基于北斗通信的边坡位移数据监控系统设计

摘 要：近年来，突发性的山体滑坡、泥石流等自然灾害现象不断发生，如何高效地预防，是人们需要迫切解决的问题之一。文中利用先进电子技术，提出了一种基于单片机+北斗导航模块的边坡位移数据采集系统。系统中，位移传感器将采集到的数据上发送给单片机进行处理，然后通过北斗模块的短报文功能，上传到监控中心，实现了偏远无人值守地区边坡位置的实施监控。通过实地模拟测试，系统运行稳定，系统误差在可控范围内。

关键词：STM32;位移传感器;北斗导航;数据采集

中图分类号：U121

1 绪论

随着人们生活水平的提高，电子技术的发展，使得单片机技术的应用越来越广，另一方面，近几年来，随着突发性的自然灾害的不断发生，如何将电子技术应用到预防和治理灾害中来，是目前研究的主要课题之一，对于那些偏远的网络不发达地区的监控显得尤为重要，目前的监测体系大多采用人工收集方式，这样存在着数据采集不及时，浪费大量人力资源的弊端，文中采用了单片机和北斗导航等模块设计了远程监控系统，可以获取实时动态监测数据，即可以解决偏远地区的通信障碍问题，又节省了大量的人力，大大提高了信息采集的实时性和可靠性。

2 系统设计

2.1 系统的总体方案

基于STM32的边坡位移数据监控系统主要由数据采集、数据通信、数据监控三大模块组成，系统的总体框图如下图所示：

数据采集模块位于现场，由其中的单片机控制位置传感器实时采集边坡的位移信息，数据通信模块，考虑到偏远地区的网络不发达，数据通信模块采用了北斗导航模块的短报文功能，将采集到的数据以短报文的形式发送给数据监控端，数据监控模块利用C#语言编写，实时显示位置信息，有效预防山体滑坡等自然灾害现象。

2.2 数据采集模块

数据采集模块主要由单片机STM32F103RCT6作为控制芯片，控制位移传感器阵列采集位移数据，系统采用太阳能供电，电源部分由太阳能电池板和电源管理模块组成，数据采集模块的框图如图2所示。

2.2.1 STM32F103RCT6主控芯片

STM32F103RCT6是一种嵌入式-微控制器的集成电路（IC），芯体尺寸是32位，速度可达72MHz，程序存储器类型是FLASH，容量为256KB，，RAM容量是48K，电压-电源（Vcc/Vdd）是2V～3.6V，共有3个USART和2个UART串口，51个通用IO口，2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器（共12个通道）、3个SPI、2个IIC，完全符合系统中的功能要求。

2.2.2 位移传感器

位移传感器采用MPS-S系列传感器，这类传感器也可以被称为拉线尺、拉绳尺或者拉线编码器等，集成了直线位移传感器的结构，集合了角度传感器和直线位移传感器的有点，是一款结构紧凑，测量精度高、测量行程长、便于安装的传感器，行程程选择空间从50-1300mm不等，具有模拟电流信号：4-20MA，模拟电压信号0-5V、0-10V和脉冲信号P：A、B、Z相数字输出。

2.2.3 供电模块

由于偏远地区经济不发达，电力系统不完善，另一方面从环保节源的角度出发，设计中采用了太阳能蓄电池供电方式，为数据采集、数据通信模块供电，即环保又节能。

2.3 数据通信模块

数据通信模块采用的是集北斗一代、北斗二代和GPS一体的FB3511，可以、使用方便，兼容接收RDSS、RNSS/GPS卫星导航信号，FB3511采用一体模块设计，具有体积小、功耗低，使用簡便实现机动载体的实时高精度定位、测速等功能。

FB3511与STM32F103RCT6的主要接口有RDSS、RNSS、SIM卡、电源等几部分，这几个接口的主要定义：

（1）北斗一代RDSS串行接口：接口支持短报文的收发，默认的输出的TTL电平是3.3V，串口的波特率为115200bps。

（2）北斗二代RNSS串行接口：默认输出电平同RDSS，也是3.3V的TTL电平，串口的波特率为9600bps。

（3）SIM卡接口：此款北斗模块自带了SIM卡槽，可将SIM卡非常方便的插入。

（4）电源接口：FB511具有12V和5V两种直流电源引脚，数量总共为9个，并有7个接地的引脚，系统中将采用的12V的直流电源，利用了5个引脚并联。

STM32F103RCT6的两个串口UART0、UATR1分别接FB3511模块的RDSS和RNSS接口，连接电路如图3所示，接口电路如图4所示，主控芯片STM32F103RCT6通过对两个串口的设置，可实时读取监测点的精确的定位信息，并且经FB3511的短报文方式上传到监控端。

3 测试

最后，系统在龙头河进行了模拟测试，将上位机和下位机同时进行测试，结果表明，系统测试稳定，采集的数据的误差在可控的范围内，系统具有良好的预测边坡位置的功能。测试中部分数据如图6所示：

4 结论

基于单片机和北斗卫星导航模块设计开发了一套监测偏远地区的边坡位移数据监控系统，采用了太阳能蓄电池方式供电，有效预防了威胁人民生命和财产安全，影响正常的生产和生活的山体滑坡等自然灾害的产生，又起到了环境保护的功能，具有经济高效的特点，将会在公路工程建设和维护中发挥越来越重要的作用。

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基金项目：廊坊市科技局项目（2018011018）

作者简介：戴永成（1974-），男，实验师，2011年硕士毕业于河北工业大学电子与通信工程专业，现主要从事计算机通信与控制方面教学、科研工作。