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作者 / 董翰川^1,2 庞丽丽^1,2 宋继武^1,2   1中国地质调查局水文地质环境地质调查中心(河北 保定 071051) 2国土资源部地质环境监测技术重点实验室(河北 保定 071051)

*基金项目：京津唐张交通廊道规划建设区1:5万环境地质调查(编号：DD20160232)

董翰川(1985 -)，男， 工学硕士，工程师，研究方向：地质灾害监测技术。

摘要：设计了一个基于电磁波原理的泥水位监测系统，系统以PIC32MX和ADS1256芯片为核心，选用基于电磁波原理的雷达物位传感器完成泥石流泥水位感知，能够远程设定数据采集频度、根据设定阈值自动增加数据采集频率。系统具有GPRS和北斗两种传输模式，能够在GPRS信号微弱情况下自动切换到北斗数据传输模式，有效保证了数据传输的可靠性。阐述了系统的工作原理和软硬件设计思路，并在张家口市崇礼区三道营村庙儿沟进行了野外应用。

0 引言

　　我国是一个多山国家，山地面积约占全国土地面积的69%，山区常见的崩塌、滑坡、泥石流、岩溶塌陷等山区地质灾害给当地村民的生活造成了严重影响。其中，泥石流具有发生突然、历时短暂、来势凶猛和破坏力强等特点，而成为最有影响力的灾害之一，对泥石流进行监测和预报成为防治地质灾害发生的一个重要环节^[1-2]。泥石流自上而下可分为形成区、流通区和堆积区三个阶段^[3]。基于泥石流产生、运动和危害三个阶段的特点，对泥石流泥水位的监测和分析成为泥石流监测的重要手段^[4]。

1 泥水位监测系统概况及原理

1.1 概况

　　泥水位监测系统是针对泥石流地质灾害专业监测的设备，实时监测泥石流发生过程泥水位的高度，根据泥水位设定阈值自动增加采集密度，并将监测数据实时传输到监控平台。泥水位监测数据自动保存在本地存储卡上，可作为泥石流泥水位数据研究分析。设备采用太阳能蓄电池浮充方式进行供电，能够自身提供能源动力。受中国地质调查局地质调查项目“京津唐张交通廊道规划建设区1:5万环境地质调查”资金支持，该监测系统目前已安装在张家口市崇礼区三道营村庙儿沟泥石流沟进行野外试验。

1.2 电磁波监测技术

　　泥石流发生时通常伴有泥流、水流和石流，以往的超声波监测方法常常由于沟底不平整而无法接收反射波，导致无法捕捉泥水位数据。电磁波具有传播速度快、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，以光速在空间传播，通过泥石流沟底反射回来并被雷达接收，脉冲信号发射与接收之间的时间差和光速的乘积为两倍于泥石流泥水位，从而计算出泥石流泥水位值。电磁波信号在空间中的传播速度为光速，通常在测量距离时，发射脉冲与接收脉冲的时间差极短，只有纳秒量级，设备采用先进的等效采样方法^[6]将原本纳秒级的时间间隔准确地测量出来，从而实现对距离的准确测量。

1.3 监测原理

　　泥石流泥水位监测系统采用雷达物位传感器感知泥石流泥水位的变化，系统将采集到的实际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理电路后送入A/D采样电路，将模拟电压信号转换为PIC32MX能够识别的数字信号，经单片机数据处理后计算出泥水位值。完成一次数据采集后，系统将监测数据通过GPRS/北斗无线传输到监测平台，同时保存到本地SD存储卡上做备份。电磁波泥水位监测系统监测原理图如图1所示。

2 监测系统硬件设计

　　泥水位监测系统的核心部件是单片机PIC32MX芯片，单片机完成监测数据的采集、计算和各个电路部分的逻辑控制。监测系统硬件由以下几个部分组成：信号调理电路、A/D模数转换电路、本地存储电路、供电电路和GPRS/北斗[9]通信电路。这些电路协同工作，完成泥石流泥水位的采集、转换、处理、存储和传输，实现泥石流泥水位的监测。

2.1 信号调理电路

　　为去除泥水位监测过程中高频波的干扰，系统在电路上设计了有缘二阶低通滤波电路，如图2所示。增加TS912集成运算放大器组成有缘滤波，能够更好地滤除大于高频干扰波，使采集更准确。在TS912输出端并联一个精密电阻，将电压信号转换为A/D芯片能够接受的电压范围后输入给数据采集单元。

2.2 A/D模数转换电路

　　系统硬件数据采集部分的模数转换器选用ADS1256芯片，该芯片具有24位分辨率、采样速率达30 kHz，具有8个模拟量输入通道，采用5 V和3.3 V双电源供电模式，使用方便且能够满足系统对高精度、低功耗、抗干扰的要求。模数转换电路如图3所示。

2.3 供电电路

　　系统的能源供给采用太阳能浮充方式给12 V铅酸蓄电池充电，电路中对12 V电压分别做转换处理，得到5 V和3.3 V电压，供给PIC单片机和A/D转换器等使用。系统的供电部分主要是CPU的供电、A/D芯片的供电及雷达物位传感器的供电。PIC单片机需要3.3 V电压供电，硬件上采用LTC3631芯片，可稳定输出3.3 V电压，保证CPU稳定工作。ADS1256需要5 V电压供电，硬件采用LP3878-ADJ芯片进行转换得到5 V电压，该芯片可由逻辑时序程序控制工作时间。雷达物位传感器工作于大电流电压，为此，电路上使用LM2596，该芯片可输出高达3 A的电流，保证了雷达物位传感器的正常工作。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对于泥石流的发育状况有着重要的参考价值，为了保证监测数据的完整性，监测系统采集的泥水位数据除传输到监测平台外，在硬件上设计了本地存储功能，将监测数据存储在本地SD卡内，存储容量为4 GB，按2小时采集一次数据计算，可存储2年的数据。

2.5 GPRS/北斗传输电路

　　泥水位监测系统的数据传输采用GPRS和北斗2种传输方式。系统在GPRS^[7-8]以太网传输上设计了传输模块电路，选用MC52i传输模块，将电信、移动、联通手机通信卡插入SIM卡座进行数据传输。系统在硬件电路设计上留有2个RS232通信接口，便于和北斗终端连接。

3 系统软件设计

　　系统软件在野外的数据采集中完成了系统硬件的初始化、数据的采集、本地存储和传输等，它是所有设备中的控制中枢，系统软件的设计流程如图7所示。先进行终端硬件的初始化，启动ADS1256进行数据采集，采集完成后进行本地存储，随后根据通信标志位自动选择数据传输模式。通信标志位为1，则GPRS传输，否则北斗传输。数据传输过程中接收监测平台反馈信息，接收到反馈信息则表明监测数据发送成功，至此一个采集过程结束。进行监测数据的传输时，需要进行通讯模块的初始化设置，校验用户名和密码(可选)，设置TCP/IP 的地址与端口等。初始化时，需要MCU通过串行口按顺序给模块发送以下AT 指令，设置模块及网络工作参数。初始化程序如下：

　　at^sics=0,conType,GPRS0 // 设置GPRS 工作模式

　　at^sics=0,user,cm // 用户名称 (可选)

　　at^sics=0,passwd,gprs // 密码 (可选)

　　at^sics=0,apn,cmnet // 网络接入点名称

　　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 // 打开端口，开始工作

4 野外应用试验

　　泥水位监测系统野外应用试验点选择在2022年冬奥会雪上项目举办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，夏季由于雨水冲刷容易导致沟内石块堆积，威胁着沟口三道营村村民的生命财产安全。图8是监测系统的野外安装试验图，主要包括泥水位监测系统支护设施、监测机箱、太阳能供电系统、避雷针系统、雷达物位传感器，系统采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日连续六天数据监测，得到庙儿沟泥水位监测数据曲线如图9所示，横坐标为监测系统监测时间，纵坐标为监测泥水位数据，六天监测过程中未出现降雨，沟内泥水位未发生变化情况。

5 结论

　　研制的电磁波泥水位监测系统用于泥石流地质灾害泥水位的监测，通过野外实际运行试验和取得的泥水位监测数据可知，监测系统能够正确反映泥石流泥水位值，并在泥水位发生变化时自动增加采集频率，较真实反映泥石流发生情况，为泥石流地质灾害的研究及冬奥会的顺利举办提供技术支撑。

　　参考文献：

　　[1]许强.四川省8·13特大泥石流灾害特点、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预测[J].山地学报,2010(3):341-349.

　　[3]师哲,张平仓,舒安平.泥石流监测预报预警系统研究[J].长江科学院院报,2010(11):115-119.

　　[4]杨顺,潘华利,王钧,等.泥石流监测预警研究现状综述[J].灾害学,2014(1):150-156.

　　[5]何忠良.电磁波层析成像技术的边坡工程地质勘察研究[J].科技与创新,2017(6):153-155.

　　[6]张杰,张亮亮.类等效采样应用于导波雷达物位计的研究[J].仪表技术与传感器,2016(10):58-61.

　　[7]徐济仁,牛纪海,陈家松.GPRS的技术与应用[J].有线电视技术,2003,123(3):48-50.

　　[8]曹修定,戚国庆,阮俊等.GPRS技术及其在地质灾害监测中的应用[J].中国地质灾害与防治学报,2006,17(1):69-72.

　　[9]吴悦,任涛,王璇.基于北斗短报文的泥石流监测预警系统[J].自动化与仪表.2014(3):19~22.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第4期第33页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。

关键词： 电磁波 泥水位 PIC32MX ADS1256 GPRS/北斗 201804