0 引言

    泥石流災(zāi)害是我國地質(zhì)災(zāi)害中威脅較為嚴重的災(zāi)害之一，嚴重威脅人民的生命財產(chǎn)安全，制約我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展^[1]。以往的泥石流監(jiān)測手段一般是在野外環(huán)境下建立初步的簡易監(jiān)測點，主要通過人工手段來記錄現(xiàn)場發(fā)生的具體情況，技術(shù)含量較低，預(yù)警預(yù)報準確率不高，而且易受到環(huán)境條件影響，在遇到暴風暴雨時監(jiān)測預(yù)警工作極難開展。因此，本文利用微處理器STM32F107VCT6及低噪聲雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7706共同構(gòu)建低功耗泥石流遠程監(jiān)測系統(tǒng)，對泥石流災(zāi)害現(xiàn)場多監(jiān)測參數(shù)實現(xiàn)不間斷實時數(shù)據(jù)采集，有效提高數(shù)據(jù)采集速度和采集精度，降低系統(tǒng)功耗，極大提升泥石流遠程監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，便于在野外惡劣環(huán)境下實現(xiàn)泥石流遠程動態(tài)實時監(jiān)測^[2]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

    該監(jiān)測系統(tǒng)主要由低功耗微處理器STM32F107VCT6、電源模塊、數(shù)據(jù)采集模塊(泥位和流速采集模塊)、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)器組成。STM32F107VCT6作為主中央處理器，控制協(xié)調(diào)具體的數(shù)據(jù)采集、存儲、傳輸與命令控制；A/D轉(zhuǎn)換電路可以采集泥位、流速監(jiān)測數(shù)據(jù)；通過GPRS/北斗衛(wèi)星多模通信方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)有效傳送至地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)器；云服務(wù)器可實時查詢現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析及預(yù)警模型，并判斷泥石流運動趨勢及時發(fā)出預(yù)警預(yù)報信號；數(shù)據(jù)存儲模塊負責將采集數(shù)據(jù)實時保存到SD卡中^[3]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 微處理器簡介

    STM32F107VCT6是ARM Cortex-M3內(nèi)核，是一款低成本高性能的RISC微處理器，集成各種高性能工業(yè)互聯(lián)型標準接口，主要包括10個定時器、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換、DA數(shù)模轉(zhuǎn)化、無線網(wǎng)絡(luò)接口、外接2 Kbit的IIC接口及SPI模式的MicroSD存儲接口；具有6～12個時鐘周期，可實現(xiàn)快速嵌套中斷，具有MPU保護設(shè)定訪問規(guī)則，且軟件具有完美的兼容性，可以適應(yīng)多種物聯(lián)應(yīng)用。

2.2 數(shù)據(jù)采集電路

    利用STM32F107VCT6定時器中斷的方式采集現(xiàn)場降雨量，利用電磁波雷達采集泥石流泥位數(shù)據(jù)，采用多普勒雷達采集泥石流流速數(shù)據(jù)，將泥位和流速傳感器輸出的電壓信號輸入到AD轉(zhuǎn)換電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用的AD轉(zhuǎn)換芯片是AD7706，AD7706是一款高性能、16位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，分辨率較高，功耗低，能夠滿足寬動態(tài)范圍以及較低的抗混疊要求。AD7706具有三通道準差分模擬輸入，簡化了硬件電路設(shè)計，可以支持單極性、雙極性信號輸入和自校準、系統(tǒng)校準，它的非線性度達到0.003%，工作電壓支持3.3 V和5 V供電模式。本系統(tǒng)采用與微處理器相同的3.3 V供電模式，AD7706與單片機通過SPI進行通信，片選信號串行時鐘輸入SCLK、串行數(shù)據(jù)輸入DIN、串行數(shù)據(jù)輸出DOUT、狀態(tài)信號分別與STM32F107VCT6的PA4、PA5、PA6、PA7及PA8相連^[4]。其接口電路如圖2所示。

2.3 電源電路設(shè)計

    泥石流遠程監(jiān)測系統(tǒng)大多工作在野外環(huán)境，需要為系統(tǒng)提供可靠穩(wěn)定的電源供應(yīng)。系統(tǒng)的電源電路有12 V、5 V、3.3 V 3種，12 V電源由太陽能供電系統(tǒng)構(gòu)成，主要包括單晶硅太陽能電池板和鋰電池，用于為泥位傳感器、流速傳感器、數(shù)據(jù)傳輸模塊提供電源；LP3878電源模塊提供穩(wěn)定的5 V輸出，用于為數(shù)據(jù)采集電路供電^[5]。5 V電源電路原理圖如圖3所示。

    微處理器的供電電源為3.3 V，由蓄電池提供12 V電源經(jīng)降壓電路轉(zhuǎn)換為3.3 V，考慮到系統(tǒng)低功耗設(shè)計，3.3 V電源電路采用功耗非常低的降壓模塊LTC3631，電源電路原理圖如圖4所示，LTC3631的靜態(tài)電流是12 μA，在3.3 V電壓下最大輸出電流可以達到100 mA。

2.4 數(shù)據(jù)存儲電路

    MicroSD卡是一種具有可移動性低功耗的Flash多功能微型存儲卡，具有智能保護功能，具有傳輸效率快、存儲容量高的特點。數(shù)據(jù)存儲電路用來將現(xiàn)場采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時存儲到MicroSD卡中，這樣可以保證數(shù)據(jù)的完整性，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的歷史查詢，當信號質(zhì)量出問題數(shù)據(jù)傳輸不出去時可以對數(shù)據(jù)進行保存。STM32F107VCT6不具備SDIO接口，采用SPI通信模式實現(xiàn)對MicroSD卡的讀寫操作^[6]。MicroSD卡接口電路如圖5所示。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸電路

    本設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸電路分為兩部分，分別是GPRS傳輸和北斗衛(wèi)星傳輸。GPRS傳輸作為常規(guī)的傳輸模式，其傳輸簡單、可靠、穩(wěn)定，在數(shù)據(jù)傳輸時優(yōu)先選擇GPRS傳輸。在某些偏遠地區(qū)無法滿足GPRS信號時就要選擇北斗衛(wèi)星傳輸模式，雙重傳輸模式能有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，系統(tǒng)通過RS232串口分別與GPRS模塊和北斗衛(wèi)星傳輸模塊連接。

    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3 mA，可以支持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)實時傳輸?shù)竭h程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)器。北斗衛(wèi)星傳輸模塊選用國智恒集團的BGT-500型北斗通信模塊，它結(jié)構(gòu)緊湊，支持北斗衛(wèi)星系統(tǒng)RDSS的S、L頻點和RNSS的B1、L1頻點，可實現(xiàn)RDSS的雙向定位和短報文通信功能，具有較高的集成度和較低的功耗，通過北斗衛(wèi)星以短報文方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

    系統(tǒng)軟件設(shè)計在ARM公司的Keil5集成開發(fā)環(huán)境下采用C語言編程實現(xiàn)，主要包括系統(tǒng)初始化、降雨量采集、泥石流泥位和流速采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。主程序流程圖如圖6所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

    數(shù)據(jù)采集程序由微處理器與AD7706共同完成，主要包括AD數(shù)據(jù)采集和數(shù)字量數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)上電初始化AD7706后，配置微處理器端口，通過寫入通信寄存器選擇AD輸入通道并設(shè)置下一次操作為寫時鐘寄存器；根據(jù)泥位、流速傳感器實際需要設(shè)置時鐘寄存器并選擇合適的AD更新速率；寫通信寄存器并設(shè)置下一次操作為寫置位寄存器；寫設(shè)置寄存器選擇合適參數(shù)并啟動AD轉(zhuǎn)換，當查詢DRDY由高電平變?yōu)榈碗娖綍r表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成，然后寫通信寄存器并設(shè)置下一次操作為讀取數(shù)據(jù)寄存器，通過讀取數(shù)據(jù)寄存器中數(shù)據(jù)得到最新的AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。AD數(shù)據(jù)采集流程圖如圖7所示。

3.2 數(shù)據(jù)存儲軟件設(shè)計

    本系統(tǒng)采用SPI通信模式進行數(shù)據(jù)存儲，MicroSD卡上電初始化后，會自動進入總線模式，由嵌入式微處理器向MicroSD卡發(fā)送74個時鐘周期，將片選信號CS信號拉低?？紤]到MicroSD卡讀寫命令不易讀寫，采用移植FAT32文件系統(tǒng)以文件的形式存儲數(shù)據(jù)，直接調(diào)用FAT32_Status、FAT32_Open_File、FAT32_Close_File、FAT32_Read_File等函數(shù)對MicroSD卡進行操作^[7]。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計

    數(shù)據(jù)傳輸軟件采用模塊化設(shè)計思路，嵌入式微處理器與云服務(wù)器通過GPRS或北斗進行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)傳輸軟件主要包括系統(tǒng)初始化模塊、信號檢測模塊、數(shù)據(jù)建立連接模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊。串口初始化后，首先調(diào)用傳輸函數(shù)，檢測傳輸信號，如檢測有GPRS網(wǎng)絡(luò)則采用GPRS模式進行傳輸，否則采用北斗衛(wèi)星傳輸模式。微處理器與后端云服務(wù)器建立連接，調(diào)用GPRSconnection()函數(shù)，根據(jù)云服務(wù)器要求以TCP/IP數(shù)據(jù)包的形式進行數(shù)據(jù)發(fā)送；在北斗衛(wèi)星傳輸模式下，調(diào)用BDConnction()函數(shù)，檢測北斗主機號是否與云服務(wù)器北斗主機一致，如相同則繼續(xù)執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送程序，北斗模式下以短報文形式進行數(shù)據(jù)發(fā)送^[8]。數(shù)據(jù)傳輸軟件流程圖如圖8所示。

4 結(jié)論

    本文以微處理器STM32F107VCT6與AD7706共同構(gòu)建泥石流遠程監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)可以實時在線采集泥石流災(zāi)害現(xiàn)場雨量、泥位、流速數(shù)據(jù)，通過GPRS/北斗衛(wèi)星傳輸網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，遠程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警云服務(wù)器與地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場可實現(xiàn)實時在線通信，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)可以進行實時查詢、分析及數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、成本低、功耗低，在泥石流災(zāi)害監(jiān)測中有較好的應(yīng)用前景。

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作者信息:

王晨輝，郭  偉

（中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071051）