盘山公路边坡岩体稳定性实时监测系统樊成，等 盘山公路边坡岩体稳定性实时监测系统 Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｓｉｄｅ Ｓｌｏｐｅ Ｒｏｃｋ Ｍａｓｓ ｏｆ Ｗｉｎｄｉｎｇ Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｒｏａｄ 劈 威 周凤翟 （武汉科技大学冶金自动化与检测技术教育部工程研究中心，湖北武汉４３００８１） 摘要：针对我国盘山公路路边山坡对岩体稳定性的远程监测需求，基于声发射传感器、Ｉｎｔｅｌ ８２５４计数器、ＳＴＭ３２Ｆ２０５ＲＥ、ＧＰＲＳ无线 传输技术和Ｗｅｂ网络技术，设计了一种稳定高效的实时岩体稳定性监测预警系统。分析了监测系统的研究现状，阐述了监测系统的 结构组成、设计内容、监测终端与上位机的通信方式，且重点介绍了设计难点和为提高可靠性所采取的措施。未来监测系统可以向传 感器网络方向发展，取得更全面的监测效果。 关键词：岩体稳定性声发射传感器无线监测ＳＴＭ３２Ｆ２０５ＲＥ ＧＰＲＳ Ｗｅｂ网络技术 ＤＯＩ：１０．１６０８６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ０００—０３８０．２０１５１２０１５ 中图分类号：ＴＰ２３；ＴＨ８６ 文献标志码：Ａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈＣ ｄｅｍａｎｄｓ ｆｏｒ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｍｂｉｌｉｙ ｏｆ ｓｉｔｄｅ ｓｌｏｐｅ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｏｆ ｗｉｎｄｉｎｇ ｍｏｕｎｔｍｎ ｒｏａｄ ｉｎ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ．ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｅａｒｌｙ ｗａｒｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ，Ｉｎｔｅｌ ８２５４ ｃｏｕｎｔｅｒ－ＳＴＭ３２Ｆ２０５ＲＥ．ＧＰＲＳ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｗｅｂ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ。ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｉｏｎ ｏｆ ｔｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ，ｄｅｓｉｇｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｔ ｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ａｎｄ ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｄｉｉｅｔｆｌｉｉｅｓ ｔａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｆｏｒ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｒｅ ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｍａｙ ｂｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏｗａｒｄｓ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｆｏｒ ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ Ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓ ＩＭ３２Ｆ２ｏ５ＲＥ ＧＰＲＳ Ｗｅｂ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ０引言 我国地域辽阔，地形复杂多变，盘山公路和傍山公 路是多山地区公路的必然形式。近年来，地震、泥石流 等自然灾害频发，山坡的稳定性监测对于保护盘山公 ＧＰＲＳ无线传输技术将监测信号实时传送至监控中 心，为路政部门维护保养提供理论依据。 １岩体稳定性监测原理 声发射是材料中局部区域应力集中，快速释放能 路运输安全至关重要。然而，在许多盘山公路路边山 坡都没有设置岩体稳定性监测设备，仅靠路政部门安 排人员定期巡查，不仅耗时耗力，而且无法做到实时获 量并产生瞬态弹性波的物理现象，有时也称为应力波 发射，检测材料的声发射现象是常见的无损检测方法 之一。目前声发射的表征参数基本是通过处理声发射 得准确的监测数据，一旦山坡岩体出现不稳定因素，会 导致巨石掉落或路面塌方等危险，严重危害人民群众 生命财产安全。本文设计的用于盘山公路的山坡岩体 稳定性实时监测系统可以很好地解决上述问题，从而 最大限度地保障盘山公路的运输安全。针对某盘山公 路的几个碎石滑落高发路段，采用超低功耗高性能 传感器输出的波形得到的，这些参数主要有声发射事 件与振铃计数率和总数、幅度及幅度分析、能量及能量 分布、有效电压值、频谱和波形等 。本文具体测量大 事件率、总事件率、能率３个参数。在实际监测中，声 发射传感器采集的声发射信号经放大和滤波处理后，进 入两路电压比较器，与设定的阈值电压值进行比较判 ＳＴＭ３２Ｆ２０５ＲＥ控制器作为主控单元，控制声发射传感 器和计数器等周边电路采集岩体形变信号，并通过 断，然后在单位时间内经计数芯片的计数，得到大事件 率和总事件率，分别反映单位时间内需要监测的声发射 事件的大事件和总事件的个数。声发射能率反映声发 射源以弹性波形式释放的能量，这里的能量分析是针对 国家自然科学基金资助项目（编号：６１１７４１０６）。 修改稿收到日期：２０１５—０３—０６。 第一作者樊成（１９８９一），男，现为武汉科技大学控制理论与控制 仪器输出的信号进行的，得到的能率值是与单位时间声 发射能量成正比例的量（无量纲） 。通过对岩体声发 工程专业在读硕士研究生；主要从事自动化检测方面的研究。 ５６ ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ ＶｏＬ ３６ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１５ 射信号在单位时间内的事件数及总能率的变化情况进 行研究，映射岩体的振动状态，进而预测岩体稳定性 。 ２监测系统架构 监测系统主要由监测终端和监控中心的上位机服 务器组成。监测终端主要包括声发射传感器、数据采 集电路、控制器、数据存储模块、ＧＰＲＳ数据传输模块、 电源模块六部分。监控中心部分的设计是基于Ｗｅｂ 网络技术，采用接人移动网络的服务器接收终端发回 的数据，上位机访问服务器的方式获得数据。监测系 统架构如图１所示。 一 监控中心上位机 传感一一 图１ 系统总体架构图 器一 Ｆｉｇ．１ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ 监控中心上位机连接到服务器，通过ＧＰＲＳ网络发 送指令给监测终端，完成监测终端系统初始化。系统初 始化后，采集的声发射信号经前置放大和滤波处理后得 到波形信号，在控制器的控制下，在监测周期５ ｍｉｎ内， 经过数据采集电路处理后存人数据存储模块，同时由 ＧＰＲＳ数据传输模块将数据发至监控中心的服务器。 设计中，考虑到盘山公路坡体面积较大、监测环境 复杂等原因，必须在关键路段设置多个监测点。由于 声发射传感器测量精度高，易受环境噪声的干扰，因此 将声发射传感器置于岩层内２ ｍ深处，荨 外部用隔音棉 隔绝外部环境的干扰。考虑到网络不稳等原因，若上 位机未收到个别监测周期的监测数据，则上位机发送 查询指令给监测终端，监测终端调取存储模块中的相 应数据，重新发送给上位机服务器，供监测人员查询。 考虑到野外环境电力供应困难，采用光伏产品供电，进 而可使用户实时监测坡体的稳定性状况。 ３监测终端硬件设计 ３．１终端硬件系统原理 硬件系统原理图如图２所示。该设计采用的控制 器ＳＴＭ３２Ｆ２０５ＲＥ是基于工作频率高达１２０ ＭＨｚ的高 性能ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３ ３２位ＲＩＳＣ内核。产品带有标准 与高级通信接口，包括３个１２Ｃ接口、４个ＵＳＡＲＴ和 《自动化仪表》第３６卷第１２期２０１５年１２月 盘山公路边坡岩体稳定性实时监测系统樊成，等 ２个ＵＡＲＴ通信接口、３个ＳＰＩ接口、１个ＣＡＮ接口、 １个ＳＤＩＯ接口。丰富的接口为该监测仪的设计和日 后的升级完善工作提供了极大的便利，使本设计中的 阈值、监测点编码等能够便利地调整。同时，该控制器 的低功耗特点为野外场所的光伏产品供电系统的设计 提供了便利。 串行时钟ｌｌ大容量 芯片ＳＤ３０８８ｌｌ锂电池 控制器 ＳＩＭ卡 ＳＴＭ３２Ｆ２０５ＲＥ Ｃｏｒｔｅｘ．Ｍ３ 复位控制 ［］＝］ ４片 ＡＴ２４Ｃ５１２ ＥＥＰＲｏＭ 图２硬件系统原理图 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｙｓｔｅｍ 监测终端工作环境恶劣，长期无人维护，这对系统 的可靠性提出了更高的要求。ＳＴＭ３２Ｆ２０５ＲＥ有一个 独立看门狗和一个窗口看门狗，提供了更高的安全性、 精确性和灵活性。两个看门狗设备可用来检测和解决 由软件错误引起的故障。当计数器达到给定的超时值 时，触发一个中断或产生系统复位。为了保证更高的 可靠性，在设计中还增加了一个片外看门狗复位芯片 Ｘ５０４５，更加有力地杜绝了死机问题。 根据岩体声发射的特性，传感器采用声华公司设 计的内置前置放大器的超低频窄带传感器ＳＲ１０。该 传感器的工作温度范围一２０—１２０ ｏＣ，频率范围１— １５ ｋＨｚ，灵敏度峰值＞８０ ｄＢ，并拥有ＩＰ６６防水等级，能 够适应恶劣工作环境下的岩体声发射信号的采集，其 灵敏度足以将微小的岩体形变释放的声发射信号采集 下来。ＳＲ１０的工作原理是内部晶体组件受力产生变 形，其表面出现电荷，而在电场的作用下，芯片发生弹 性变形而产生压电效应。这种压电效应，将声发射波 所引起的被检件表面振动转换成电压信号。 由于监测终端工作环境恶劣、温度变化范围宽和 长期无人值守、无法定期校时等特点，为了获得数据采 集的精确时间，终端采用了内置晶振及数字温度计的 的高精度时钟芯片ＳＤ３０８８。该芯片可使用户不用顾 虑因外接晶振、谐振电容等所带来的元件匹配误差问 题、晶振温度特性问题及可靠性问题，实现了常温及宽 温范围内不需用户干预，全自动、全电源环境补偿的高 精度、高可靠计时功能。 存储单元由４片ＥＥＰＲＯＭ芯片Ａ＇Ｉ２４Ｃ５１２级联构成， 可提供２ Ｍｂ的存储空间，供系统存储大事件、总事件和能 ５７ 盘山公路边坡岩体稳定性实时监测系统樊成，等 的波形数据，供监测人员调阅研究。ＥＥＰＲＯＭ级联电路 图和ＳＤ卡电路图如图３所示。 率３个参数，避免网络不稳定等因素造成的数据丢失。同 时，大容量ｓＤ卡用于存储经过Ａ／Ｄ转换后的声发射信号 （ａ１ ＥＥＰＲｏＭ级联电路 （ｂ）ｓＤ卡存储电路 图３ ＥＥＰＲＯＭ级联电路和ＳＤ卡存储电路图 Ｆｉｇ．３ ＥＥＰＲＯＭ ｃａｓｃａｄｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ＳＤ ｃａｒｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ３．２数据采集单元的实现 式（１）为该低通滤波电路的截止频率计算公式： ＝ 传感器所采集的声发射信号经过数据采集单元处 理，得到的各数字量传递给控制器ＳＴＭ３２。数据采集 单元如图４所示。 ＿’ １ （１） 式中 为滤波器截止频率；Ｒ＝ＲＦ。＝ＲＦ２为外接电 模数 波形数据 阻；Ｃ为芯片内部电容。这里 设置了５个参数供选 ， 择，分别对应不同的截止频率，从而应对不同的岩体信 传 噩 放 －感 ＿’ Ｉｐ 压一 －．． 器 滤 波 大 跟 随 电 ＳＴＭ３２ 号进行采集。 ［＝＝ 同’ 氅 器 放大器的设计采用了高精密低功耗仪表放大器 ＩＮＡ１２９进行设计。该放大器拥有低功耗、高精度、 低温漂、高共模抑制的特点，增益Ｇ：１＋４下９ ｋ１）通 ，图４数据采集单元 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｕｎｉｔ ｎＧ 过改变外接电阻Ｒ 的参数，就可以实现放大倍数可 数据采集单元主要由滤波器、放大器、电压跟随器、 Ａ／Ｄ转换器、电压比较器、电压平方器、压频转换器和计 调。电压跟随器采用ＯＰ０７通用运放，主要用于消除 负载变化对输出电压的影响。将信号分成３路处 理，一路信号通过ＡＤ公司的ｌ６位Ａ／Ｄ转换器 ＡＤ９７６Ａ芯片进行模数转换。ＡＤ９７６Ａ芯片的输入 数器等器件组成。其中，滤波器采用高集成度通用有源 滤波器ＵＡＦ４２。它具有设计方便的特点，只需改变 ＵＡＦ４２芯片的外接电阻和电容的参数和连接方式，就可 以轻松构成各种满足工程实际需要的滤波器。利用 Ｂｕｒｒ—Ｂｒｏｗｎ公司提供的ＦＩＬＴＥＲ４２软件，设计人员只需 要根据电路的设计要求输入参数，就可以计算出相应的 元件值，提高效率 。这里采用了低通滤波方式，电路 图如图５所示。 电压范围宽，采样速率可达２００ ｋＳ／ｓ，信号分辨率很 高，模数转换输出的信号由ＳＴＭ３２控制存人ｓＤ卡， 相当于存储了声发射信号的原始波形数据，可供技 术人员在必要时进行分析。一路通过ＴＩ公司的两路 微功耗比较器ＴＬＶ１７０２处理，与设定的阈值电压进 行比较，输出的信号经过高精度单稳态脉冲触发器 ＣＤ４５３８处理，形成可计数的数字量，然后经过Ｉｎｔｅｌ 的８２５４计数芯片计数，得到大事件率和总事件率。 最后一路信号经过电压平方器ＡＤ６３３和压频转换器 ＬＭ２３１处理，输出的信号也送到８２５４芯片计数，得 到能率。最后，８２５４将计数结果发送到控制器，由控 制器负责存储和发送数据。电压平方器ＡＤ６３３电路 原理如图６所示。式（２）反映了ＡＤ６３３芯片输出端 与输入端的关系。 图５滤波电路 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ： ＋ｚ（２） ５８ ＰＲｏＣＥＳＳ ＡＵＴｏＭＡＴＩｏＮ ＩＮＳＴＲＵＭ ＮＴＡＴＩｏＮ ＶＯＬ ３６ Ｎ０．１２ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１５ Ｙ ｘ２ ｘｌ ＿Ｖ ＋Ｖ。 Ｚ Ｗ 图６ ＡＤ６３３电路原理图 Ｆｉｇ．６ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＡＤ６３３ ｃｉｒｃｕｉｔ ３．３通信模块的设计 ＧＰＲＳ模块选用ＳＩＥＭＥＮＳ ＭＣ７５ｉ ＧＰＲＳ工业通信 模块。该模块支持８５０、９００、１ ８００和１ ９００（单位： ＭＨｚ）４种频率，Ｅ－ＧＰＲＳ下行速率可达４６０ ｋｂｉｔ／ｓ，工 作温度一３Ｏ一＋７５℃，体积小，并且板载ＳＩＭ卡插槽， 性能非常强劲，能适应在恶劣工作环境下工作。同时， 该模块内部嵌有ＴＣＰ／ＩＰ协议栈，ＳＴＭ３２可以直接使 用ＡＴ指令集控制模块，将ＵＡＲＴ串口上的数据转换 成ＴＣＰ／ＩＰ数据包进行网络传送，用户不需涉及底层传 输协议，便于程序设计。ＧＰＲＳ模块通过与移动基站 通信连入移动网络，再通过移动网络网关连入互联网。 这里为了保证监测数据的实时性，监测终端的采样计 数周期设置为５ ｍｉｎ，保证了监测过程的连贯性。此 外，ＧＰＲＳ模块不会由于长期不发送数据而自动下线。 ４监测系统软件设计 监测终端程序由ｃ语言编写完成，主要包括 ＳＴＭ３２系统初始化、数据采集过程的控制、数据存储 和读取过程的控制（包括ＥＥＰＲＯＭ和ＳＤ卡的读写控 制）、ＧＰＲＳ模块发送数据的控制。整个数据采集过程 中，ＳＴＭ３２主要通过控制Ｉｎｔｅ１８２５４计数器计数得到大 事件率、总事件率、能率３个岩体声发射信号参数；同 时，通过控制ＡＤ９７６Ａ芯片进行模数转换，将声发射原 始波形信号转化为可存储的数字信号。数据存储过程 中，控制器分别对ＥＥＰＲＯＭ和ＳＤ卡进行读写操作，实 现采集数据的存储和读取。ＧＰＲＳ数据传输过程中， ＳＴＭ３２控制器控制ＧＰＲＳ模块与上位机建立联系，连 接成功则发送数据，连接不成功则继续尝试连接。当 ＧＰＲＳ模块受到网络不稳定等因素干扰，数据未成功 发送时，控制器从ＥＥＰＲＯＭ中读取数据，并控制ＧＰＲＳ 模块重新发送数据。程序流程图如图７所示。 上位机软件采用Ｊａｖａ编程语言开发，通过Ｅｃｌｉｐｓｅ 开发平台进行编译。上位机软件设计的主要思想是创 建一个基于ＴＣＰ／ＩＰ协议的多线程服务器端，与一个或 多个ＧＰＲＳ模块建立Ｓｏｃｋｅｔ通信。Ｓｏｃｋｅｔ是建立在 ＴＣＰ、ＵＤＰ等传输层协议之上的套接字规范，是进行 《自动化仪表》第３６卷第１２期２０１５年１２月 盘山公路边坡岩体稳定性实时监测系统樊成，等 ＴＣＰ／ＩＰ网络通信程序设计的关键应用技术。它屏蔽 了网络通信的细节，可以为用户直接提供应用程序与 网络之间的标准接口，极大地简化了网络编程。程序 首先通过ＴＣＰ函数实现Ｓｏｃｋｅｔ通信，然后对接收到的 声发射监测信息做图形化处理，同时以二进制的文件 格式存储到预先指定的路径中，完成对信息的处理、分 析和存储工作 。 ＠Ｖ 图７监测终端程序流程图 Ｆｉｇ．７ Ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｒｍｉｎａｌ ５结束语 盘山公路山坡岩体稳定性实时监测系统，实现了 数据实时采集、存储发送和实时监控，通过参数调节， 可适应不同岩体，性能稳定，可靠性高，实时监测频率 高，可以得到准确的实时监测效果。同时，高可靠性的 设计、太阳能电池板和大容量锂电池的应用可以实现 长期免维护实时监测，大大降低了人工巡检的人力成 本和开销，有效预防和减少了盘山公路山坡岩体失稳 导致的安全事故。 参考文献 ［１］高保彬，李回贵，王晓蕾，等．基于小波包变换的不同强度煤样 的声发射特性［Ｊ］．煤田地质与勘探，２０１３（６）：２１—２３． ［２］姚强岭，李学华，何利辉，等．单轴压缩下含水砂岩强度损伤及 声发射特征［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２０１３（５）：４４—４７． ［３］邓飞，罗福友，胡龙飞，等．水对岩石物理性质及声发射特征影 响研究现状［Ｊ］．采矿技术，２０１３（６）：２７—２８，３１． ［４］颜良，陈儒军，刘石．基于ＵＡＦ４２通用滤波芯片的５０Ｈｚ陷波器 设计［Ｊ］．仪器仪表学报，２００６（８）：３０—３３． ［５］徐迎晓．Ｊａｖａ语法及网络应用设计［Ｍ］．北京：清华大学出版 社，２００２． ５９
