GPS和GPRS技术在滑坡监测中的应用

摘要：由于社会发展和环境变化，滑坡灾害发生十分频繁，传统的有线通信方式监测系统很难实现。为了减少滑坡灾害所带来的损失，采用高精度CPS模块和S3C2440芯片进行数据采集和处理，通过内嵌TCP／IP协议栈的SIM300GPRS模块以无线方式与Internet网络连接，将采集后的数据传送至上住机进行分析其是否可能发生滑坡泥石流危害，成功实现了监测系统对测量位置的远程实时监测，保证了嵌入式滑坡监测系统的可行性。
关键词：滑坡监测系统；ARM；GPS；GPRS

    我国是一个地质灾害多发国家，近年来，工矿产业逐渐由城镇转向山区，山体结构遭到不同程度的损害，山体滑坡和泥石流等地质灾害频发，严重威胁着人们的生命和财产安全，并造成了重大的经济损失。
    目前，滑坡监测技术主要有宏观地质观测法、简易测量法、大地精密测量法、全球定位系统(Clobal Positioning System，GPS)法、仪器仪表监测法和综合自动遥测法等。在上述技术中，采用最多的就是GPS技术，GPS技术己经广泛应用在精密工程测量和滑坡监测中。传统滑坡监测主要是应用传统的人工巡回测试、记录和处理。数据汇总后滑坡可能已经发生破坏，因此不可能及时准确地对滑坡状况进行预测。其最大弊病是难以及时甚至无法捕捉到滑坡临近失稳前的宝贵信息。此外，传统监测方法多采用有线方式连接，但滑坡监视的区域一般是灾害发生点，其地形险要、环境恶劣，给现场布线工作带来很大的难度并有一定的危险性。
    针对这些问题，本文提出了以ARM9嵌入式处理器为核心，以数据采集技术、GPS全球定位技术、GPRS通信网络技术为一体的实时嵌入式滑坡监控系统，具有无人值守、24小时连续工作、低成本等优势，并且有效地减小了山体滑坡和泥石流等地质灾害所带来的严重危害，提高了预防能力。

1 滑坡监测系统原理
    嵌入式滑坡监测系统主要由ARM9芯片S3C2440、M87GPS数据采集处理终端和GPRS数据传送终端组成，其系统结构框图如图1所示。本系统将GPS接收到的卫星信号传送至MCU，数据经MCU处理后由GPRS模块通过GPRS网络传送到特定IP地址的网络中，最后远程监测PC机通过访问Int-ernet接收数据。

1．1 嵌入式处理器S3C2440
    S3C2440是一款基于ARM920T内核的32位R1SC嵌入式微处理器，主要应用在手持设备以及高性价比和低功耗产品中。S3C2440处理器主频400 MHz，最高可达533 MHz，拥有16 kB地址高速缓存，采用16位／32位RISC结构和ARM精简指令集，并能够支持WinCE、Linux等操作系统。
1．2 GPS模块
    本系统选用HOLUX M87 GPS接收芯片，采用低耗电量MTK GPS所设计的超小型卫星接收模块，可实现GPS进行导航和定位的目的。M87对于导航应用提供高达-159 dBm的绝佳灵敏度与快速的第一次定位时间，可搜寻多达32个卫星频道，具有快速位置修正、在恶劣环境下持续工作的优点。由GPS模块输出的CMOS电平可以直接驱动S3C2440芯片，因此在系统集成时可直接将GPS模块的串口与S3C2440的串口相连，而不需要电平转换。[!--empirenews.page--]
1．3 GPRS通讯模块
    SIM300是SIMCOM公司推出的GSM／GPRS双频模块，支持TCP／IP协议、三频／四频／GSM／GPRS，支持PDU模式和文本模式的短消息传送，支持数据和传真信息的高速传输，使用时更加方便灵活。SIM300模块主要由基带处理器、供电模块、FLASH模块、ZIF连接器天线接口和GSM射频模块5个部分组成。
    在该设计中，GPRS模块的接口信号RXD,TXD与S3C2440的TXD0、RXD0连接，当系统和GPRS模块启动后，MCU通过串口直接向GPRS模块发送AT指令使其接入GPRS网络并进行参数设置。其内容包括波特率、网关、GPRS模块的类别、测试GPRS服务是否开通等。
    对GPRS主要的设置工作有：
    1)是否为GPRS网络覆盖区：AT+CGPRS=1；2)GPRS附着：AT+CGATT=1。表示己连到GPRS网络上；3)定义PDP上下文：AT+CGDCONT=1，IP，cmnet。设置GPRS接入网关为中国移动网；4)初始化一个新端口并且与远端建立一个连接；5)“ATDT*99***1#”用来拨通连接GPRS节点服务器，操作成功则返回CONNECT。“*99***1#”是GPRS业务号码。

2 滑坡监测系统硬件设计
    嵌入式滑坡监测系统的硬件以S3C2440及其外围部件为基础，通过串口控制GPS模块和GPRS模块的动作，最终达到系统要求。
2．1 电源电路
    电源电路是整个系统工作的基础，电源的工作特性直接影响系统的稳定性。在电源的设计过程中着重考虑以下因素：输入的电压、电流；电源保护；输出的电压、电流和功率；电磁兼容和电磁干扰；体积限制等。由于ARM9芯片的高速、低消耗、低功耗等特性导致其噪声容限低，对电源瞬态响应性、可靠性、时钟稳定性等都提出了更高的要求。
    滑坡监测系统的供电电源为变压器220 V转5 V供电，5 V电源主要给串口RS232和其他外围芯片供电，3．3 V主要给I／O口、NandFlash、SDRAM、复位芯片等提供电源。1．25 V供电采用MAXIM公司的低功耗线性电源芯片MAX8860EUA18，为S3C2440提供内核电压。
2．2 系统时钟电路
    S3C2440需要两个外部晶振电路：一路做CPU时钟；另一路给RTC提供时钟。时钟电路如图2所示。

2．3 JTAG调试接口设计
    联合测试行动小组(Joint Test Action Group，JTAG)是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。目前大多数比较复杂的器件都支持JTAG协议，标准的5线JTAG包含TCK、TMS、TDI、TDO和TRST，JTAG电路如图3所示。

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3 滑坡监测系统软件设计
3．1 经纬度计算两点之间的距离
    由于地球表面是不规则的椭球体，因此十分精确的测量任两点间的距离是非常困难的。但是，在滑坡监测中一般用于小范围两点间距的测量，所以可以通过近似的方法来简化求解过程，同时也能快速得到令人满意的求解值。计算位移程序如下：

 
3．2 平台演示
    本系统通过GPS接收模块可以准确的输出定位信息，首先确定基准位置：如$GPRMC，020534．000，A，3746．9012，N，11233．5839，E，0．00，96．40，101210，，，A*50，信息经数据采集终端采集处理后输出：10：05：34．3746．9012，N，11233．5839，E 2010．  12．10。每隔一分钟采集一次，本次试验共采集两次，偏移位置：如$GPRMC，020634．000，A，3746．8643，N，11233．5916，E，0．00，96．40，101210，，，A*50，信息经数据采集终端采集处理后输出：10：06：34．3786．8643，N，11233．5916，E 2010．12．10。经GPRS传送给上位机进行数据比较处理，然后计算出此次采集偏移量，得到是否可能发生滑坡泥石流危害，如图4所示。
　

4 结论
    本文给出了针对传统滑坡现场监测系统的改进方案，并对整体结构进行了深入分析，根据所需要实现的功能构建了整体软硬件开发平台。提出了一种基于ARM的嵌入式滑坡监测系统，通过GPS定位系统和数据采集终端，并结合GPRS通信网络实现了一种更加安全稳定的滑坡现场监测方案。