彭丽英，刘海娟

PENG Li-ying1, LIU Hai-juan2

（1.山东工业职业学院，淄博 256414；2.西门子变压器有限公司，济南 250022）

0 引言

无线远程监控系统的研究是预防山体事故发生的重要手段，尤其在较为复杂的地形。边坡变形失稳是山体事故发生的主要原因，也是矿业开采的主要问题。边坡变形不仅对安全生产的影响将会造成局部或全矿停产，更会导致人员伤亡、设备毁坏和地面建筑破坏等。对此，针对这种较为复杂的地形监控也就显得尤为重要。为此我进行了简单的研究设计。

1 边坡等复杂地形稳定性监控存在的问题

通过对我国大多数边坡等复杂地形变形监测的研究发现，采用的监测方法存在如下需要解决的问题：

1）无论是地表位移观测还是岩体内部的位移观测，均存在着有害变形滞后于岩体滑坡的问题。当发现地表裂缝或岩体内部出现较大变形时，边坡岩体已经或正在发生滑动破坏。此外利用钻孔测斜观测岩体内部变形的实践表明，当内部变形较小时，受精度的限制不能准确获得位移量，当位移较大时，钻孔错位严重使测斜仪器到达观测孔内部受阻而无法测量。因此，无论是地表还是岩体内部的位移观测均不具有实时性；

2）使用的锚索测力计数据的获得需要人工到现场测读数据，受天气，人为等因素的影响大，不能连续稳定获得测试数据，监测现场路途较远且有些地段人员到达困难，尤其是阴雨天容易产生滑坡灾害的时段更不易获得监测数据。此外对于有滑坡危险的较陡边坡经常有石块等从坡上滚落，人工现场测读数据将存在较大危险。

通过对边坡稳定性监控存在的问题的研究，发现锚索测力计观测的数据较为准确，针对锚索测力计观测的缺点，本文将锚索测力技术和无线远程监控技术结合在一起，设计了露天煤矿边坡应力无线远程监控系统。

2 系统的总体设计及分析

本设计是基于GSM网络短信服务为核心技术的远程传输方案；以微处理器AT89S52为主控芯片设计了分节点应力监测电路，完成了现场数据的采集、监测与传输；在制定通信协议的基础上，通过MC35i短信模块的应用完成数据的远程传送；通过中心监测计算机管理软件的设计以达到监控目的。

边坡监测地点多数都没有电缆，光缆，电话线等，所以露天煤矿的通信方式就要选用无线通信的方法。无线通信的设计相对于监测站而言比较简单，有许多现有的产品和通信系统可以利用，重点只是在于从多种实现方式中作出最优的选择。由于本设计要求实现复杂地形的监控，所以需要远距离传输，并且要保证通信的可靠性，以及考虑到边坡的具体环境，所以本设计选用GPRS模块MC35i，虽然设计上只基于GSM网络短信形式传输，但是为了以后扩展和将来对速度要求的提高，可以选择GPRS技术的MC35i模块，其兼容GSM短信服务。

边坡应力无线远程监控系统采用分布式节点轮询的控制结构，各分节点通过振弦式荷载传感器采集数据，将数据通过GSM网络以短信的形式传输到中心监控软件。中心监控软件通过轮流查询的方式定时或手动监测分节点数据和曲线变化，此系统的结构设计图如图1所示。

图1 监测系统结构设计图

以节点1为例，系统的工作流程：中心监控软件定时或手动查询分节点1，分节点1采集振弦式荷载传感器的数据，以短信的形式通过GSM网络传送到中心监控系统，中心监控系统监测数据和曲线，进行滑坡预警。

1）分节点（分节点应力采集与传输控制）设计：此部分包括下位机硬件的设计和软件的设计，主要完成振弦式荷载传感器频率值的采集，以及把频率值以短信的形式发送给中心监控软件，中心监控软件将频率值转换为应力值进行存储与显示。

2）通信协议设计与AT指令介绍：此部分主要介绍系统的通信协议以及AT指令的使用介绍。

3）中心监控软件设计：此部分工作在PC机的应用层，应用VC++6.0开发上位机软件，主要完成如下功能：

（1）MC35i短信模块的控制：包括VC使用AT指令控制MC35i收发短信，以及短信模块参数的设置；

（2）数据库的存储与读取：使用ADO对象连接SQL SERVER 2000数据库，以及用SELECT语句选择性的读取数据库；

3 分节点应力采集与传输的硬件设计

边坡应力无线远程监控系统的分节点硬件设计决定着应力值脉冲的准确采集以及应力值的稳定传输。该硬件平台包括微控制器模块，GSM模块，采集信号放大模块，以及低通滤波模块，电源稳压模块，变压模块，选通模块等。

其设计的工作原理是，首先微控制芯片产生一定频率的方波，经逆变变压器放大，倍压整流后为300V的直流信号，通过选通通道激励振弦式荷载传感器，使其谐振后传出应力值的脉冲信号，脉冲信号经过放大滤波后，将信号送入单片机，单片机检测脉冲信号的频率值，通过GSM短信模块把频率值发送给中心节点监测。

边坡应力无线远程监控系统的硬件设计要考虑地形的复杂工作环境，所以芯片选择工业级别的，工作温度为-40℃－＋85℃。

1）分节点应力采集与传输的软件设计：分节点软件设计主要完成振弦式荷载传感器的频率数据的采集，信号通道的选通，短信模块的短信发送与接收的顺序控制，频率采集信号的精确频率计算。分节点软件设计部分在MedVinV3环境下编译，使用汇编语言完成整个设计部分。

2）程序的工作流程：首先AT89S52先屏蔽可控硅，目的是防止可控硅选通，干扰系统运行。然后调用初始化程序，初始化程序包括端口初始化，以及串口波特率的设置（波特率为9600bit/s），选用晶振为11.0592MHz，波特率为9600bit/s的误差最小。接着设置短信模块为来短信提示模式，并且进入休眠状态，休眠状态用串口中断触发恢复正常工作模式。如果接收到短信，就进入短消息处理程序。

4 电源部分设计

电源部分是此系统设计的关键，尤其在复杂环境中要求电池使用的周期要高，为此无线远程监控系统的电源部分选择太阳能充电控制技术。

电源控制器的注意事项：

1）接线前请仔细核对并确认太阳能板、蓄电池、负载的额定电压，三者的额定电压应相同，且都是12V或者都是24V；

2）太阳能板、负载的额定电流不得大于控制器的额定电流；

3）电源控制器要设置成常开模式。

5 通信协议设计

通信协议是系统各设备之间进行互相通信的语言和规范，软件的开发需要在通信协议的基础上进行。一个好的通信协议在很大程度上有利于软件的模块化设计。根据具体的应用环境以及系统要求来设定基于短信内容的通信协议。

中心节点：中心监测计算机。

分节点：连接到振弦式传感器的单片机数据采集设备。

6 MC35i短信模块

从设计的目的及功能上看主要可分四部分组成：GSM基带处理器，GSM射频部分，电源ASIC(Application Specific Integrated Circuit）和FLASH。GSM基带处理器是整个模块的核心，它由一个CPU和一个DSP处理器内核组成。GSM基带处理器控制着模块内各种信号的传输、转换、放大等处理过程。GSM射频部分是一个单片收发器SMARTi，它由一个外差式接收器、上变频调制环路发送器（up conversion modulation loop transmitter）、一个射频锁相环路和一个全集成中频合成器4个功能块组成，共同完成对射频信号的接收和发送等处理。

7 中心监测系统软件

中心监测系统软件由三部分组成：短信查询软件，数据浏览软件，以及图像浏览软件。中心监测系统软件框图如图2所示。

图2 中心监测系统软件框图

1）短信查询软件

短信查询软件主要完成手动查询分节点数据的任务，此界面为主程序界面，其它两个界面为模态触发对话框。短信查询软件包括短信模块的AT指令控制，数据库的写入，参数的设置，串口的初始设置，频率转换应力值计算等。

2）数据浏览

数据查询主要完成在固定时间段查询接收的数据。此对话框应用DATETIMEPICKER控件选取时间段，并且通过ADO控件和DATAGRID控件组合完成数据库数据的读取，数据包括手机号，3个振弦的频率值，日期与时间以及计算后转换的应力值。

3）曲线浏览

图像浏览主要包括图像的描绘，图像描绘主要应用虚拟内存方法，首层图像为描绘固定网格，二层利用接收数据的应力值与时间值自适应设置标定值，三层为数据值的描绘。此界面设计还包括标定值的定位显示，定位显示可采用MOUSEMOVE方法定位坐标。

8 结束语

虽然我国对于复杂地形，尤其是矿业开采地的监测非常重视，但是意外事故依然有所发生，如山体滑坡，泥石流，塌陷等。尽管我的研究设计有所简略，但希望能够引起更多人的注意及研究，并能致力于我国的地质灾难预防，减少我们国家的物力，财力，人力损失，让我们的国家能更昌盛繁荣！

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