0 引言

    我國幅員遼闊，地質環境復雜，地質災害種類繁多，而且強突發性、大破壞力的地質災害時刻威脅著人民的生命財產安全。因此，對地質災害進行有效監測，降低其危害性，減少因其造成的生命財產損失很有必要。本文針對地質災害中較為常見的山體裂縫、山體滑坡以及災后危石危樓等災害問題設計了一種云臺式地質災害體位移監測終端。終端以32位高性能微處理器PIC32單片機為核心，結合激光測距技術以及GPRS通信技術，實現對災害體在立體空間內x、y、z三軸方向上位移變化的實時采集、傳輸，以期達到實時遠程監測的目的。

1 終端總體設計

    云臺式地質災害體位移監測終端主要包括終端控制板、GPRS發送模塊、云臺、數據采集模塊、供電模塊以及標準測量體，終端總體框圖如圖1所示^[1]。云臺式地質災害體位移監測終端的主要作用是實時監控現場災害體空間內的位移變化數據，通過GPRS網絡傳輸到后端的數據平臺上。

    標準測量體是由激光測距傳感器所需反射板構成的多面目標體，固定在災害體表面隨之共同運動。終端的前端是激光測距傳感器，它負責測量終端到標準測量體某測量平面的距離，然后將采集到的數據傳送給終端控制板。終端控制板負責將接收到的數據進行處理儲存，通過同一點前后兩次的距離計算出位移數據，然后將位移數據通過GPRS模塊發送回后端平臺；同時它可以控制云臺轉動，使激光測距傳感器能夠對準標準測量體的不同測量平面，以獲得能夠使后臺計算出三軸位移所需的所有距離數據。

2 終端硬件電路設計

2.1 終端控制板

    終端控制板以PIC32MX795F512L單片機為核心，總體框架如圖2所示。PIC32MX795F512L是MICROCHIP新推出的MIPS32M4K內核的32位單片機。該款芯片具有超低功耗、外設功能豐富、計算性能強等優良特性。它具有一系列能在工作時顯著降低功耗的功能，主要包含動態時鐘切換、休眠模式工作、基于指令的節能模式等^[2-4]；片上還集成有10位的16通道ADC轉換器，其具有最大1 MS/s的轉換速度，可以應對精度要求不高的模擬量快速采樣。

    終端控制板上配置有ADS1256高速ADC轉換器，其主要任務是連接數據采集模塊數據采集模塊，接收模擬量測量數據，并對其進行量化處理。ADS1256是由TI公司生產的工業級高精度低噪聲24位串行模數轉換器，其最高輸出采樣速率30 kS/s，可以提供23位的無噪聲精度，適用于科學儀器、工業工藝控制、醫療設備等工業應用領域^[4，5]。

    終端控制板上還設計有時鐘芯片用來記錄終端運行實時時鐘；EEPROM用來存儲初始化參數，如后端服務器地址、終端機器ID、終端工作模式以及終端運行時的其他參數信息；SD卡用來存儲終端處理后發送的結果數據以備查詢使用，采用循環存儲的方式；板上還集成有發送模塊接口、云臺接口、電源接口以及環境溫度采集接口，用以和終端其他部分連接。

2.2 云臺

    云臺上下轉動范圍+60°～-50°，水平360°旋轉， RS485通信進行遠距離監控，可實時位置顯示，位置精度0.1°。改裝后，通過RS485進行通信，可通過指令控制其上下左右勻速轉動，可設置/調用128個停止點，可返回停止點角度信息。

2.3 數據采集模塊

    數據采集模塊由GHLM10C型激光測距傳感器及其外圍電路構成。GHLM10C型激光測距傳感器是由武漢承拓電子科技有限公司生產的低功耗高精度激光測距傳感器，待機功耗<0.3 W，低電平觸發，分辨率0.1 mm，精度1 mm，量程0.05 m～100 m。

2.4 標準測量體

    標準測量體三視圖如圖3所示，A、B、C為三個測量面，由激光測距傳感器的發射板制成，B、C兩面與A面夾角均為45°，與A相對的為底面，固定在被測災害體上。

3 終端測量原理及分析

3.1 豎直測量平面計算分析

    根據平面幾何原理進行圖3中豎直測量平面A的相關計算分析，如圖4所示，從P點發射的激光打到A平面上，當A移動到A′處時產生的直線位移為d，可以導出水平位移b=d×cosβ1，其中β1為激光射線與水平面夾角，即豎直轉角。推廣到立體空間內，設水平方向上的轉角為α1，則有b=d×cosβ1×cosα1，b也是標準測量體參照發射點P的水平前后方向（x軸）位移。

3.2 傾斜測量平面計算分析

    根據平面幾何原理進行圖3中傾斜測量平面B、C的相關計算分析，兩平面計算方法相同，這里以B面為例。當斜面B移動到B’時，同一方向上的激光測點會由O移動到O′，如圖5所示，設對斜面測量得到的位移為d′，其水平分量為b′=d′×cosβ2，豎直分量為a′=d′×sinβ2，推廣到立體空間內，設水平方向上的轉角為α2，則有b′=d′×cosβ2×cosα2，a′=d′×sinβ2×cosα2，標準測量體參照發射點P的水平前后位移為圖4中的b，其豎直位移為a即所求。b>0時會出現圖5中(1)、(2)、(3)三種情形，(1)中|b′|<|b|，a″=a-a′，b″=b-b′，由于斜面傾角為45°，有a″=b″，求得a=b+a′-b′，方向向上；(2)中|b′|>|b|且|a′|>|a″|，a″=a′-a，b″=b′-b，由于斜面傾角為45°，有a″=b″，求得a=b+a′-b′，方向向上；(3)中|b′|>|b|且|a′|<|a″|，a″=a-a′，b″=b′-b，由于斜面傾角為45°，有a″=b″，求得a=b′-a′-b，方向向下。當b>0時，三種情形的位移方向對應相反，計算公式相同。如此，可以計算出B、C兩斜面朝向方向（y軸、z軸）的位移。

4 終端軟件設計

4.1 終端定時工作程序設計

    終端設備采取定時工作的狀態，即設定一定的時間間隔，設備在每次時鐘到時時進行一組測量，每組測量分別測量到達標準測量體3個測量面的距離。工作流程如圖6所示。

    初始化后，檢測定時是否到時，不到時則等待休眠，到時后開始采集測量。在進行每個方向上的測量時，對其進行5次AD采樣取平均值作為測量結果，減去該點初始測量值作為位移值。將位移值、片上AD采集的環境溫度值放入發送緩存數組TXBUF，然后控制云臺轉向，進行下一個測量點測量。當一組測量完成后，將加入時間數據的發送數組儲存到SD卡中，并同時通過3G傳輸模塊發送給后端。測量過程中，云臺3點不同的轉動角度是在終端設備安裝時設定并保存在云臺內部芯片上的，這里只需要用指令調用即可。

4.2 指令接收中斷程序設計

    終端設備要能夠接收后端發來的控制指令，以便于對于設備運行狀態進行監測和變更，如圖7所示。當串口1接收到指令數據時產生接收中斷，判別包頭和地址后將控制指令從數據包中提取出來，經過查表比對確定要執行的動作，執行后退出中斷。這里重要的功能是調取SD卡儲存信息、查詢\設置定時時間間隔、校準終端設備時鐘、修改上傳數據的IP地址和接收端口以及使后端直接控制云臺轉動進行遠程應急測量等功能。

4.3 終端設備初始狀態設定軟件設計

    終端設備初始狀態的設定主要是設定云臺在一組測量中三個預設點，為此設計了一款設定軟件，如圖8所示。軟件通過串口或遠程3G網絡與終端設備通信，其主要功能是控制云臺轉動，設定云臺初始點以及多個預設定保存到云臺芯片中，并能夠保存各個設定點相對于初始點的水平旋轉角α和垂直旋轉角β，設定點的信息會顯示在面板的表格中，并且可以生成數據報表，以備后端平臺軟件解算時調用。

    本文以PIC32單片機為核心，利用傳感器技術與無線通信技術，對數據進行測量、分析、儲存、傳輸，可以通過GPRS網絡遠程監測地質災害現場信息，實現了對災害體位移數據的實時采集、監測。設備結構簡單、成本較低、運行穩定，有較高的實用價值。

參考文獻

[1] 徐新凱，孟祥印，郝夢捷，等.基于GPRS的天然氣調壓站遠程監控系統設計[J].電子技術應用，2015，41(10)：13-16.

[2] 張立，王松亭，曾艷麗．基于PIC32MX795的高壓開關運行狀態在線監測儀的研制[J].儀表技術與傳感器，2011(11)：43-47.

[3] 李誠，孫曼，陳慶旭．基于PIC32MX的嵌入式GUI移植與應用[J].電視技術，2013(11)：94-97.

[4] 王晨輝，孟慶佳．基于PIC32和ZigBee的地質災害監測系統設計[J].電子技術應用，2014，40(2)：68-70.

[5] 周海濤，董全林，周衛寧.ADS1256在多路高精度加速度計數據采集中的應用[J].航空電子技術，2009(4)：15-18.