0 引言

    泥石流災害是我國地質災害中威脅較為嚴重的災害之一，嚴重威脅人民的生命財產安全，制約我國經濟社會的可持續發展^[1]。以往的泥石流監測手段一般是在野外環境下建立初步的簡易監測點，主要通過人工手段來記錄現場發生的具體情況，技術含量較低，預警預報準確率不高，而且易受到環境條件影響，在遇到暴風暴雨時監測預警工作極難開展。因此，本文利用微處理器STM32F107VCT6及低噪聲雙通道模數轉換芯片AD7706共同構建低功耗泥石流遠程監測系統，對泥石流災害現場多監測參數實現不間斷實時數據采集，有效提高數據采集速度和采集精度，降低系統功耗，極大提升泥石流遠程監測系統的穩定性，便于在野外惡劣環境下實現泥石流遠程動態實時監測^[2]。

1 系統總體結構設計

    該監測系統主要由低功耗微處理器STM32F107VCT6、電源模塊、數據采集模塊(泥位和流速采集模塊)、A/D轉換模塊、數據存儲模塊、數據傳輸模塊和地質災害監測預警云服務器組成。STM32F107VCT6作為主中央處理器，控制協調具體的數據采集、存儲、傳輸與命令控制；A/D轉換電路可以采集泥位、流速監測數據；通過GPRS/北斗衛星多模通信方式將監測數據有效傳送至地質災害監測預警云服務器；云服務器可實時查詢現場監測數據，可根據歷史數據進行相應的數據分析及預警模型，并判斷泥石流運動趨勢及時發出預警預報信號；數據存儲模塊負責將采集數據實時保存到SD卡中^[3]。系統總體結構框圖如圖1所示。

2 系統硬件電路設計

2.1 微處理器簡介

    STM32F107VCT6是ARM Cortex-M3內核，是一款低成本高性能的RISC微處理器，集成各種高性能工業互聯型標準接口，主要包括10個定時器、AD模數轉換、DA數模轉化、無線網絡接口、外接2 Kbit的IIC接口及SPI模式的MicroSD存儲接口；具有6～12個時鐘周期，可實現快速嵌套中斷，具有MPU保護設定訪問規則，且軟件具有完美的兼容性，可以適應多種物聯應用。

2.2 數據采集電路

    利用STM32F107VCT6定時器中斷的方式采集現場降雨量，利用電磁波雷達采集泥石流泥位數據，采用多普勒雷達采集泥石流流速數據，將泥位和流速傳感器輸出的電壓信號輸入到AD轉換電路進行模數轉換。系統采用的AD轉換芯片是AD7706，AD7706是一款高性能、16位Σ-Δ型模數轉換器，分辨率較高，功耗低，能夠滿足寬動態范圍以及較低的抗混疊要求。AD7706具有三通道準差分模擬輸入，簡化了硬件電路設計，可以支持單極性、雙極性信號輸入和自校準、系統校準，它的非線性度達到0.003%，工作電壓支持3.3 V和5 V供電模式。本系統采用與微處理器相同的3.3 V供電模式，AD7706與單片機通過SPI進行通信，片選信號串行時鐘輸入SCLK、串行數據輸入DIN、串行數據輸出DOUT、狀態信號分別與STM32F107VCT6的PA4、PA5、PA6、PA7及PA8相連^[4]。其接口電路如圖2所示。

2.3 電源電路設計

    泥石流遠程監測系統大多工作在野外環境，需要為系統提供可靠穩定的電源供應。系統的電源電路有12 V、5 V、3.3 V 3種，12 V電源由太陽能供電系統構成，主要包括單晶硅太陽能電池板和鋰電池，用于為泥位傳感器、流速傳感器、數據傳輸模塊提供電源；LP3878電源模塊提供穩定的5 V輸出，用于為數據采集電路供電^[5]。5 V電源電路原理圖如圖3所示。

    微處理器的供電電源為3.3 V，由蓄電池提供12 V電源經降壓電路轉換為3.3 V，考慮到系統低功耗設計，3.3 V電源電路采用功耗非常低的降壓模塊LTC3631，電源電路原理圖如圖4所示，LTC3631的靜態電流是12 μA，在3.3 V電壓下最大輸出電流可以達到100 mA。

2.4 數據存儲電路

    MicroSD卡是一種具有可移動性低功耗的Flash多功能微型存儲卡，具有智能保護功能，具有傳輸效率快、存儲容量高的特點。數據存儲電路用來將現場采集到的監測數據實時存儲到MicroSD卡中，這樣可以保證數據的完整性，同時實現數據的歷史查詢，當信號質量出問題數據傳輸不出去時可以對數據進行保存。STM32F107VCT6不具備SDIO接口，采用SPI通信模式實現對MicroSD卡的讀寫操作^[6]。MicroSD卡接口電路如圖5所示。

2.5 數據傳輸電路

    本設計數據傳輸電路分為兩部分，分別是GPRS傳輸和北斗衛星傳輸。GPRS傳輸作為常規的傳輸模式，其傳輸簡單、可靠、穩定，在數據傳輸時優先選擇GPRS傳輸。在某些偏遠地區無法滿足GPRS信號時就要選擇北斗衛星傳輸模式，雙重傳輸模式能有效保證數據傳輸的可靠性和穩定性，系統通過RS232串口分別與GPRS模塊和北斗衛星傳輸模塊連接。

    GPRS模塊選用西門子MC52iR3，它具有低功耗模式，在休眠模式下工作電流僅為3 mA，可以支持TCP/IP協議棧，通過GPRS網絡以TCP/IP數據包方式將現場采集到的監測數據實時傳輸到遠程地質災害監測預警云服務器。北斗衛星傳輸模塊選用國智恒集團的BGT-500型北斗通信模塊，它結構緊湊，支持北斗衛星系統RDSS的S、L頻點和RNSS的B1、L1頻點，可實現RDSS的雙向定位和短報文通信功能，具有較高的集成度和較低的功耗，通過北斗衛星以短報文方式將監測數據傳輸到云服務器。

3 系統軟件設計

    系統軟件設計在ARM公司的Keil5集成開發環境下采用C語言編程實現，主要包括系統初始化、降雨量采集、泥石流泥位和流速采集、數據存儲、數據傳輸等。主程序流程圖如圖6所示。

3.1 數據采集軟件設計

    數據采集程序由微處理器與AD7706共同完成，主要包括AD數據采集和數字量數據采集。系統上電初始化AD7706后，配置微處理器端口，通過寫入通信寄存器選擇AD輸入通道并設置下一次操作為寫時鐘寄存器；根據泥位、流速傳感器實際需要設置時鐘寄存器并選擇合適的AD更新速率；寫通信寄存器并設置下一次操作為寫置位寄存器；寫設置寄存器選擇合適參數并啟動AD轉換，當查詢DRDY由高電平變為低電平時表示數據轉換完成，然后寫通信寄存器并設置下一次操作為讀取數據寄存器，通過讀取數據寄存器中數據得到最新的AD轉換數據。AD數據采集流程圖如圖7所示。

3.2 數據存儲軟件設計

    本系統采用SPI通信模式進行數據存儲，MicroSD卡上電初始化后，會自動進入總線模式，由嵌入式微處理器向MicroSD卡發送74個時鐘周期，將片選信號CS信號拉低。考慮到MicroSD卡讀寫命令不易讀寫，采用移植FAT32文件系統以文件的形式存儲數據，直接調用FAT32_Status、FAT32_Open_File、FAT32_Close_File、FAT32_Read_File等函數對MicroSD卡進行操作^[7]。

3.3 數據傳輸軟件設計

    數據傳輸軟件采用模塊化設計思路，嵌入式微處理器與云服務器通過GPRS或北斗進行數據交互。數據傳輸軟件主要包括系統初始化模塊、信號檢測模塊、數據建立連接模塊、數據傳輸模塊。串口初始化后，首先調用傳輸函數，檢測傳輸信號，如檢測有GPRS網絡則采用GPRS模式進行傳輸，否則采用北斗衛星傳輸模式。微處理器與后端云服務器建立連接，調用GPRSconnection()函數，根據云服務器要求以TCP/IP數據包的形式進行數據發送；在北斗衛星傳輸模式下，調用BDConnction()函數，檢測北斗主機號是否與云服務器北斗主機一致，如相同則繼續執行數據發送程序，北斗模式下以短報文形式進行數據發送^[8]。數據傳輸軟件流程圖如圖8所示。

4 結論

    本文以微處理器STM32F107VCT6與AD7706共同構建泥石流遠程監測系統，系統可以實時在線采集泥石流災害現場雨量、泥位、流速數據，通過GPRS/北斗衛星傳輸網絡進行數據傳輸，遠程地質災害監測預警云服務器與地質災害現場可實現實時在線通信，對現場數據可以進行實時查詢、分析及數據處理，系統穩定可靠、成本低、功耗低，在泥石流災害監測中有較好的應用前景。

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作者信息:

王晨輝，郭  偉

（中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定071051）