0 引言

    我國幅員遼闊，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害種類繁多，而且強(qiáng)突發(fā)性、大破壞力的地質(zhì)災(zāi)害時(shí)刻威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，降低其危害性，減少因其造成的生命財(cái)產(chǎn)損失很有必要。本文針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害中較為常見的山體裂縫、山體滑坡以及災(zāi)后危石危樓等災(zāi)害問題設(shè)計(jì)了一種云臺(tái)式地質(zhì)災(zāi)害體位移監(jiān)測(cè)終端。終端以32位高性能微處理器PIC32單片機(jī)為核心，結(jié)合激光測(cè)距技術(shù)以及GPRS通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害體在立體空間內(nèi)x、y、z三軸方向上位移變化的實(shí)時(shí)采集、傳輸，以期達(dá)到實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的。

1 終端總體設(shè)計(jì)

    云臺(tái)式地質(zhì)災(zāi)害體位移監(jiān)測(cè)終端主要包括終端控制板、GPRS發(fā)送模塊、云臺(tái)、數(shù)據(jù)采集模塊、供電模塊以及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量體，終端總體框圖如圖1所示^[1]。云臺(tái)式地質(zhì)災(zāi)害體位移監(jiān)測(cè)終端的主要作用是實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害體空間內(nèi)的位移變化數(shù)據(jù)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶蠖说臄?shù)據(jù)平臺(tái)上。

    標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量體是由激光測(cè)距傳感器所需反射板構(gòu)成的多面目標(biāo)體，固定在災(zāi)害體表面隨之共同運(yùn)動(dòng)。終端的前端是激光測(cè)距傳感器，它負(fù)責(zé)測(cè)量終端到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量體某測(cè)量平面的距離，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳送給終端控制板。終端控制板負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理儲(chǔ)存，通過同一點(diǎn)前后兩次的距離計(jì)算出位移數(shù)據(jù)，然后將位移數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送回后端平臺(tái)；同時(shí)它可以控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使激光測(cè)距傳感器能夠?qū)?zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量體的不同測(cè)量平面，以獲得能夠使后臺(tái)計(jì)算出三軸位移所需的所有距離數(shù)據(jù)。

2 終端硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 終端控制板

    終端控制板以PIC32MX795F512L單片機(jī)為核心，總體框架如圖2所示。PIC32MX795F512L是MICROCHIP新推出的MIPS32M4K內(nèi)核的32位單片機(jī)。該款芯片具有超低功耗、外設(shè)功能豐富、計(jì)算性能強(qiáng)等優(yōu)良特性。它具有一系列能在工作時(shí)顯著降低功耗的功能，主要包含動(dòng)態(tài)時(shí)鐘切換、休眠模式工作、基于指令的節(jié)能模式等^[2-4]；片上還集成有10位的16通道ADC轉(zhuǎn)換器，其具有最大1 MS/s的轉(zhuǎn)換速度，可以應(yīng)對(duì)精度要求不高的模擬量快速采樣。

    終端控制板上配置有ADS1256高速ADC轉(zhuǎn)換器，其主要任務(wù)是連接數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊，接收模擬量測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行量化處理。ADS1256是由TI公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)高精度低噪聲24位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其最高輸出采樣速率30 kS/s，可以提供23位的無噪聲精度，適用于科學(xué)儀器、工業(yè)工藝控制、醫(yī)療設(shè)備等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域^[4，5]。

    終端控制板上還設(shè)計(jì)有時(shí)鐘芯片用來記錄終端運(yùn)行實(shí)時(shí)時(shí)鐘；EEPROM用來存儲(chǔ)初始化參數(shù)，如后端服務(wù)器地址、終端機(jī)器ID、終端工作模式以及終端運(yùn)行時(shí)的其他參數(shù)信息；SD卡用來存儲(chǔ)終端處理后發(fā)送的結(jié)果數(shù)據(jù)以備查詢使用，采用循環(huán)存儲(chǔ)的方式；板上還集成有發(fā)送模塊接口、云臺(tái)接口、電源接口以及環(huán)境溫度采集接口，用以和終端其他部分連接。

2.2 云臺(tái)

    云臺(tái)上下轉(zhuǎn)動(dòng)范圍+60°～-50°，水平360°旋轉(zhuǎn)， RS485通信進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，可實(shí)時(shí)位置顯示，位置精度0.1°。改裝后，通過RS485進(jìn)行通信，可通過指令控制其上下左右勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，可設(shè)置/調(diào)用128個(gè)停止點(diǎn)，可返回停止點(diǎn)角度信息。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

    數(shù)據(jù)采集模塊由GHLM10C型激光測(cè)距傳感器及其外圍電路構(gòu)成。GHLM10C型激光測(cè)距傳感器是由武漢承拓電子科技有限公司生產(chǎn)的低功耗高精度激光測(cè)距傳感器，待機(jī)功耗<0.3 W，低電平觸發(fā)，分辨率0.1 mm，精度1 mm，量程0.05 m～100 m。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量體

    標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量體三視圖如圖3所示，A、B、C為三個(gè)測(cè)量面，由激光測(cè)距傳感器的發(fā)射板制成，B、C兩面與A面夾角均為45°，與A相對(duì)的為底面，固定在被測(cè)災(zāi)害體上。

3 終端測(cè)量原理及分析

3.1 豎直測(cè)量平面計(jì)算分析

    根據(jù)平面幾何原理進(jìn)行圖3中豎直測(cè)量平面A的相關(guān)計(jì)算分析，如圖4所示，從P點(diǎn)發(fā)射的激光打到A平面上，當(dāng)A移動(dòng)到A′處時(shí)產(chǎn)生的直線位移為d，可以導(dǎo)出水平位移b=d×cosβ1，其中β1為激光射線與水平面夾角，即豎直轉(zhuǎn)角。推廣到立體空間內(nèi)，設(shè)水平方向上的轉(zhuǎn)角為α1，則有b=d×cosβ1×cosα1，b也是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量體參照發(fā)射點(diǎn)P的水平前后方向（x軸）位移。

3.2 傾斜測(cè)量平面計(jì)算分析

    根據(jù)平面幾何原理進(jìn)行圖3中傾斜測(cè)量平面B、C的相關(guān)計(jì)算分析，兩平面計(jì)算方法相同，這里以B面為例。當(dāng)斜面B移動(dòng)到B’時(shí)，同一方向上的激光測(cè)點(diǎn)會(huì)由O移動(dòng)到O′，如圖5所示，設(shè)對(duì)斜面測(cè)量得到的位移為d′，其水平分量為b′=d′×cosβ2，豎直分量為a′=d′×sinβ2，推廣到立體空間內(nèi)，設(shè)水平方向上的轉(zhuǎn)角為α2，則有b′=d′×cosβ2×cosα2，a′=d′×sinβ2×cosα2，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量體參照發(fā)射點(diǎn)P的水平前后位移為圖4中的b，其豎直位移為a即所求。b>0時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖5中(1)、(2)、(3)三種情形，(1)中|b′|<|b|，a″=a-a′，b″=b-b′，由于斜面傾角為45°，有a″=b″，求得a=b+a′-b′，方向向上；(2)中|b′|>|b|且|a′|>|a″|，a″=a′-a，b″=b′-b，由于斜面傾角為45°，有a″=b″，求得a=b+a′-b′，方向向上；(3)中|b′|>|b|且|a′|<|a″|，a″=a-a′，b″=b′-b，由于斜面傾角為45°，有a″=b″，求得a=b′-a′-b，方向向下。當(dāng)b>0時(shí)，三種情形的位移方向?qū)?yīng)相反，計(jì)算公式相同。如此，可以計(jì)算出B、C兩斜面朝向方向（y軸、z軸）的位移。

4 終端軟件設(shè)計(jì)

4.1 終端定時(shí)工作程序設(shè)計(jì)

    終端設(shè)備采取定時(shí)工作的狀態(tài)，即設(shè)定一定的時(shí)間間隔，設(shè)備在每次時(shí)鐘到時(shí)時(shí)進(jìn)行一組測(cè)量，每組測(cè)量分別測(cè)量到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量體3個(gè)測(cè)量面的距離。工作流程如圖6所示。

    初始化后，檢測(cè)定時(shí)是否到時(shí)，不到時(shí)則等待休眠，到時(shí)后開始采集測(cè)量。在進(jìn)行每個(gè)方向上的測(cè)量時(shí)，對(duì)其進(jìn)行5次AD采樣取平均值作為測(cè)量結(jié)果，減去該點(diǎn)初始測(cè)量值作為位移值。將位移值、片上AD采集的環(huán)境溫度值放入發(fā)送緩存數(shù)組TXBUF，然后控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向，進(jìn)行下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量。當(dāng)一組測(cè)量完成后，將加入時(shí)間數(shù)據(jù)的發(fā)送數(shù)組儲(chǔ)存到SD卡中，并同時(shí)通過3G傳輸模塊發(fā)送給后端。測(cè)量過程中，云臺(tái)3點(diǎn)不同的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是在終端設(shè)備安裝時(shí)設(shè)定并保存在云臺(tái)內(nèi)部芯片上的，這里只需要用指令調(diào)用即可。

4.2 指令接收中斷程序設(shè)計(jì)

    終端設(shè)備要能夠接收后端發(fā)來的控制指令，以便于對(duì)于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和變更，如圖7所示。當(dāng)串口1接收到指令數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生接收中斷，判別包頭和地址后將控制指令從數(shù)據(jù)包中提取出來，經(jīng)過查表比對(duì)確定要執(zhí)行的動(dòng)作，執(zhí)行后退出中斷。這里重要的功能是調(diào)取SD卡儲(chǔ)存信息、查詢\設(shè)置定時(shí)時(shí)間間隔、校準(zhǔn)終端設(shè)備時(shí)鐘、修改上傳數(shù)據(jù)的IP地址和接收端口以及使后端直接控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行遠(yuǎn)程應(yīng)急測(cè)量等功能。

4.3 終端設(shè)備初始狀態(tài)設(shè)定軟件設(shè)計(jì)

    終端設(shè)備初始狀態(tài)的設(shè)定主要是設(shè)定云臺(tái)在一組測(cè)量中三個(gè)預(yù)設(shè)點(diǎn)，為此設(shè)計(jì)了一款設(shè)定軟件，如圖8所示。軟件通過串口或遠(yuǎn)程3G網(wǎng)絡(luò)與終端設(shè)備通信，其主要功能是控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)定云臺(tái)初始點(diǎn)以及多個(gè)預(yù)設(shè)定保存到云臺(tái)芯片中，并能夠保存各個(gè)設(shè)定點(diǎn)相對(duì)于初始點(diǎn)的水平旋轉(zhuǎn)角α和垂直旋轉(zhuǎn)角β，設(shè)定點(diǎn)的信息會(huì)顯示在面板的表格中，并且可以生成數(shù)據(jù)報(bào)表，以備后端平臺(tái)軟件解算時(shí)調(diào)用。

    本文以PIC32單片機(jī)為核心，利用傳感器技術(shù)與無線通信技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量、分析、儲(chǔ)存、傳輸，可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)災(zāi)害體位移數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)。設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、運(yùn)行穩(wěn)定，有較高的實(shí)用價(jià)值。

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