基于STM32的山體地質形變實時監測系統

萬興兵，周鳳星，張志堅

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，武漢 430081）

對于地質監測及其發展趨勢的研究，過去往往是由人工定時采集地質狀態信息，這種方法采樣頻率低，偏遠地區實施困難，無法適應和滿足監測預報工程的需求[1-2]。利用基于GPRS網絡方式構建的遠程監測系統能夠實時、快速、高效、準確地確定山體地質的位移，傾斜等狀態信息。該系統經過測試是可行的、經濟的和方便的，也是地質災害監測技術發展的必然趨勢?？蒲腥藛T通過對遠程監控中心的地質狀態數據信息進行認真分析和研究，能夠掌握地質運動狀態的規律和趨勢，從而做到有所預見，有所把握，使國家財產和人民安全得到有效保障。

1 系統整體設計

系統的整體構成主要包括兩大部分：監測終端和遠程監控中心。監測終端主要由傾角傳感器、STM32控制器、GPRS數據發送模塊、SD卡數據讀寫模塊和供電系統五部分組成。遠程監控中心則是一臺接入Internet的具有固定IP地址的服務器，監測用戶可以通過接入Internet的電腦和手機來訪問固定IP服務器的數據，達到多用戶實時監控的目的。系統整體工作流程如圖1所示。

圖1 系統整體流程圖Fig.1 Overall flow chart of system

系統的工作流程：（1）遠程監控中心服務器打開相應的監測軟件，等待監測終端的連接；（2）服務器接收到監測終端連接信息后自動建立TCP／IP通訊通道；（3）監測終端的STM32控制板一旦檢測到連接成功便開始讀取傳感器數據，并將數據通過UART串口傳送給 GPRS模塊；（4）服務器接收GPRS模塊發來的數據并存儲顯示；（5）不同的監測用戶可通過接入Internet的電腦、手機訪問服務器數據。

系統中，傾角傳感器的安裝采用鉆孔法，每個監測點將3路傳感器安裝在不同深度的山體巖土中，這樣能夠使得獲取的地質形變信息更加準確。GPRS傳輸網絡是由網絡運營商自動完成，只需對GPRS模塊配置好相應的IP地址和端口號即可。由于地質的監測點通常會在野外或者偏遠的山區、礦區，采用太陽能電池板和大容量蓄電池為整個系統提供電力供應。

2 監測終端硬件設計與實現

微控制器是地質監測系統的控制核心，數據的采集處理、存儲及遠程發送均由微控制器完成。地質監測系統采用STM32F103ZE作為控制核心。STM32F103ZE使用ST公司高性能Cortex—M3內核，工作頻率高達為72 MHz，內置高速Flash存儲器，具有豐富的增強型I/O口和兩條APB外設總線，APB總線外設接口包含2個12 bit的ADC、3個通用16 bit定時器和一個PWM定時器。標準外設通信接口多達2個I2C和2個SPI、3個 USART、一個USB和一個CAN，豐富的外設接口為硬件設計提供了方便?？刂破骷巴鈬娐方M成的監測終端結構圖如圖2所示。

圖2 監測終端結構圖Fig.2 Monitoring terminal structure diagram

傳感器采用高精度動態雙軸數字型工業級傾角傳感器，內部集成24位ARM高端系統，分辨率高達 0.0001°，精度 0.01°，溫漂 0.0007°/℃，響應頻率高達300 Hz（波特率115200 Bd/s）。其原理是由非接觸位移傳感器、力矩馬達、誤差和放大電路、反饋電路、懸臂質量塊5部分組成[4]。該傾角傳感器精度相對于電解質原理或者是電容原理的傾角傳感器在非線性、重復性、遲滯、溫度漂移和工作溫度、抗沖擊、振動等性能上要優越得多。利用此傾角傳感器實現對山體巖土深度形變的持續測量，可以將山體巖土的細微變形所產生的傾角準確地檢測出來，足以滿足地質監測的需要。傳感器通過RS485總線與STM32控制器相連，RS485采用平衡發送和差分接收，具有抑制共模干擾的能力。除此之外，由于傳感器埋在巖土較深的位置，連線較長，為了防止信號干擾，采用磁隔離芯片ADM2587E。ADM2587E基于先進的iCoupler磁隔離技術，而且內部集成了DC/DC電源，省去了DC/DC電源的外電路設計，使用方便。該芯片還具有熱關斷和失效保護功能，可以實現穩定可靠的半雙工通信.

為了獲取數據采集的精確時間，監測終端添加了內置晶振和鋰電池的高精度時鐘芯片DS12C887，該芯片在沒有外部電源的情況下可工作長達10年之久，內置高精度時鐘調整功能，無需人工校時。DS12C887具有MOTOROLA和INTEL兩種總線工作模式，在本系統中采用INTEL總線工作模式。由于STM32系統的時鐘頻率比較高，在運行時極有可能發生干擾和被干擾的現象，嚴重時系統可能會出現死機。為了克服這種情況，不僅使用了STM32自帶的軟件看門狗，還引入了硬件看門狗芯片MAX706，用來監測處理器的運行狀態，一旦處理器失控就強行復位，引導程序重新運行，保證系統的可靠運行。

GPRS模塊選用西門子公司生產的工業級三頻模塊SIEMENS-MC55，該模塊是市場上尺寸最小、性價比相當高的三頻模塊，STM32可以直接使用AT指令集控制該模塊連接固定IP的服務器和數據發送等工作。此外，該模塊內部內嵌有TCP/IP協議棧，能夠直接將STM32發送到UART串口上的數據轉換成TCP/IP數據包進行網絡傳送，省去了自定義通信協議的麻煩。GPRS模塊是通過網關GPRS支持節點（GGSN）接入Internet的，當模塊長時間不進行網絡數據傳輸時，為了節省信道資源，網關會自動斷開模塊的網絡連接而導致模塊的網絡中斷。為了避免這種情況的發生，每隔5 min，STM32會控制GPRS模塊向遠程監控中心發送一段心跳包，保證模塊永久在線。

MC55模塊正常運行時所需電源電壓范圍是3.3 V～4.8 V，當該模塊以最大功率運行時，電路中電流的最大值可能達到2 A，為了避免模塊高功率運行時的電壓跌落而導致模塊掉電重啟等異常狀況發生，電源部分采用開關穩壓芯片LM2596-ADJ，并在電壓輸出端口并聯多個大容量電容。LM2596-ADJ是一款運用成熟的開關穩壓芯片，具有電壓輸出可調，工作性能穩定、輸出電流驅動能力強等優點。最大輸出電流高達3 A，在系統高功率運行時有較強的抵抗電壓跌落的能力，利用此芯片為系統供電，保證了電路的可靠運行。

在系統工作過程中，為了防止因GPRS模塊網絡信號丟失、SIM卡欠費停機或網絡通信故障等而不能實時傳輸數據信息，采用文件管理控制芯片CH376S外接SD卡來存儲因網絡不能正常通信時STM32采集的數據，使用存儲容量為512 M的SD卡可以存儲至少一年內非正常通信而采集的數據，避免了數據的丟失，方便工作人員及時獲取采集的數據信息并進行相關分析研究。CH376S可以控制系統讀寫U盤或SD卡中的文件，本系統中主要用于向SD卡中寫入數據。CH376S支持三種通訊接口：8位并口、SPI接口或者異步串口，在本系統中CH376S采用SPI接口與STM32F103ZE進行通訊。CH376S與STM32F103ZE和SD卡接口電路如圖3所示。STM32F103ZE自帶2個SPI接口，這里采用SPI0接口與CH376S通訊，CH376S的 SPI信號線SCS、SDO、SDI、SCK 分別與 STM32F103ZE 的 IO 口SPI0_CS，SPI0_MISI、SPI0_MISO、SPI0_SCK 對 應 連接，只需對STM32的SPI相關寄存器進行配置，即可方便的實現STM32對CH376S數據文件的讀寫。

圖3 CH376S接口電路圖Fig.3 CH376S Interface circuit schematics

3 系統軟件設計

軟件是整個系統的重要組成部分，傳感器數據的輸入、GPRS模塊數據的遠程傳輸等功能都需要通過軟件來實現，性能優良的軟件是實現整個系統正?？煽窟\行的重要前提。在本系統中的軟件設計主要包括兩個部分：監測終端的STM32程序設計和遠程監控中心服務器的程序設計。

監測終端是實現數據采集與傳輸的關鍵部分，其軟件設計采用基于MDK開發環境的C語言來完成，主要包括傳感器數據的讀取、時鐘芯片控制、GPRS數據傳輸控制、文件管理芯片CH376S的控制等。其中，傳感器數據讀取、GPRS數據傳輸控制、控制CH376S對SD卡讀寫是監測終端軟件設計的核心，本部分主要對核心部分程序流程圖進行描述。

程序的開始需要對整個監測終端進行初始化，包括STM32各個寄存器的初始化和GPRS模塊的初始化等，這個過程是由STM32控制器來完成的。然后STM32控制器控制GPRS模塊連接遠程監控中心服務器，成功連接后即進行數據的讀取與發送。當出現網絡異?；蛲ㄐ殴收蠒r，控制器控制GPRS模塊連接遠程服務器超時或不成功，控制器就將讀取的數據通過CH376S寫入SD卡[5]進行存儲，然后再次控制GPRS模塊連接服務器。程序流程圖如圖4所示。

圖4 監測終端程序流程圖Fig.4 Monitoring terminal program flow chart

遠程監控中心服務器的程序設計采用Java Socket和多線程機制相結合的框架，引人Java的多線程機制，可以建立多條Socket的通信信道，一個通信信道為一個遠程監測終端服務。這樣監控中心服務器可以同時監聽并接收多個客戶端 （監測終端）的請求。其原理是：服務器端開啟監聽線程，監聽到客戶端的請求后，立即調度一個線程，并建立一個套接字與客戶端綁定，監聽程序繼續監聽，等待下一個客戶端的請求，建立連接的線程在交互完畢后自動退出[3]。這樣便實現了服務器與多客戶端的通信，即實現多個監測終端與服務器的連接與數據傳輸。服務器程序設計主要實現的功能包括：監測客戶端的連接請求并接受連接請求，實現基于TCP/IP協議的數據接收；實現Web服務，通過瀏覽器運行并顯示接收的實時數據；數據庫技術將接收的數據進行備份存儲，實現歷史數據的查詢和顯示。服務器端的數據查詢顯示頁面如圖5所示。從圖中可以看出，數據的值很小，基本接近Y軸最低點，這是由傳感器數據取值范圍決定的，這種數值小而平坦的曲線，表明傾斜角度很小且基本沒有變化，即地質的傾角形變基本保持不變，這是實際地質狀況的真實表現。

圖5 數據查詢顯示界面Fig.5 Data query and display interface

4 結語

基于STM32和GPRS的山體地質形變實時監測系統，性能穩定、實時性強，極大地提高了偏遠地區山體地質的監測頻次，節省了人力物力，為科研工作者對地質運動規律和趨勢的研究以及地質災害的預防和預警提供了可靠的數據依據，并在實際工程中得到了應用，在其他傾角檢測的遠程監測工程中具有廣泛的推廣應用價值。

[1] 佟維妍，劉春梅，趙國材.基于GPRS數據遠程傳輸的水質參數監測系統[J].自動化與儀表，2010，25（7）：52-55.

[2] 曹修定，阮俊，吳悅.GPRS技術及其在地質災害監測中的應用[J].中國地質災害與防治學報，2006，17（1）：69-72.

[3] 王磊，許小琳.GPRS無線數據傳輸中服務器端軟件的設計和實現[J].測控技術，2007，26（11）：55-56.

[4] 陳爍輝，周翔，王漢其，等.高精度傾角傳感器檢測系統的設計與實現[J].自動化與儀表，2012，27（12）：18-20.

[5] 吉濤，蔡航.應用SD卡實現大容量存儲測試系統設計[J].陜西科技大學學報，2010，28（5）：97-101. ■