基于STM32的泥石流監測預警系統設計*

溫宗周 劉 超 袁妮妮 費騰蛟 趙建新 周 冬

(西安工程大學電子信息學院 西安 710048)

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基于STM32的泥石流監測預警系統設計*

溫宗周 劉 超 袁妮妮 費騰蛟 趙建新 周 冬

(西安工程大學電子信息學院 西安 710048)

目前我國在地質災害監測中對于泥石流的監測主要依靠人工的方法,成本高,實時性差,論文針對這一問題設計了一種基于32位微控制器的智能監測系統。該系統能夠實現對監測區域的降雨量,土壤含水率,泥水位變化,次聲等信息的實時采集并通過GPRS/CDMA或衛星上傳到監測中心,監測中心通過相應的模型算法對數據處理分析得出相應的災害狀態。通過實驗測試,系統運行穩定,能夠達到設計目標要求。

STM32; 泥石流; 監測預警

Class Number TP23

1 引言

近年來國內特大災害性泥石流頻繁發生,這些災害性泥石流規模超大破壞性強,評估監測和防治困難,監測預警工作缺乏。在此基礎上國家出臺了一系列的防災減災對策,國家中長期科技規劃(2006—2020)中明確:重點領域是“對突發公共事件快速反應和應急處置的技術支持”,優先主題為“重大災害的監測預警技術以及綜合風險分析評估技術”。所以泥石流等地質災害的監測預警、評估治理等防災減災工作成為目前我國經濟社會發展的重要工作,成為我國中長期發展的國策[1～4]。

對于現有泥石流災害的監測工作具有以下弊端,首先,人力成本高,維護困難。其次,數據準確性差,實時性不高。最后,災害多發生在偏遠山區,不便于統一管理,難以保證監測人員的安全[5～6]。針對以上問題,本文結合無線通信技術和智能信息采集技術設計了基于STM32的具有數據采集和無線傳輸的遠程智能監測系統.實現了對監測區域的降雨量,土壤含水率,泥位變化,次聲等信息的實時采集并通過GPRS無線網絡或衛星上傳到監測中心,監測中心通過對數據的分析處理得出相應的災害狀態。

2 系統總體設計

結合系統布設地區地理特點,設計了一套時效性強、準確度高、傳輸穩定、分析快捷、預警及時有效的智能監測系統,對災害易發區進行嚴密地監控。本系統主要由以下幾部分組成:信息采集部分,數據傳輸部分,數據處理與監控部分,預警部分。系統總體設計如圖1所示。

圖1 泥石流監測預警系統總體設計

信息采集方面以自動化監測設備為主,人工監測設備為輔助,動靜結合。監測系統前端由雨量、土壤含水率、泥位、斷線、次聲[7～10]等傳感器部分組成,根據實際需要來選用。由于災害易發區域大多不通電,信號不好,甚至處于無人區域,因此通訊上需要數據通過GPRS/SMS/北斗衛星等多種通信方式進行傳輸確保通信暢通。數據處理部分由系統收集信息數據整理存檔,并提供展示平臺、分析模型、數據管理、預警機制等。平臺結合群測群防組織,優勢互補,反應及時,力爭達到準確預警的水平。預警部分有三種途徑: 1) 發短信到相關人員手中; 2) 監控中心平臺顯示; 3) 可能發生災害區域預裝的廣播和警示燈報警。最終實現災害監測預警工作中的“統一指揮、反應靈敏、功能齊全、協調有序、運轉高效”的目標。

3 硬件設計

依據系統的功能需求,其硬件電路主要由最小系統模塊、電源模塊、信息采集模塊、信息存儲模塊、無線通信模塊、人機交互模塊等幾部分組成?？傮w設計結構框圖如圖2所示。

電源部分采用12V供電,采用低功耗模式的設計思想能夠給監測終端提供足夠穩定的電壓并可以降低整體的功耗,程序下載選擇SWD方式,這種模式支持更少的引腳而且在高速模式下更加可靠。LCD顯示部分便于現場查看數據和設備調試。信息采集和傳送部分根據監測現場的實際情況可采用長期分時采集也可選擇所關心的數據和時間段進行召測。無線通信模塊包括GPRS通信和衛星通信兩部分組成并互為備用,在偏遠山區GPRS通信中斷的情況下可切換到衛星通信以保證系統的功能正常和穩定[8]。

圖2 總體設計框圖

3.1 STM32F407ZGT6最小系統設計

最小系統的設計主要依據STM32F407參考手冊,系統時鐘的振蕩源選用外部8MHZ晶振,22PF的負載電容與晶振構成諧振器;外部低速時鐘的振蕩源選用外部32.768MHZ的晶振,負載電容為10PF并與晶振構成諧振器。系統默認BOOT1=0,BOOT=0從用戶閃存啟動,這是正常的工作模式。也可選擇BOOT1=0,BOOT0=1從系統存儲器啟動,這種模式啟動的程序功能由廠家設置。具體電路設計如圖3所示。

3.2 存儲模塊設計

依據設計功能需求存儲模塊由兩部分組成:一部分用于存儲相關采集和發送的數據,另一部分用于存儲系統參數,根據各自不同的特點本設計選用W25Q128BV存儲芯片存儲相關數據,選用FM24C64芯片存儲系統參數。

串行flash存儲器W25Q128BV為那些對空間大小,引腳數,功耗有限制的系統提供了一個適合的存儲解決方案。供電范圍為2.7V～3.6V,在激活狀態下電流功耗低到4MA,睡眠狀態下則降低到1UA。具體電路設計如圖4所示。

FM24C64是一種串行非易失存儲器,存儲容量為64K,數據在掉電后可以保存10年,可以支持1萬億次的讀寫次數,接口方式為工業標準二線制串行接口,與串行EEPROM的功能操作相似,與EEPROM具有相同的引腳排列,優點在于FM24C64具有非常出色的寫操作性能。具體設計電路如圖5所示。

圖3 最小系統啟動方式部分電路圖

圖4 W25Q128BV存儲電路原理圖

圖5 FM24C64存儲電路原理圖

3.3 通信模塊接口設計

本設計選用SIMCOM公司的SIM6320(CDMA/EVDO)作為無線通信模塊的主控芯片實現GPRS通信,支持供電電壓范圍3.3V～4.2V,底板上設計有和無線模塊通信的標準接口和模塊電源控制電路,接口電路如圖6所示。

圖6 無線通信接口電路設計

4 軟件設計

4.1 下位機軟件設計

4.1.1 系統軟件主流程設計

泥石流災害多發生在條件惡劣的偏遠地區,各種干擾因素比較多,在這種條件下要保證整個監測系統的正常運行就必須有一套穩定可靠的軟件系統的支持,本系統采用意法半導體的STM32F407芯片作為核心控制器,充分利用ST官方提供的3.5版本的函數庫并采用Keil軟件進行開發,豐富的庫函數大大提高了程序的開發效率,主程序中采用任務輪詢方式的循環設計思想結合模塊化設計,充分保證了系統的正常運行,系統主流程圖設計如圖7所示。

設備上電后首先進行芯片和所有外設的初始化,其中包括電源、系統時鐘、時基定時器、RTC,所有GPIO引腳、看門狗、中斷和串口等,初始化成功則進入while(1)循環進行任務輪詢并將看門狗標志位清零,任務包括時間設置,雨量、水位采集,串口和GPRS協議處理,數據下載等。因為本設計不涉及操作系統所以對多任務的處理采取循環執行并結合中斷的方式,中斷分為系統時基定時器中斷,外部脈沖中斷和串口中斷的方式,這樣就可以保證系統即能夠及時響應外部事件也可以按一定的時間順序執行任務進而達到實時監測的目的。

圖7 系統主流程圖設計

4.1.2 事件任務程序設計

泥石流監測系統要監測的量很多,簡單高效的任務函數是程序設計的關鍵,代碼編寫要求格式規范,邏輯清晰。下面列出了本程序設計中的一些主要的自定義任務函數:

Task_Time(); //時間的讀取和設置

Task_VoltsTemper(); //電源電壓和溫度檢測

Task_ComAgreement(); //串口協議解析

Task_GprsAgreement(); //GPRS協議解析

Task_Rain(); //雨量和土壤含水率采集

Task_Mud(); //泥位變化

Task_DataStore(); //數據下載和存儲

Task_Dtu(); //GPRS接收和發送任務

Task_TimingReport(); //定時上報數據

Task_SystemReset(); //RTU復位重啟

4.1.3 中斷程序設計

系統時基定時器一般情況下用于實時操作系統,在沒有操作系統的情況下也可當成一個標準的遞減計數器,當計數器為0時能產生一個可屏蔽中斷,本文就是利用它的計數功能每0.1s產生一次中斷,在此基礎上可實現時間讀取,定時喂狗,間隔一定時間采集數據,定時上報數據,規定時間外部程序未執行進行復位等任務。外部脈沖中斷主要用于接收雨量傳感器發送來的外部脈沖,并通過脈沖數量計算出當前雨量。串口中斷一共有四個串口1主要用于程序調試和監控,串口2用于和GPRS模塊通信傳送數據和命令等,串口3和4外接485芯片,用于接收485信號同時串口3接外部手持設備,可進行參數設置和實時數據讀取等。

4.2 上位機軟件程序設計

上位機軟件程序面向用戶,能夠提供系統參數的設置,實時數據的顯示、歷史數據查詢以及基于時間的數據查找等基本的功能,同時還能通過網口或者串口發送不同的命令來控制設備處于不同的工作狀態。通過上位機界面程序,用戶可以在控制室的計算機上遠程查看設備的運行狀態,數據采集情況,并進行相應的操作控制,上位機軟件程序的工作主流程如圖8所示。

圖8 上位機軟件程序主流程圖設計

本系統的上位機程序采用Qt圖形庫并結合MySQL數據庫進行開發設計,使用串行接口透傳工具建立虛擬的串行接口到設備接口的網絡映射,通過響應串口的事件讀取設備傳送來的數據,并將接收到的數據按照相應的協議解析,根據不同的數據類型區分并處理,傳送的數據主要有響應命令、時間信息、采集到的數據等,并將這些信息以時間戳作為索引存入MySQL數據庫并保存,另外,用戶還可以通過界面程序發送響應的命令對終端設備進行例如設備復位、電壓及電量查詢等操作,設備接收到命令并處理后將返回命令響應和反饋結果。上位機界面設計如圖9所示。

圖9 上位機用戶界面設計

5 結語

泥石流監測預警系統主要包括泥石流監測區的降雨量監測、次聲監測、泥水位監測、土壤含水率監測等以及與之關聯的監控中心和預警系統。目的在于研發設計一套準確、有效、穩定的全自動一體化監測預警系統,為泥石流防災減災工作提供相應的保障。該系統安裝在災害易發區域,能夠對易發生泥石流災害的區域進行長期的監測和災害分等級預報,對于防災減災很有實用價值。系統的優點在于多參數協調分析,綜合決定泥石流災害的不同等級并進行有效的預防。系統運行期間,由雨量監測點、泥水位監測點和次聲監測點等自動采集相關數據并將其發送到控制中心,控制中心實時分析、處理、顯示數據并根據相應的預報模型進行不同等級的災害預報。本系統采用太陽能板加鋰電池供電,并以遙測終端設備實現雨量、泥位和次聲的自動采集和傳輸,野外監測點采用有人看管、無人值守的方式,節省人力資源,保證工作人員的安全,極大的提高了工作效率,具有較大的實際應用價值。

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Debris Flow Monitoring and Early Warning System Based on STM32 Design

WEN Zongzhou LIU Chao YUAN Nini FEI Tengjiao ZHAO Jianxin ZHOU Dong

(College of Electronics & Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048)

Currently the debris flow monitoring in our country mainly rely on artificial observation, it has many problems such as high cost, poor real-time. Based on the STM32 data remote transmission, a telemetry terminal is designed in this paper which combined with wireless data transmission technology. The experimental results show that the data of soil moisture content, infrasound and sound, rainfall and image information can be collected on real-time by the system, and then collected data will be reported to the central station through GPRS wireless network. The central station finally has a comprehensive evaluation to the telemetry parameter data on real-time of the terminal debris flow by the debris flow monitoring prediction model based on neural network algorithm.

STM32, debris flow, monitoring and early warning

2016年7月9日,

2016年8月27日

溫宗周,男,副教授,研究方向:嵌入式系統應用與開發。劉超,男,碩士研究生,研究方向:嵌入式系統在工業中的應用。袁妮妮,女,碩士研究生,研究方向:嵌入式系統在工業中的應用。費騰蛟,男,碩士研究生,研究方向:嵌入式系統在工業中的應用。趙建新,男,碩士研究生,研究方向:嵌入式系統在工業中的應用。周冬,男,碩士,研究方向:嵌入式系統在電力上的應用。

TP23

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.01.020