一些易滑坡地點(diǎn)安置傳感器，一旦出現(xiàn)滑坡前兆，傳感器即可發(fā)出報警信號，可根據(jù)信號的不同判斷滑坡程度的大小，及早發(fā)現(xiàn)滑坡，及時撤離滑坡區(qū)域人員，最大程度避免滑坡造成的生命財產(chǎn)損失。因此，本文提出以單片機(jī)為基礎(chǔ)，采用傾角傳感器檢測現(xiàn)場環(huán)境的震動數(shù)據(jù)[2]，構(gòu)建實(shí)時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從而進(jìn)行滑坡地質(zhì)災(zāi)害的檢測研究。

2 總體設(shè)計

本文設(shè)計的主要思想是首先通過多種靈敏度比較高的傳感器，采集到地質(zhì)災(zāi)害所產(chǎn)生的微弱的山體或者巖石等的變化信號，經(jīng)過變換傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制單元，并通過無線傳輸將采集到的數(shù)據(jù)送到上位機(jī)進(jìn)行分析處理，并作出判斷顯示狀態(tài)信息。若有異?，F(xiàn)象，則啟動報警設(shè)備，進(jìn)入警示狀態(tài)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

山體滑坡的監(jiān)測主要依靠兩種傳感器的作用，即液位傳感器和傾角傳感器。在山體容易發(fā)生危險的區(qū)域，沿著山勢走向豎直設(shè)置多個孔洞。每個孔洞在最下端部署一個液位傳感器，在不同深度部署多個傾角傳感器。根據(jù)造成山體滑坡主要因素，確定地下水位深度為顯示山體滑坡危險度的第一指標(biāo)，由液位傳感器采集并由無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。通過傾角傳感器可監(jiān)測山體的運(yùn)動狀況，山體由多層土壤或巖石組成，不同層次間由于物理構(gòu)成和侵蝕程度不同，其運(yùn)動速度不同。發(fā)生這種現(xiàn)象時，部署在不同深度的傾角傳感器將會返回不同的傾角數(shù)據(jù)。

部署的傳感器將環(huán)境的液位、角度信號轉(zhuǎn)化成為對應(yīng)的電信號，經(jīng)信號調(diào)理電路變化之后得到的電信號傳送給單片機(jī)，并進(jìn)行控制、采集及保存信息，采集到的信息將會通過單片機(jī)的串口通信與GPRS無線發(fā)送模塊進(jìn)行無線傳輸，上位機(jī)PC機(jī)可接收到從無線模塊發(fā)送過來的信號，通過串口模塊與其進(jìn)行連接，使PC機(jī)實(shí)時的了解地質(zhì)的最新狀況，若有地質(zhì)災(zāi)害情況則進(jìn)行災(zāi)害預(yù)警。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 前端探測部分

傾角傳感器可監(jiān)測山體的運(yùn)動狀況，本文選取一款小尺寸、低功耗、三軸加速度傳感器ADXL327，可用來測量土坡傾斜的靜態(tài)加速度，以及運(yùn)動、沖擊或震動導(dǎo)致的動態(tài)加速度，可及時有效的采集山體滑坡動態(tài)信息[3]。其雨量的檢測，選用PTP601防雷投入式液位傳感器[4]，該傳感器平穩(wěn)性高，可預(yù)防雷擊，靈敏度高，具有良好防潮性，適合于對地底下的水位測量與控制。當(dāng)液位傳感器測量得到水壓后，可算得此時液體的水位，進(jìn)行此數(shù)據(jù)的采集。其輸出信號，可以經(jīng)過簡單的信號調(diào)理后送入C8051F020進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

3.2 控制單元部分

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，單片機(jī)作為硬件控制核心芯片，主要用來控制數(shù)據(jù)的采集工作。根據(jù)控制要求和環(huán)境因素，系統(tǒng)單片機(jī)選用低功耗、大容量、自帶A/D轉(zhuǎn)換的C8051F020芯片。C8051F020處理器采用高速8051微控制器內(nèi)核，指令結(jié)構(gòu)為流水線方式，執(zhí)行指令速度可達(dá)25MIPS，具有4K+256字節(jié)的RAM，64K flash ROM，省去了外擴(kuò)ROM，簡化了電路設(shè)計，也節(jié)省了CPU資源。C8051F020處理器具有8組8位I/O口，所有端口均耐5V電壓，可按需將端口設(shè)置為I/O總線和I/O口使用，方便系統(tǒng)的構(gòu)成和軟件編程。

本文通過傳感器對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過信號調(diào)理電路進(jìn)行放大與處理，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以接收的標(biāo)準(zhǔn)信號，送入到單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，將其轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號信息保存到單片機(jī)的RAM中，在上位機(jī)發(fā)出讀取數(shù)據(jù)命令時，將數(shù)據(jù)打包后通過串口電路發(fā)送至GPRS模塊，無線傳送到上位機(jī)。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸部分

本文設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為上位機(jī)及下位機(jī)兩個部分，其中上位機(jī)是PC機(jī)，主要用于用戶對監(jiān)測機(jī)進(jìn)行檢測與控制，下位機(jī)是單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中上位機(jī)與下位機(jī)的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄖ饕遣捎肎PRS來進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的傳送，其傳輸簡單、可靠、穩(wěn)定，系統(tǒng)通過RS232串口與GPRS模塊連接。

GPRS模塊選用西門子MC52iR3，它具有低功耗模式，在休眠模式下工作電流僅為3mA，支持TCP/IP協(xié)議棧，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以TCP/IP數(shù)據(jù)包方式將現(xiàn)場采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的上位機(jī)。

3.4 電源部分

此設(shè)計需要給各個模塊都提供穩(wěn)定、固定的電源電壓，系統(tǒng)的電源電壓有220V、24V、5V、3.3V。其中，上位機(jī)是放置監(jiān)測房中的，故可用220V的交流電直接對其進(jìn)行供電；工作在野外環(huán)境的傳感器部分，作為采集地質(zhì)災(zāi)害的主要采集工具，可選擇采用24V的鉛蓄電池，對液位傳感器PTP601直接進(jìn)行供電。電源24V經(jīng)DC28S5電源模塊變換后輸出+5V為串口通信模塊供電，經(jīng)三端穩(wěn)壓器LT1117-3.3 變換后輸出+3.3V，為單片機(jī)C8051F020和傾角傳感器ADX327供電。

4 軟件設(shè)計

在本設(shè)計中，首先系統(tǒng)自檢，由上位機(jī)向下位機(jī)下發(fā)狀態(tài)查詢指令，對下位機(jī)如：單片機(jī)的工作溫度、電池的電壓等參數(shù)進(jìn)行查看；其次，在正常狀態(tài)下，由上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送系統(tǒng)初始化指令，完成相應(yīng)參數(shù)初始化設(shè)置，使多個下位機(jī)同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集狀態(tài)；最后，采用定時器查詢方式讀取采集到的數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)一直進(jìn)行循環(huán)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線監(jiān)測，其系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

5 結(jié)束語

本文基于山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，采用三軸加速度傳感器和液位傳感器采集數(shù)據(jù)，利用C8051F020單片機(jī)內(nèi)部資源實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、實(shí)時數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)通過GPRS無線傳輸?shù)竭h(yuǎn)程上位機(jī)，這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對山區(qū)山體滑坡的在線監(jiān)測、及時預(yù)警，具有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]周發(fā)江.地震危害及地震預(yù)警研究[J].改革與開放，2010（4）：108.

[2]付小寧，嚴(yán)正國.加速度過阻尼地震檢波器測量的研究[J].傳感器技術(shù)，2004，23（9）：16-17.

[3]宗赤.基于加速度傳感器的地震檢波器設(shè)計[J].新器件新技術(shù)，2011（1）：49-51.

[4]鐘惠琴.基于S3C2440的礦井智能水位監(jiān)測儀的設(shè)計[J].工礦自動化，2010（4）：76-79.