作者 / 董翰川1,2 庞丽丽1,2 宋继武1,2 1我国地质查询局水文地质环境地质查询中心(河北 保定 071051) 2国土资源部地质环境监测技能要点实验室(河北 保定 071051)
*基金项目：京津唐张交通廊道规划建造区1:5万环境地质查询(编号：DD20160232)
董翰川(1985 -)，男， 工学硕士，工程师，研讨方向：地质灾祸监测技能。
摘要：规划了一个依据电磁波原理的泥水位监测体系，体系以PIC32MX和ADS1256芯片为中心，选用依据电磁波原理的雷达物位传感器完结泥石流泥水位感知，可以长途设定数据收集频度、依据设定阈值主动添加数据收集频率。体系具有GPRS和斗极两种传输形式，可以在GPRS信号弱小状况下主动切换到斗极数据传输形式，有用确保了数据传输的可靠性。论述了体系的作业原理和软硬件规划思路，并在张家口市崇礼区三道营村庙儿沟进行了户外运用。
0 导言
我国是一个多山国家，山地面积约占全国土地面积的69%，山区常见的坍塌、滑坡、泥石流、岩溶陷落等山区地质灾祸给当地乡民的日子造成了严重影响。其间，泥石流具有产生忽然、历时时刻短、来势凶猛和破坏力强等特色，而成为最有影响力的灾祸之一，对泥石流进行监测和预告成为防治地质灾祸产生的一个重要环节[1-2]。泥石流自上而下可分为构成区、流转区和堆积区三个阶段[3]。依据泥石流产生、运动和损害三个阶段的特色，对泥石流泥水位的监测和剖析成为泥石流监测的重要手法[4]。
1 泥水位监测体系概略及原理
1.1 概略
泥水位监测体系是针对泥石流地质灾祸专业监测的设备，实时监测泥石流产生进程泥水位的高度，依据泥水位设定阈值主动添加收集密度，并将监测数据实时传输到监控渠道。泥水位监测数据主动保存在本地存储卡上，可作为泥石流泥水位数据研讨剖析。设备选用太阳能蓄电池浮充办法进行供电，可以本身供应动力动力。受我国地质查询局地质查询项目“京津唐张交通廊道规划建造区1:5万环境地质查询”资金支撑，该监测体系现在已装置在张家口市崇礼区三道营村庙儿沟泥石流沟进行户外实验。
1.2 电磁波监测技能
泥石流产生时一般伴有泥流、水流和石流，以往的超声波监测办法常常因为沟底不平坦而无法接纳反射波，导致无法捕捉泥水位数据。电磁波具有传达速度快、不受反射物形状影响等特性[5]，微波脉冲从雷达天线发射出来，以光速在空间传达，经过泥石流沟底反射回来并被雷达接纳，脉冲信号发射与接纳之间的时刻差和光速的乘积为两倍于泥石流泥水位，然后核算出泥石流泥水位值。电磁波信号在空间中的传达速度为光速，一般在丈量间隔时，发射脉冲与接纳脉冲的时刻差极短，只要纳秒量级，设备选用先进的等效采样办法[6]将本来纳秒级的时刻间隔精确地丈量出来，然后完结对间隔的精确丈量。
1.3 监测原理
泥石流泥水位监测体系选用雷达物位传感器感知泥石流泥水位的改变，体系将收集到的实践泥水位值转化为电压信号，泥水位电压原始信号经过信号调度电路后送入A/D采样电路，将模仿电压信号转化为PIC32MX可以辨认的数字信号，经单片机数据处理后核算出泥水位值。完结一次数据收集后，体系将监测数据经过GPRS/斗极无线传输到监测渠道，一起保存到本地SD存储卡上做备份。电磁波泥水位监测体系监测原理图如图1所示。
2 监测体系硬件规划
泥水位监测体系的中心部件是单片机PIC32MX芯片，单片机完结监测数据的收集、核算和各个电路部分的逻辑操控。监测体系硬件由以下几个部分组成：信号调度电路、A/D模数转化电路、本地存储电路、供电电路和GPRS/斗极[9]通讯电路。这些电路协同作业，完结泥石流泥水位的收集、转化、处理、存储和传输，完结泥石流泥水位的监测。
2.1 信号调度电路
为去除泥水位监测进程中高频波的搅扰，体系在电路上规划了有缘二阶低通滤波电路，如图2所示。添加TS912集成运算放大器组成有缘滤波，可以更好地滤除大于高频搅扰波，使收集更精确。在TS912输出端并联一个精细电阻，将电压信号转化为A/D芯片可以承受的电压规模后输入给数据收集单元。
2.2 A/D模数转化电路
体系硬件数据收集部分的模数转化器选用ADS1256芯片，该芯片具有24位分辨率、采样速率达30 kHz，具有8个模仿量输入通道，选用5 V和3.3 V双电源供电形式，运用方便且可以满意体系对高精度、低功耗、抗搅扰的要求。模数转化电路如图3所示。
2.3 供电电路
体系的动力供应选用太阳能浮充办法给12 V铅酸蓄电池充电，电路中对12 V电压别离做转化处理，得到5 V和3.3 V电压，供应PIC单片机和A/D转化器等运用。体系的供电部分首要是CPU的供电、A/D芯片的供电及雷达物位传感器的供电。P%&&&&&%单片机需求3.3 V电压供电，硬件上选用LTC3631芯片，可安稳输出3.3 V电压，确保CPU安稳作业。ADS1256需求5 V电压供电，硬件选用LP3878-ADJ芯片进行转化得到5 V电压，该芯片可由逻辑时序程序操控作业时刻。雷达物位传感器作业于大电流电压，为此，电路上运用LM2596，该芯片可输出高达3 A的电流，确保了雷达物位传感器的正常作业。供电电路如图4、图5、图6所示。
2.4 数据存储电路
泥石流泥水位监测数据关于泥石流的发育状况有着重要的参考价值，为了确保监测数据的完整性，监测体系收集的泥水位数据除传输到监测渠道外，在硬件上规划了本地存储功用，将监测数据存储在本地SD卡内，存储容量为4 GB，按2小时收集一次数据核算，可存储2年的数据。
2.5 GPRS/斗极传输电路
泥水位监测体系的数据传输选用GPRS和斗极2种传输办法。体系在GPRS[7-8]以太网传输上规划了传输模块电路，选用MC52i传输模块，将电信、移动、联通手机通讯卡刺进SIM卡座进行数据传输。体系在硬件电路规划上留有2个RS232通讯接口，便于和斗极终端衔接。
3 体系软件规划
体系软件在户外的数据收会集完结了体系硬件的初始化、数据的收集、本地存储和传输等，它是一切设备中的操控中枢，体系软件的规划流程如图7所示。先进行终端硬件的初始化，发动ADS1256进行数据收集，收集完结后进行本地存储，随后依据通讯标志位主动挑选数据传输形式。通讯标志位为1，则GPRS传输，不然斗极传输。数据传输进程中接纳监测渠道反应信息，接纳到反应信息则标明监测数据发送成功，至此一个收集进程完毕。进行监测数据的传输时，需求进行通讯模块的初始化设置，校验用户名和暗码(可选)，设置TCP/IP 的地址与端口等。初始化时，需求MCU经过串行口按次序给模块发送以下AT 指令，设置模块及网络作业参数。初始化程序如下：
at^sics=0,conType,GPRS0 // 设置GPRS 作业形式
at^sics=0,user,cm // 用户称号 (可选)
at^sics=0,passwd,gprs // 暗码 (可选)
at^sics=0,apn,cmnet // 网络接入点称号
at^siss=1,srvType,socket // 设置服务类型为socket
at^siss=1,conId,0 // I.D.
at^siss=1,address,"socktcp://219.238.229.74:3000" // 设置服务器地址及端口
at^siso=1 // 翻开端口，开端作业
4 户外运用实验
泥水位监测体系户外运用实验点挑选在2022年冬奥会雪上项目举行地张家口市崇礼区的三道营村庙儿沟，该沟总长度1.3 km，主沟宽度10 m，夏日因为雨水冲刷简单导致沟内石块堆积，要挟着沟口三道营村乡民的生命财产安全。图8是监测体系的户外装置实验图，首要包含泥水位监测体系支护设备、监测机箱、太阳能供电体系、避雷针体系、雷达物位传感器，体系收集和传输设备存放于机箱内做到防水。经过2017年8月7日到8月12日接连六天数据监测，得到庙儿沟泥水位监测数据曲线如图9所示，横坐标为监测体系监测时刻，纵坐标为监测泥水位数据，六天监测进程中未呈现降雨，沟内泥水位未产生改变状况。
5 定论
研发的电磁波泥水位监测体系用于泥石流地质灾祸泥水位的监测，经过户外实践运转实验和获得的泥水位监测数据可知，监测体系可以正确反映泥石流泥水位值，并在泥水位产生改变时主动添加收集频率，较实在反映泥石流产生状况，为泥石流地质灾祸的研讨及冬奥会的顺畅举行供应技能支撑。
参考文献：
[1]许强.四川省8·13特大泥石流灾祸特色、成因与启示[J].工程地质学报,2010(5):596-608.
[2]唐川.汶川地震区暴雨滑坡泥石流活动趋势猜测[J].山地学报,2010(3):341-349.
[3]师哲,张平仓,舒安平.泥石流监测预告预警体系研讨[J].长江科学院院报,2010(11):115-119.
[4]杨顺,潘华利,王钧,等.泥石流监测预警研讨现状总述[J].灾祸学,2014(1):150-156.
[5]何忠良.电磁波层析成像技能的边坡工程地质勘测研讨[J].科技与立异,2017(6):153-155.
[6]张杰,张亮亮.类等效采样运用于导波雷达物位计的研讨[J].外表技能与传感器,2016(10):58-61.
[7]徐济仁,牛纪海,陈家松.GPRS的技能与运用[J].有线电视技能,2003,123(3):48-50.
[8]曹修定,戚国庆,阮俊等.GPRS技能及其在地质灾祸监测中的运用[J].我国地质灾祸与防治学报,2006,17(1):69-72.
[9]吴悦,任涛,王璇.依据斗极短报文的泥石流监测预警体系[J].主动化与外表.2014(3):19~22.
本文来源于《电子产品世界》2018年第4期第33页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
