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[導讀]GPS和GPRS技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應用

摘要:由于社會發(fā)展和環(huán)境變化,滑坡災害發(fā)生十分頻繁,傳統(tǒng)的有線通信方式監(jiān)測系統(tǒng)很難實現(xiàn)。為了減少滑坡災害所帶來的損失,采用高精度CPS模塊和S3C2440芯片進行數(shù)據(jù)采集和處理,通過內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的SIM300GPRS模塊以無線方式與Internet網(wǎng)絡連接,將采集后的數(shù)據(jù)傳送至上住機進行分析其是否可能發(fā)生滑坡泥石流危害,成功實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)對測量位置的遠程實時監(jiān)測,保證了嵌入式滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的可行性。
關(guān)鍵詞:滑坡監(jiān)測系統(tǒng);ARM;GPS;GPRS

    我國是一個地質(zhì)災害多發(fā)國家,近年來,工礦產(chǎn)業(yè)逐漸由城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)向山區(qū),山體結(jié)構(gòu)遭到不同程度的損害,山體滑坡和泥石流等地質(zhì)災害頻發(fā),嚴重威脅著人們的生命和財產(chǎn)安全,并造成了重大的經(jīng)濟損失。
    目前,滑坡監(jiān)測技術(shù)主要有宏觀地質(zhì)觀測法、簡易測量法、大地精密測量法、全球定位系統(tǒng)(Clobal Positioning System,GPS)法、儀器儀表監(jiān)測法和綜合自動遙測法等。在上述技術(shù)中,采用最多的就是GPS技術(shù),GPS技術(shù)己經(jīng)廣泛應用在精密工程測量和滑坡監(jiān)測中。傳統(tǒng)滑坡監(jiān)測主要是應用傳統(tǒng)的人工巡回測試、記錄和處理。數(shù)據(jù)匯總后滑坡可能已經(jīng)發(fā)生破壞,因此不可能及時準確地對滑坡狀況進行預測。其最大弊病是難以及時甚至無法捕捉到滑坡臨近失穩(wěn)前的寶貴信息。此外,傳統(tǒng)監(jiān)測方法多采用有線方式連接,但滑坡監(jiān)視的區(qū)域一般是災害發(fā)生點,其地形險要、環(huán)境惡劣,給現(xiàn)場布線工作帶來很大的難度并有一定的危險性。
    針對這些問題,本文提出了以ARM9嵌入式處理器為核心,以數(shù)據(jù)采集技術(shù)、GPS全球定位技術(shù)、GPRS通信網(wǎng)絡技術(shù)為一體的實時嵌入式滑坡監(jiān)控系統(tǒng),具有無人值守、24小時連續(xù)工作、低成本等優(yōu)勢,并且有效地減小了山體滑坡和泥石流等地質(zhì)災害所帶來的嚴重危害,提高了預防能力。

1 滑坡監(jiān)測系統(tǒng)原理
    嵌入式滑坡監(jiān)測系統(tǒng)主要由ARM9芯片S3C2440、M87GPS數(shù)據(jù)采集處理終端和GPRS數(shù)據(jù)傳送終端組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)將GPS接收到的衛(wèi)星信號傳送至MCU,數(shù)據(jù)經(jīng)MCU處理后由GPRS模塊通過GPRS網(wǎng)絡傳送到特定IP地址的網(wǎng)絡中,最后遠程監(jiān)測PC機通過訪問Int-ernet接收數(shù)據(jù)。


1.1 嵌入式處理器S3C2440
    S3C2440是一款基于ARM920T內(nèi)核的32位R1SC嵌入式微處理器,主要應用在手持設備以及高性價比和低功耗產(chǎn)品中。S3C2440處理器主頻400 MHz,最高可達533 MHz,擁有16 kB地址高速緩存,采用16位/32位RISC結(jié)構(gòu)和ARM精簡指令集,并能夠支持WinCE、Linux等操作系統(tǒng)。
1.2 GPS模塊
    本系統(tǒng)選用HOLUX M87 GPS接收芯片,采用低耗電量MTK GPS所設計的超小型衛(wèi)星接收模塊,可實現(xiàn)GPS進行導航和定位的目的。M87對于導航應用提供高達-159 dBm的絕佳靈敏度與快速的第一次定位時間,可搜尋多達32個衛(wèi)星頻道,具有快速位置修正、在惡劣環(huán)境下持續(xù)工作的優(yōu)點。由GPS模塊輸出的CMOS電平可以直接驅(qū)動S3C2440芯片,因此在系統(tǒng)集成時可直接將GPS模塊的串口與S3C2440的串口相連,而不需要電平轉(zhuǎn)換。[!--empirenews.page--]
1.3 GPRS通訊模塊
    SIM300是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS雙頻模塊,支持TCP/IP協(xié)議、三頻/四頻/GSM/GPRS,支持PDU模式和文本模式的短消息傳送,支持數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸,使用時更加方便靈活。SIM300模塊主要由基帶處理器、供電模塊、FLASH模塊、ZIF連接器天線接口和GSM射頻模塊5個部分組成。
    在該設計中,GPRS模塊的接口信號RXD,TXD與S3C2440的TXD0、RXD0連接,當系統(tǒng)和GPRS模塊啟動后,MCU通過串口直接向GPRS模塊發(fā)送AT指令使其接入GPRS網(wǎng)絡并進行參數(shù)設置。其內(nèi)容包括波特率、網(wǎng)關(guān)、GPRS模塊的類別、測試GPRS服務是否開通等。
    對GPRS主要的設置工作有:
    1)是否為GPRS網(wǎng)絡覆蓋區(qū):AT+CGPRS=1;2)GPRS附著:AT+CGATT=1。表示己連到GPRS網(wǎng)絡上;3)定義PDP上下文:AT+CGDCONT=1,IP,cmnet。設置GPRS接入網(wǎng)關(guān)為中國移動網(wǎng);4)初始化一個新端口并且與遠端建立一個連接;5)“ATDT*99***1#”用來撥通連接GPRS節(jié)點服務器,操作成功則返回CONNECT。“*99***1#”是GPRS業(yè)務號碼。

2 滑坡監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計
    嵌入式滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的硬件以S3C2440及其外圍部件為基礎,通過串口控制GPS模塊和GPRS模塊的動作,最終達到系統(tǒng)要求。
2.1 電源電路
    電源電路是整個系統(tǒng)工作的基礎,電源的工作特性直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在電源的設計過程中著重考慮以下因素:輸入的電壓、電流;電源保護;輸出的電壓、電流和功率;電磁兼容和電磁干擾;體積限制等。由于ARM9芯片的高速、低消耗、低功耗等特性導致其噪聲容限低,對電源瞬態(tài)響應性、可靠性、時鐘穩(wěn)定性等都提出了更高的要求。
    滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的供電電源為變壓器220 V轉(zhuǎn)5 V供電,5 V電源主要給串口RS232和其他外圍芯片供電,3.3 V主要給I/O口、NandFlash、SDRAM、復位芯片等提供電源。1.25 V供電采用MAXIM公司的低功耗線性電源芯片MAX8860EUA18,為S3C2440提供內(nèi)核電壓。
2.2 系統(tǒng)時鐘電路
    S3C2440需要兩個外部晶振電路:一路做CPU時鐘;另一路給RTC提供時鐘。時鐘電路如圖2所示。


2.3 JTAG調(diào)試接口設計
    聯(lián)合測試行動小組(Joint Test Action Group,JTAG)是一種國際標準測試協(xié)議,主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進行仿真、調(diào)試。目前大多數(shù)比較復雜的器件都支持JTAG協(xié)議,標準的5線JTAG包含TCK、TMS、TDI、TDO和TRST,JTAG電路如圖3所示。

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3 滑坡監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計
3.1 經(jīng)緯度計算兩點之間的距離
    由于地球表面是不規(guī)則的橢球體,因此十分精確的測量任兩點間的距離是非常困難的。但是,在滑坡監(jiān)測中一般用于小范圍兩點間距的測量,所以可以通過近似的方法來簡化求解過程,同時也能快速得到令人滿意的求解值。計算位移程序如下:

 
3.2 平臺演示
    本系統(tǒng)通過GPS接收模塊可以準確的輸出定位信息,首先確定基準位置:如$GPRMC,020534.000,A,3746.9012,N,11233.5839,E,0.00,96.40,101210,,,A*50,信息經(jīng)數(shù)據(jù)采集終端采集處理后輸出:10:05:34.3746.9012,N,11233.5839,E 2010.  12.10。每隔一分鐘采集一次,本次試驗共采集兩次,偏移位置:如$GPRMC,020634.000,A,3746.8643,N,11233.5916,E,0.00,96.40,101210,,,A*50,信息經(jīng)數(shù)據(jù)采集終端采集處理后輸出:10:06:34.3786.8643,N,11233.5916,E 2010.12.10。經(jīng)GPRS傳送給上位機進行數(shù)據(jù)比較處理,然后計算出此次采集偏移量,得到是否可能發(fā)生滑坡泥石流危害,如圖4所示。
 


4 結(jié)論
    本文給出了針對傳統(tǒng)滑坡現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的改進方案,并對整體結(jié)構(gòu)進行了深入分析,根據(jù)所需要實現(xiàn)的功能構(gòu)建了整體軟硬件開發(fā)平臺。提出了一種基于ARM的嵌入式滑坡監(jiān)測系統(tǒng),通過GPS定位系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集終端,并結(jié)合GPRS通信網(wǎng)絡實現(xiàn)了一種更加安全穩(wěn)定的滑坡現(xiàn)場監(jiān)測方案。

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