摘要：由于社會發(fā)展和環(huán)境變化，滑坡災(zāi)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(zāi)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(luò)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(zāi)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(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)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(yīng)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(yīng)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(zhǔn)確地對滑坡狀況進行預(yù)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(zāi)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(luò)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(zāi)害所帶來的嚴(yán)重危害，提高了預(yù)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(luò)傳送到特定IP地址的網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用在手持設(shè)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(shè)計的超小型衛(wèi)星接收模塊，可實現(xiàn)GPS進行導(dǎo)航和定位的目的。M87對于導(dǎo)航應(yīng)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。
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?jǐn)?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(shè)計中，GPRS模塊的接口信號RXD,TXD與S3C2440的TXD0、RXD0連接，當(dāng)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(luò)并進行參數(shù)設(shè)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(wù)是否開通等。
對GPRS主要的設(shè)置工作有：
1)是否為GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)：AT+CGPRS=1；2)GPRS附著：AT+CGATT=1。表示己連到GPRS網(wǎng)絡(luò)上；3)定義PDP上下文：AT+CGDCONT=1，IP，cmnet。設(shè)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(wù)器，操作成功則返回CONNECT。“*99***1#”是GPRS業(yè)務(wù)號碼。
2 滑坡監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)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(chǔ)，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(chǔ)，電源的工作特性直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在電源的設(shè)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(dǎo)致其噪聲容限低，對電源瞬態(tài)響應(yīng)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(fù)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(shè)計
聯(lián)合測試行動小組(Joint Test Action Group，JTAG)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜的器件都支持JTAG協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)的5線JTAG包含TCK、TMS、TDI、TDO和TRST，JTAG電路如圖3所示。
3 滑坡監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)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(zhǔn)確的輸出定位信息，首先確定基準(zhǔn)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(luò)實現(xiàn)了一種更加安全穩(wěn)定的滑坡現(xiàn)場監(jiān)測方案。