王永杰 周國清 周叔一 張飆

摘 ?要： 針對現(xiàn)場和非現(xiàn)場滑坡監(jiān)測現(xiàn)狀，設計實現(xiàn)適用于降雨誘發(fā)型滑坡災害預警系統(tǒng)。系統(tǒng)由一個主控單元和多個預設不同傾角閾值的滑坡傳感器構成?；聜鞲衅髀袢肟赡芑碌默F(xiàn)場，主控單元安裝在附近人員家中或工作單位內。滑坡出現(xiàn)時達到傾角閾值，觸發(fā)滑坡傳感器供電并發(fā)射無線信號給主控單元，主控單元收到信號后啟動聲光報警器并發(fā)送手機短信給責任人。主控單元采用STM32微處理器和SIM900短信模塊實現(xiàn)滑坡地點和責任人信息設置和預警短信發(fā)送。系統(tǒng)軟件由μC/OS操作系統(tǒng)調度，實現(xiàn)了基于消息郵箱通信的多任務程序設計，采用有限狀態(tài)機解析短信內容能有效剔除垃圾短信。滑坡傳感器只在滑坡出現(xiàn)時供電，解決了傳感器長期供電難題。實驗結果表明：系統(tǒng)體積小、成本低、實用性強、適用于保護滑坡點附近人員的生命安全。

關鍵詞： 滑坡預警; 降雨型滑坡; 滑坡傳感器; 主控單元; 信息設置; 短信模塊; 系統(tǒng)設計

中圖分類號： TN911?34; TP301.6 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）20?0139?06

Design of warning system for rainfall induced landslide

WANG Yongjie1， ZHOU Guoqing2， ZHOU Shuyi3， ZHANG Biao1

（1. Department of Information Science and Engineering， Guilin University of Technology，Guilin 541004，China;

2. Guangxi Key Laboratory for Geospatial Informatics and Geomatics Engineering， Guilin 541004， China;

3. Guilin Danzhong Science and Technology Ltd， Guilin 541004， China）

Abstract： In allusion to the current situation of monitoring on? and off?site landslide， the disaster warning system for rainfall induced landslide is designed and implemented. The system is composed of a main control unit and multiple landslide sensors with preset different dip angle thresholds. The landslide sensors are ?embedded in the possible landslide sites and the main control unit is installed in ?a person′s home or the work unit near the possible landslide sites. When the landslide occurs and it reaches the dip angle thresholds， the landslide sensor is triggered to supply power and send wireless signals to the main control unit. After receiving the signal， the main control unit starts the audible and visual alarm and sends short messages to responsible persons. The STM32 microprocessor and SIM900 short message module is used in the main control unit to realize information setup of landslide location and for the responsible persons， and send early warning short messages. The system software is scheduled by μC/OS operating system， to realize multi?task programming based on message mailbox communication. The finite state machine is used to parse the content of short messages， which can effectively eliminate spam short messages. The landslide sensors supplies power only when the landslide occurs， which solves the difficulties existing in long?term power supply for the sensor. The system has the advantages of small size， low cost， strong practicability， and is suitable for protecting the life safety of people near the landslide point.

Keywords： landslide warning; rainfall?type landslide; landslide sensor; main control unit; information setting; message module; system design

0 ?引 ?言

滑坡是一種突發(fā)性地質災害，降雨則是滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素，大部分滑坡都具有“大雨大滑、小雨小滑、無雨不滑”的特征[1]。滑坡監(jiān)測是對滑坡體進行形變檢測，由于滑坡發(fā)生的隨機性高，滑坡體形變屬于緩慢變化，通常需要不間斷的長期監(jiān)測[2]。目前滑坡檢測分為現(xiàn)場監(jiān)測和非現(xiàn)場監(jiān)測兩種方式：現(xiàn)場監(jiān)測是在可能滑坡的地點安裝監(jiān)測設備;非現(xiàn)場監(jiān)測采用人工或半人工職守方式在遠離滑坡點的地方安裝監(jiān)測設備。現(xiàn)場滑坡監(jiān)測設備根據滑坡機理采用專用或通用的電傳感器[3?5]，該方式存在傳感器長期供電難題。有些系統(tǒng)配置了太陽能互補供電[6]，造成設備體積大，成本高，易遭受人為破壞，而且在南方地區(qū)滑坡發(fā)生前陰雨天氣概率較高，太陽能發(fā)電設備發(fā)電效率低，會使蓄電池充電不足，這些都限制了此類系統(tǒng)的推廣應用。非現(xiàn)場監(jiān)測運用了先進的激光掃描和雷達技術[7?8]，這種方案不需要把傳感器放置在滑坡地點，但傳感器更貴，還需要建設觀測間，即使是自動報警也需要人員維護設備，成本更加高昂，只適用出現(xiàn)滑坡的重點區(qū)域，如礦山、水壩等。

本設計結合現(xiàn)場監(jiān)測和非現(xiàn)場監(jiān)測的特點來解決滑坡預警問題，所研制的系統(tǒng)體積小、成本低、免維護，適用于保護滑坡點附近人員的生命安全。本設計的現(xiàn)場滑坡傳感器只在滑坡跡象出現(xiàn)時才被觸發(fā)進行供電并發(fā)出射頻報警信號，解決了棘手的供電問題，主控制單元需要不間斷供電，通常安裝在離滑坡地點最近的人員家中或工作單位內。

1 ?降雨誘發(fā)型滑坡機理與形成過程

降雨會導致滑坡巖土體容重增加，增大了下滑力;雨水入滲會軟化和潤滑軟弱的結構面，導致土石層抗剪強度降低;這兩個因素直接誘發(fā)滑坡發(fā)生[9]。水土力學中總應力與有效應力的關系為

式中：c為粘聚力;[φ]為土的內摩擦角;[tanφ]為土的內摩擦力;[σn]為滑面上的法向應力;t是抗剪強度。雨水入滲會使c，[φ] 值降低，導致土體的抗剪強度t降低，從而誘發(fā)滑坡發(fā)生。

多數降雨型滑坡形成過程包含蠕動變形階段、急劇變形階段和滑動階段三個階段。具體表現(xiàn)為：坡腳表面先出現(xiàn)橫向開裂，然后裂縫從坡腳向坡頂延伸，雨水沿裂縫入滲形成貫通面，坡腳先呈現(xiàn)出圈椅狀小滑塌，隨著降雨持續(xù)，滑塌范圍逐步擴大，最終形成后退式流土破壞，如圖1所示[10]。

圖1 ?降雨型滑坡破壞模式示意圖

2 ?系統(tǒng)結構

本設計系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 ?系統(tǒng)結構圖

圖2中每個滑坡監(jiān)測點包含1個主控制單元和多個滑坡傳感器?；聜鞲衅髀裨诳赡艹霈F(xiàn)滑坡的現(xiàn)場，具體數量根據現(xiàn)場情況靈活配置。根據第1節(jié)中的降雨型滑坡形成過程，滑坡傳感器在坡頂、坡中部和坡腳處都要埋設，坡頂埋設數量少，坡腳埋設數量大，埋設前可設置不同的傾角閾值，保證在滑坡的蠕動變形階段、急劇變形階段和滑動階段都能及時預警。主控制單元通常安裝在人員家里或工作單位內，距埋設滑坡傳感器地點不超過400 m（經測試，遠離城市的鄉(xiāng)村或礦區(qū)，信號干擾小，安裝距離可達1 200 m）?；聜鞲衅鲀群瑑A角檢測模塊，無線發(fā)射模塊，天線和電池?；聜鞲衅髌綍r處于斷電狀態(tài)，只在傾斜度達到預設傾角閾值時才會觸發(fā)供電，發(fā)出射頻預警信號，從而實現(xiàn)了長時間不更換電池。主控制單元內含無線接收模塊、短信息模塊、存儲模塊、聲光報警模塊和微處理器。無線接收模塊用于接收滑坡傳感器發(fā)出的預警信號;短信息模塊將滑坡預警信息發(fā)送給責任人;存儲模塊用于存儲滑坡地點、責任人姓名及手機號碼;微處理器控制各模塊協(xié)調工作。

3 ?硬件設計

3.1 ?滑坡傳感器

每個滑坡監(jiān)視點需要安裝多個滑坡傳感器，根據實際地形通常為6～10個，如圖2所示?；聜鞲衅鲀鹊膬A角檢測模塊采用機械式傾角開關，平時無須供電，傾角開關能預設不同的傾角閾值，當滑坡傳感器傾斜度達到預設閾值后就會觸發(fā)電池供電，使無線發(fā)射模塊發(fā)出射頻預警信號。本設計解決了滑坡傳感器供電難題，無需拉電或利用太陽能發(fā)電，傳感器只在滑坡的蠕動變形階段、急劇變形階段和滑動階段才被觸發(fā)供電。傳感器采用長壽命堿性干電池作為電源，成本低，體積小，可實現(xiàn)5年免維護，而且傳感器只有天線露出地面，隱蔽性好不易遭受人為破壞。滑坡傳感器中的無線發(fā)射模塊使用20位元內碼的學習碼編碼芯片EV1527，其編碼重復概率極低。EV1527通過自學習可實現(xiàn)多個發(fā)射模塊對應同一個接收模塊。發(fā)射模塊在滑坡傳感器內，接收模塊在主控單元內，這樣就實現(xiàn)了一個主控單元對應多個滑坡傳感器。

EV1527應用電路如圖3所示，SW0～SW3為4個兩芯插針，當兩芯插針接上短路塊后，EV1527的5～8腳上會相應地出現(xiàn)高電平，從而觸發(fā)第4 腳輸出數據串（調制信號），由于1腳接330 kΩ，電源為9 V，數據串周期被配置為1.48 ms。因為滑坡傳感器是埋入土壤中的，故4個兩芯插針中哪個接短路塊是預先連接好的。一旦傾角達到閾值電源被接通，周期為1.48 ms的調制信號就會加載到433 MHz載波上發(fā)射到空中?；聜鞲衅鲗腟W3，SW2，SW1，SW0的電平可按4位格雷碼設定，如0111，0110，0100，0010，0011，0001等，其中“1”表示對應的兩芯插針連接短路塊，“0”表示則不連接短路塊。

圖3 ?EV1527 電路圖

3.2 ?主控制單元

主控制單元由微處理器，無線接收模塊，短信模塊，存儲模塊，聲光報警器，狀態(tài)指示，電源模塊等部分組成，如圖2所示。當無線接收模塊接收滑坡傳感器中發(fā)出的無線信號，微處理器根據接收到的信號識別出是哪個滑坡傳感器發(fā)出預警。短信模塊采用SIM900，微處理器收到滑坡預警信號后就控制該短信模塊給責任人發(fā)送手機短信。聲光報警器為通用型，報警時能發(fā)出尖銳警報聲同時閃爍警示燈。狀態(tài)指示采用一組LED管，用于指示預警信號來自哪一個滑坡傳感器。微處理器采用STM32系列，型號為STM32F103RCT6，主要功能：判斷是哪個滑坡報警器發(fā)出預警并打開聲光報警器和狀態(tài)指示LED;控制短信模塊的收發(fā)和存儲模塊的讀/寫。短信模塊采用內含GSM基帶、射頻單元、天線接口、存儲器及串行通信口的SIM900模塊。STM32微處理器用串口與SIM900相連，利用 AT 指令實現(xiàn)短信接收、發(fā)送。

無線接收模塊采用TDH6300，它是EV1527的解碼模塊。每個主控單元內有1片TDH6300，它對應多個埋在現(xiàn)場的滑坡傳感器（每個傳感器內都有1個EV1527）。TDH6300與STM32微處理器連接電路如圖4所示，D0～D3和VT腳平時為低電平。當收到滑坡預警信號時VT腳輸出高電平到PA1，D0～D3也輸出相應的高低電平給PC0～PC3。D0～D3輸出的電平就是圖3中 EV1527的5～8腳電平值。PA1腳配置為上升沿觸發(fā)的外部中斷腳，VT腳由低變高時觸發(fā)該中斷，在中斷服務程序中STM32微處理器讀取D0～D3電平值就可以判斷出是哪一個滑坡傳感器發(fā)出預警。

圖4 ?TDH6300與微處理器連接圖

1個主控單元與多個滑坡傳感器配對就是TDH6300的學習過程，其2腳連接學習鍵，3腳連接學習指示燈。學習步驟：

1） 按下學習鍵，學習指示燈閃爍一次后熄滅，TDH6300進入學習狀態(tài)。

2） 讓滑坡傳感器中的EV1527發(fā)射編碼，TDH6300收到后，學習指示燈常亮1 s后熄滅，學習結束，即完成了1個滑坡傳感器就與主控單元配對。

3） 其余的滑坡傳感器逐個重復步驟1），步驟2），就實現(xiàn)了1個主控單元配對多個滑坡傳感器。當TDH6300進入步驟1）后30 s內沒有收到EV1527發(fā)出的編碼則學習指示燈快速閃爍5秒，表示學習失敗。若與主控單元配對的滑坡傳感器損壞，則可長按學習鍵清除原先的配對信息，然后按步驟1）～步驟3）將主控單元與多個滑坡傳感器重新配對。存儲模塊采用I2C接口的非易失性E2PROM存儲芯片24C16，容量為2 KB用于存儲滑坡地點信息，責任人姓名及手機號碼。狀態(tài)指示包括與主控單元配對的多個滑坡報警器的報警指示燈，短信收、發(fā)，程序運行和電源供電指示燈。電源模塊包含直流12 V，5 V和3.3 V電源，12 V電源由220 V市電經降壓整流得到，為聲光報警器供電，12 V經DC?DC模塊降至5 V給短信模塊供電，5 V電壓經ASM1117電源模塊降為3.3 V為STM32微處理器供電。

4 ?軟件設計

4.1 ?多任務軟件工作流程

主控單元的軟件運行在嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS上，μC/OS屬于搶占式多任務內核，內含任務調度、任務管理、任務間通信等功能，可以移植到STM32微處理器上。本設計建立了聲光報警任務、短信發(fā)送任務、短信接收任務、存儲任務和開始任務，5個任務的優(yōu)先級依次降低。任務間利用消息郵箱機制進行通信，保證通信的穩(wěn)定性。μC/OS運行后利用開始任務創(chuàng)建其他4個任務，然后掛起開始任務。圖5為軟件工作流程圖。程序中還使用一個外部中斷和一個串口中斷。外部中斷服務程序完成兩項功能：識別是哪個滑坡報警器發(fā)出預警;發(fā)送郵箱消息1給聲光報警任務和短信任務。串口中斷實現(xiàn)短信模塊SIM900與STM32微處理器的通信。聲光報警任務優(yōu)先級最高，任務運行后檢查郵箱1是否收到消息，收到消息就知道是哪個滑坡報警器發(fā)出了預警信號。該任務開啟主控單元中的聲光報警器，同時點亮報警滑坡傳感器的LED指示燈;如果沒有收到有郵箱消息1，該任務進入等待狀態(tài)，讓CPU運行其他進入就緒狀態(tài)的任務。

短信發(fā)送任務收到來自外部中斷的郵箱消息1后，會讀取E2PROM 24C16中的滑坡地點信息和責任人姓名及手機號碼，合成出“xx責任人xx地點x號滑坡預警器發(fā)出報警”的短信息;然后利用AT指令通過串口將報警信息發(fā)給SIM900，SIM900就將該信息發(fā)手機短信給責任人。若短信發(fā)送任務沒有收到郵箱消息1，則進入等待狀態(tài)，允許CPU處理其他任務。短信接收任務運行時首先檢查串口接收FIFO是否收到數據，如果收到就對其內容進行解析，若是有效設置短信該任務則提取短信中滑坡地點、責任人姓名及手機號碼等設置信息再發(fā)郵箱消息2給存儲任務，否則丟棄該短信。如果串口接收FIFO為空，任務進入等待狀態(tài)，CPU繼續(xù)運行其他任務。

存儲任務運行后就會檢查是否收到郵箱消息2，如果收到就會將用戶設置的滑坡地點、責任人姓名及手機號碼信息存儲到24C16相應存儲單元中。如果消息郵箱2中沒有消息，該任務釋放CPU使用權進入等待狀態(tài)。