張晨皓，李 崢

(淮北師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 淮北 235000)

我國(guó)山地、丘陵和高原地區(qū)泥石流發(fā)生相對(duì)頻繁，對(duì)交通運(yùn)輸、水利水電工程造成嚴(yán)重破壞，對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大威脅.[1]本文設(shè)計(jì)了一種頻發(fā)帶山地泥石流檢測(cè)儀，該系統(tǒng)以嵌入式為核心，利用多種傳感器的有效配合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)泥石流的發(fā)生.

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)分為主機(jī)、從機(jī)兩個(gè)部分，整體框圖如圖1所示.山地泥石流檢測(cè)儀利用STM32嵌入式系統(tǒng)及傳感器，完成對(duì)泥石流的檢測(cè)和報(bào)警.

圖1 系統(tǒng)整體框圖

主機(jī)端：包括雨量計(jì)、GSM模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、時(shí)鐘模塊、顯示模塊、LORA模塊.主機(jī)利用雨量計(jì)采集到的信息以及時(shí)鐘時(shí)間喚醒從機(jī)，主機(jī)給從機(jī)發(fā)送喚醒信號(hào)，等待接收從機(jī)反饋回來(lái)的信息.如果判斷危險(xiǎn)，便利用語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行語(yǔ)音提醒，通過(guò)GSM模塊通知相關(guān)人員.

從機(jī)端：包括 LORA、MPU9250模塊、裂縫計(jì)、鋰電池及太陽(yáng)能充電裝置.從機(jī)收到主機(jī)的喚醒信號(hào)便啟動(dòng)MPU9250和裂縫計(jì)進(jìn)行信息檢測(cè)，如果檢測(cè)的值超過(guò)預(yù)設(shè)值，便通過(guò)LORA向主機(jī)發(fā)送危險(xiǎn)信號(hào).

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，控制其他模塊的正常工作.主控模塊主要用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)其他模塊的正常工作.主控模塊選用STM32F103ZET6單片機(jī)，主控芯片具有5個(gè)串口，主頻高達(dá)72MHZ，8個(gè)定時(shí)器，64KB的RAM和512KB的FLASH空間.

2.2 LORA無(wú)線(xiàn)模塊

LORA是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低功率遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)電通信.該模塊使用ISM頻段射頻SX1278擴(kuò)頻芯片，具有體積小、靈敏度高、支持低功耗省電并且抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn).[3]LORA采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，與WIFI、藍(lán)牙、ZIGBEE傳輸技術(shù)相比，LORA的無(wú)線(xiàn)傳輸距離更遠(yuǎn)[4]，穿越障礙物的效果較好.LORA具備低功耗工作特性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備低功耗和遠(yuǎn)距離不能兼得的難題.

2.3 顯示模塊

本系統(tǒng)選用0.96寸OLED顯示屏作為顯示模塊.主機(jī)部分主要用來(lái)顯示時(shí)間及雨量等相關(guān)信息，從機(jī)部分主要用來(lái)顯示電量、加速度及數(shù)據(jù)上傳等信息.

2.4 GSM模塊

設(shè)計(jì)采用SIM800C完成短信發(fā)送，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)，GSM模塊可以快速發(fā)送警報(bào)短信.該模塊采用串口通訊，通過(guò)AT指令收發(fā)英文或者中文短信，并具備撥打電話(huà)的功能.[5]模塊支持移動(dòng)，聯(lián)通，電信的SIM卡，操作簡(jiǎn)單，在野外環(huán)境中通信信息也可以有效傳輸，具有傳輸快、傳輸距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6].

2.5 語(yǔ)音播報(bào)模塊

設(shè)計(jì)采用SYN6288語(yǔ)音播報(bào)模塊，該模塊采用異步串口通訊方式(UART)，接收預(yù)設(shè)的文本數(shù)據(jù)，再實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的轉(zhuǎn)換.該模塊支持GB2312，GBK，BIG5，UNICODE內(nèi)碼格式的文本[7]，具有16級(jí)音量調(diào)整，6級(jí)語(yǔ)速調(diào)整等功能.[8]

2.6 MPU9250模塊

該模塊是一款九軸姿態(tài)角度傳感器，集成了三軸加速度傳感器、三軸角速度以及三軸磁場(chǎng)，加速度模塊通過(guò)IIC通信方式與單片機(jī)連接，具有精度高、體積小的特點(diǎn).MPU9250可以準(zhǔn)確地測(cè)量x,y,z軸方向的加速度，檢測(cè)軸及其方向.[9]利用MPU9250采集的從機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)[10]，開(kāi)啟其DMP庫(kù)中的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)函數(shù)，將檢測(cè)到的MPU9250信號(hào)通過(guò)低通濾波后，再與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，繼而判斷從機(jī)設(shè)備的狀態(tài)，計(jì)算出設(shè)備的總加速度，將其顯示到OLED屏幕上.

2.7 裂縫計(jì)

裂縫計(jì)是一種利用滑動(dòng)變阻的方式將位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的結(jié)構(gòu)型傳感器[11]，具有靈敏度高，精度較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在高壓、高溫等環(huán)境中使用.滑動(dòng)變阻器是裂縫計(jì)傳感器的核心元件，其工作原理是利用物理滑動(dòng)改變電阻大小的原理[12]，從而改變電壓信號(hào).

2.8 雨量傳感器

主機(jī)根據(jù)獲取雨量的大小，給從機(jī)發(fā)送不同的喚醒信號(hào).該模塊基于LM393運(yùn)算放大器，它包括電子模塊和“收集”雨滴的印刷電路板.該傳感器是一個(gè)電阻偶極子，在潮濕時(shí)顯示較小的電阻，而在干燥時(shí)顯示較大的電阻.當(dāng)板上沒(méi)有雨滴時(shí)，它會(huì)增加電阻，因此，根據(jù)V=IR獲得電壓，再根據(jù)雨量的大小與電壓成反比的關(guān)系來(lái)計(jì)算雨量大小.

2.9 DS1302模塊

設(shè)計(jì)使用DS1302模塊，主控通過(guò)查詢(xún)當(dāng)前時(shí)間再通過(guò)是否處于雨季，便于更變采集頻率.主控模塊通過(guò)讀取該模塊的時(shí)間信息并通過(guò)提前輸入當(dāng)?shù)氐挠昙拘畔⑴袛喈?dāng)前時(shí)間是否處于雨季.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)流程見(jiàn)圖2，從機(jī)流程圖見(jiàn)圖3.設(shè)計(jì)選用LORA星型組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其通信過(guò)程級(jí)聯(lián)較少，延遲較低，速度較快.在星型組網(wǎng)下，只有發(fā)數(shù)據(jù)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)是主機(jī)模式，其他模塊在接受的時(shí)候都會(huì)主動(dòng)切換到從機(jī)模式.設(shè)計(jì)通過(guò)規(guī)定每一模塊的地址，在從機(jī)收發(fā)的時(shí)候?qū)⒆约旱牡刂芬黄饚С鋈?，并在主機(jī)里處理所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包.在這種組網(wǎng)下，提高星型組網(wǎng)時(shí)查詢(xún)信息的靈活性，從機(jī)節(jié)點(diǎn)上只接受處理來(lái)自主機(jī)的數(shù)據(jù)包.

圖2 主機(jī)流程圖

圖3 從機(jī)流程圖

選用一個(gè)LORA作為主機(jī)通信模塊和2個(gè)LORA作為從機(jī)通信模塊，對(duì)其通信信道、分頻因子等進(jìn)行設(shè)置，使其處于同一通信頻道，各個(gè)節(jié)點(diǎn)上電后即可加入數(shù)據(jù)傳輸.為實(shí)現(xiàn)2個(gè)從機(jī)模塊向主機(jī)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，組網(wǎng)設(shè)計(jì)保證其數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性.

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 對(duì)從機(jī)工作的分析與探究

為了進(jìn)一步探究本文設(shè)計(jì)的預(yù)警系統(tǒng)的靈敏度、準(zhǔn)確性和有效性，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn).首先將從機(jī)0和從機(jī)1放到一個(gè)模擬滑坡的斜坡上的不同位置，再將主機(jī)放在距離從機(jī)直線(xiàn)距離較遠(yuǎn)的地方.當(dāng)處在雨季并且雨水傳感器上有水時(shí)，主機(jī)將首先喚醒從機(jī)0.

當(dāng)從機(jī)0電量剩余不足20%時(shí)，主機(jī)將播報(bào)0號(hào)機(jī)電量不足；0號(hào)機(jī)進(jìn)入休眠并進(jìn)行充電(太陽(yáng)能)，反之亦然.當(dāng)從機(jī)1的加速度或壓力達(dá)到閾值時(shí)，將向主機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，主機(jī)將立刻進(jìn)行廣播報(bào)警和短信報(bào)警.

4.2 空中速率對(duì)LORA傳輸距離影響的分析

影響LORA傳輸距離的因素有發(fā)射功率和空中速率.發(fā)射功率與LORA的傳輸距離成正相關(guān).發(fā)射功率最大是20 dbm，為保證傳輸距離足夠，把發(fā)射功率設(shè)置為20 dbm，為此發(fā)射功率是最大功率，最大發(fā)射功率下，空中速率對(duì)LORA[16]傳輸距離的影響結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 空中速率與傳輸距離對(duì)應(yīng)表

4.3 誤觸分析

從機(jī)工作后MPU9250、裂縫計(jì)會(huì)一直采集外部狀態(tài)信號(hào)，在通過(guò)運(yùn)動(dòng)檢測(cè)函數(shù)后，從機(jī)會(huì)在開(kāi)機(jī)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前安全狀態(tài)值，當(dāng)超過(guò)該閾值，便可以判定發(fā)生泥石流,此時(shí)主機(jī)便會(huì)接收到危險(xiǎn)信號(hào).

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一款頻發(fā)帶山地泥石流檢測(cè)儀.該系統(tǒng)利用LORA模塊實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的精確傳輸，可實(shí)現(xiàn)一主多從，達(dá)到多方位實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的.系統(tǒng)采用喚醒模式，實(shí)現(xiàn)了低功耗工作，可以根據(jù)當(dāng)前雨量的大小實(shí)現(xiàn)不同的操作.這款頻發(fā)帶山地泥石流檢測(cè)儀可以準(zhǔn)確有效預(yù)地測(cè)泥石流，工作穩(wěn)定，智能化，安全化，可實(shí)現(xiàn)泥石流的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè).