一種基於GPRS通信的泥石流次聲監測系統的製作方法
2023-06-26 22:12:26 3
本實用新型涉及一種基於GPRS通信的泥石流次聲監測系統。
背景技術：
泥石流作為一種常見的山地自然災害，具有很強的破壞力，我國是一個多山的國家，是世界上泥石流災情最嚴重的國家之一。快速準確地對泥石流進行預警，可以保障人民的生命財產安全，具有重要的減災應用價值。
泥石流作為一種粘性流體，其起動機制與其形成、運移等諸過程密切相關。由於在泥石流的運移過程中固源物質顆粒間的摩擦作用，會產生頻率低於20Hz的次聲，也即可被儀器探測到的次聲波。它以空氣為介質，所以其傳播速度與可聞聲一樣，比泥石流運動速度快15—20倍左右，因而監測系統能在泥石流到達之前率先捕捉到它的次聲信號，為防災減災贏得了寶貴的時間因此，次聲監測成為一種有效的泥石流預警方法。
目前的泥石流次聲監測裝置大多都是放置在基站內的採集系統，不具備放置在現場定點監測的功能，並且也不具備對信號分析的功能。採集的信號距離現場較遠，且工作人員需通過採集系統獲取的數據進行算法分析，都大大降低了對泥石流次聲報警的實時性。
技術實現要素：
本實用新型技術解決問題：克服現有應用的不足，提供一種基於GPRS通信的一體化的泥石流次聲監測系統，該系統能夠實時採集超過閾值的次聲信號，並自主進行HHT算法分析，將處理後的結果與原始數據文件通過SIM900A模塊與GPRS網絡上傳至中心站FTP伺服器，達到了對泥石流次聲現場監測與預警的功能，實現了對儀器的遠程通信與控制，實用前景較好。
本實用新型的技術解決方案為：一種基於GPRS通信的泥石流次聲監測系統，包括：現場子系統以及PC上位機模塊；所述現場子系統包括：STM32F407主控模塊、GPRS通信模塊、狀態採集模塊、信號採集模塊、外部存儲模塊；以及外部IO模塊。
所述STM32F407主控模塊包括第一串口通信單元，第二串口通信單元，RTC實時時鐘，ADC數模轉換單元，SPI總線控制單元，I2C總線控制單元，USBOTG控制單元，FSMC控制單元，SDIO控制單元，第一外部中斷接口，第二外部中斷接口，四路GPIO接口；
GPRS通信模塊包括了SIM900A通信串口、SIM900A射頻天線和SIM900ARing接口；其中，SIM900A通信串口與STM32F407主控模塊的第二串口通信單元相連，用於對GPRS通信模塊的配置以及和主控模塊之間的數據傳輸；SIM900A射頻天線通過GPRS網絡連接到PC上位機模塊的FTP伺服器埠，用於上位機與終端之間的文件傳輸；SIM900A Ring接口與STM32F407主控模塊的第一外部中斷接口相連，用於通過GPRS通信模塊的來電喚醒睡眠中的系統；
狀態採集模塊包括了蓄電池電壓採集電路，設備溫度採集電路和閾值觸發採集電路；三者都與STM32F407主控模塊的ADC數模轉換單元相連；其中，蓄電池電壓採集電路用於檢測設備的工作電源狀態，當低於可設置的門限值時將產生事件警告發送給上位機；設備溫度採集電路用於檢測設備工作環境的溫度，當超過可設置的門限值時將產生事件警告發送給上位機；閾值觸發採集電路與信號採集模塊的檢波比較電路相連，用於採集比較電路輸出的電平值，當電平值超過可設置的閾值時表示具有較強的次聲信號，此時啟動系統的採樣任務，獲取次聲數據；
信號採集模塊包括了外部模數轉換器單元，數字電位器單元，信號採集與濾波電路，檢波與比較電路；外部模數轉換器單元與STM32F407主控模塊的SPI總線控制單元相連，系統通過SPI接口控制外部模數轉換器工作，並獲取採樣轉換或的值；同時外部模數轉換器單元也與信號採集與濾波電路相連；數字電位器單元與STM32F407主控模塊的I2C總線控制單元相連，系統通過I2C接口控制數字電位器，調節電阻值，結合檢波比較電路實現閾值可調的功能；信號採集與濾波電路分別於外部模數轉換器單元和檢波比較電路相連，將採集到信號送給模數轉換器和檢波比較電路；檢波比較電路與信號採集濾波電路，數字電位器單元以及狀態採集模塊的閾值觸發採集電路相連，結合數字電位器的值，對濾波後的信號做檢波與比較操作，將輸出的結果傳給閾值觸發採集電路進行判別；
外部存儲模塊包括了FRAM單元，USB OTG接口，SRAM單元，SDIO接口；FRAM單元與STM32F407主控模塊的I2C總線控制單元相連，STM32F407主控模塊將設備啟動的參數配置保存在FRAM中，當檢測不到SD卡時，將從FRAM獲取啟動參數啟動系統；USB OTG接口與STM32F407主控模塊的USB OTG控制單元相連，系統可利用此接口作為USB Device與PC機進行USB通信，將SD卡中的文件傳輸到PC機中；SRAM單元與STM32F407主控模塊的FSMC控制單元相連，系統通過FSMC接口控制SRAM單元，開闢外部內存空間以用於HHT算法的運算；SDIO接口與STM32F407主控模塊的SDIO控制單元相連，系統通過SDIO接口控制外部接入的SD卡，用於存儲啟動配置文件，日誌文件和原始數據文件以及處理結果文件；
外部IO模塊包括了按鍵IO接口和四路輸入輸出接口；按鍵IO接口與STM32F407主控模塊的第二外部中斷接口相連，通過外部按鍵可喚醒處於睡眠狀態中的系統；四路輸入輸出接口STM32F407主控模塊的四路GPIO接口相連，與用於系統預留，可通過此接口外擴需要的輸入輸出設備；
PC上位機模塊包括了COM口與FTP伺服器；其中，COM口與STM32F407主控模塊的第一串口通信單元相連，進行命令交互與文件傳輸；FTP伺服器通過GPRS網絡與GPRS通信模塊相連，用於遠程的數據文件傳輸。
本實用新型與現有技術相比的優點在於：
(1)系統採用了SIM900A作為GPRS通信模塊，能夠通過GPRS網絡，向上位機的FTP伺服器建立連接，將系統SD卡內的配置與數據文件上傳至伺服器，也可從伺服器下載需要的文件以完成系統的更新和修改配置。
(2)本實用新型結合了UCOSIII作業系統，完成各個模塊之間的協調工作。系統被分為通信任務，採集任務，事件任務，狀態任務，文件存取任務，數據處理任務，系統任務，空閒任務，按照必要的優先級實現各個任務之間的來回切換調度，從而充分利用了CPU，也提高了系統的執行效率。
(3)本實用新型使用了具有M4內核的STM32F407主控模塊，並結合了M4內核的FPU，在系統內部實現對次聲信號的HHT算法分析。
附圖說明
圖1為本實用新型系統的組成框圖；
圖2為本實用新型的一種基於GPRS通信的泥石流次聲監測方法。
具體實施方式
如圖1所示，所述STM32F407主控模塊1包括第一串口通信單元11，第二串口通信單元12，RTC實時時鐘13，ADC數模轉換單元14，SPI總線控制單元15，I2C總線控制單元16，USBOTG控制單元17，FSMC控制單元18，SDIO控制單元19，第一外部中斷接口110，第二外部中斷接口111，四路GPIO接口112；分別於GPRS通信模塊2，狀態採集模塊3，信號採集模塊4，外部存儲模塊5，外部IO模塊6以及PC上位機模塊7的各單元相連，結合UCOSIII作業系統協調控制這些模塊工作，並且進行數據的傳輸，完成系統需要的功能；所述STM32F407主控模塊1用於控制現場子系統中的各模塊；
所述GPRS通信模塊2用於與所述PC上位機模塊7進行文件傳輸；所述狀態採集模塊3用於採集工作電源狀態和/或工作環境的溫度，產生時間警告，並經由所述GPRS通信模塊2發送給所述PC上位機模塊7；所述狀態採集模塊3進一步用於判斷是否啟動次聲數據的採樣任務；所述信號採集模塊4用於獲取次聲數據，並將所獲取的次聲數據存儲至所述外部存儲模塊5；所述外部存儲模塊5用於存儲次聲數據，並在預設條件下將所存儲的次聲數據經由所述GPRS通信模塊2發送給所述PC上位機模塊7；所述外部IO模塊6，用於擴展輸入輸出設備。
GPRS通信模塊2包括SIM900A通信串口21、SIM900A射頻天線22和SIM900ARing接口23；其中，SIM900A通信串口21與STM32F407主控模塊1的第二串口通信單元12相連，用於對GPRS通信模塊2的配置以及和主控模塊之間的數據傳輸；SIM900A射頻天線22通過GPRS網絡連接到PC上位機模塊7的FTP伺服器72埠，用於上位機與終端之間的文件傳輸；SIM900A Ring接口23與STM32F407主控模塊1的第一外部中斷接口110 相連，用於通過GPRS通信模塊2的來電喚醒睡眠中的系統；
狀態採集模塊3包括了蓄電池電壓採集電路31，設備溫度採集電路32和閾值觸發採集電路33；三者都與STM32F407主控模塊1的ADC數模轉換單元14相連；其中，蓄電池電壓採集電路31用於檢測設備的工作電源狀態，當低於可設置的門限值時將產生事件警告發送給上位機；設備溫度採集電路32用於檢測設備工作環境的溫度，當超過可設置的門限值時將產生事件警告發送給上位機；閾值觸發採集電路33與信號採集模塊4的檢波比較電路44相連，用於採集比較電路輸出的電平值，當電平值超過可設置的閾值時表示具有較強的次聲信號，此時啟動系統的採樣任務，獲取次聲數據；
信號採集模塊4包括了外部模數轉換器單元41，數字電位器單元42，信號採集與濾波電路43，檢波與比較電路44；外部模數轉換器單元41與STM32F407主控模塊1的SPI總線控制單元15相連，系統通過SPI接口控制外部模數轉換器工作，並獲取採樣轉換或的值；同時外部模數轉換器單元41也與信號採集與濾波電路43相連；數字電位器單元42與STM32F407主控模塊1的I2C總線控制單元16相連，系統通過I2C接口控制數字電位器，調節電阻值，結合檢波比較電路44實現閾值可調的功能；信號採集與濾波電路43分別於外部模數轉換器單元41和檢波比較電路44相連，將採集到信號送給模數轉換器和檢波比較電路；檢波比較電路44與信號採集濾波電路43，數字電位器單元42以及狀態採集模塊3的閾值觸發採集電路33相連，結合數字電位器的值，對濾波後的信號做檢波與比較操作，將輸出的結果傳給閾值觸發採集電路33進行判別；
外部存儲模塊5包括了FRAM單元51，USB OTG接口52，SRAM單元53，SDIO接口54；FRAM單元與STM32F407主控模塊1的I2C總線控制單元16相連，STM32F407主控模塊1將設備啟動的參數配置保存在FRAM中，當檢測不到SD卡時，將從FRAM獲取啟動參數啟動系統；USB OTG接口52與STM32F407主控模塊1的USB OTG控制單元17相連，系統可利用此接口作為USB Device與PC機進行USB通信，將SD卡中的文件傳輸到PC機中；SRAM單元53與STM32F407主控模塊1的FSMC控制單元相連，系統通過FSMC接口控制SRAM單元53，開闢外部內存空間以用於HHT算法的運算；SDIO接口54與STM32F407主控模塊1的SDIO控制單元19相連，系統通過SDIO接口控制外部接入的SD卡，用於存儲啟動配置文件，日誌文件和原始數據文件以及處理結果文件；
外部IO模塊6包括了按鍵IO接口61和四路輸入輸出接口62；按鍵IO接口61與STM32F407主控模塊1的第二外部中斷接口相連，通過外部按鍵可喚醒處於睡眠狀態中的系統；四路輸入輸出接口62STM32F407主控模塊1的四路GPIO接口相連，與用於系統預留，可通過此接口外擴需要的輸入輸出設備；
PC上位機模塊7包括了COM口71與FTP伺服器72；其中，COM口71與STM32F407主控模塊1的第一串口通信單元相連，進行命令交互與文件傳輸；FTP伺服器72通過GPRS網絡與GPRS通信模塊2相連，用於遠程的數據文件傳輸。
系統的編譯環境處於PC機，使用KEILv5編譯器進行交叉編譯與連結，通過PC的USB口接入JLINK調試器，再從目標板的JATG接口接入，完成對目標晶片STM32F407的程序燒寫，燒寫好的程序將在目標晶片上得以運行。
系統的結構採用分層的架構設計，位於最底層的是硬體電路與模塊，包括了MAX5434數字電位器，UART串口接口，USB接口，AD7192模數轉換器，ADC晶片內部模數轉換器，RTC實時時鐘，EXTI外部中斷接口，FRAM鐵電存儲器，I2C總線控制接口，SRAM外部靜態存儲器，SIM900通信模塊，SDIO接口，BUZZER蜂鳴器。往上的BSP層則為這些硬體的驅動層，實現了對這些硬體與模塊的直接控制與通信。BSP層調用了主控模塊STM32F407的晶片庫函數，實現工程的模塊化開發。再往上是UCOSIII作業系統，實現了任務的調度與資源的管理。最上層為應用層，包括了系統應用，通信應用，文件操作應用，設備應用，事件應用，FTP傳輸應用，採樣應用，處理應用。完成了整個系統的功能實現，同時結合了FAT32文件系統，對配置與數據文件的管理。
相關性能參數：
工作電壓：10V<U<16V
工作狀態功耗：100Hz
模數轉換：24位A/D
次聲信號頻帶範圍：1—20hz
靈敏度：60dB
蓄電池電壓準確度：<±1％
設備溫度準確度：<±1℃
下面通過實施例對本實用新型再進一步詳細說明。
首先，將設備在放置具有GPRS網絡信號的監測點，啟動設備後，設備首先掛載SD卡和Fat32文件系統，然後根據SD卡根目錄下Device.ini文件指定的配置信息啟動系統並把更新的配置信息保存在FRAM鐵電存儲器中，若SD卡不存在或啟動文件不存在，系統則從保存最新啟動配置信息的FRAM鐵電存儲器中啟動設備。系統在啟動最後將觸發啟動事件，記錄系統啟動的狀態結果，並保存在SD卡根目錄下的Event.log文件中。系統啟動後會通過狀態任務，周期性檢測設備的狀態信息，獲取的蓄電池電壓，設備溫度，工作模式等狀態均保存在SD卡根目錄下的State.log文件中，若有狀態參數超過預設的閾值，則會觸發報警事件，記錄事件信息並保存，且把Event.log文件通過預設的IP位址上傳至FTP伺服器。除了周期性狀態檢測，設備時刻監測檢波與比較電路44中的比較器輸出管腳的電平值以判斷是否達到閾值，比較器的正端與檢波器輸出端相連，負端與數字電位器單元42的抽頭端相連。數字電位器單元42連接5v電源，利用分壓功能決定電位器抽頭端的電位值，從而決定了比較器的參考比較電壓也即閾值電壓。數字電位器單元42的抽頭位置程序可控，從而實現了設備可根據配置文件中的數值，配置閾值大小。根據一般泥石流次聲15Hz到18Hz頻段的次聲檢測試驗，結合傳感器的靈敏度與動態範圍和放大電路10倍的放大倍數，初始閾值配置為10mv，後期可根據環境參數動態配置。若次聲採集閾值沒有達到，則系統在沒有接受任何命令的情況下，將進入低功耗睡眠模式。當次聲採集閾值達到時，系統會觸發採集任務進入運行狀態，採集任務根據預設的參數對次聲信號進行採樣，每採滿1024點數據就通過消息隊列的方式將數據發送給處理任務和存儲任務。當處理任務收到消息時將觸發處理任務進入運行狀態，處理任務以1024個數據點為單位進行HHT算法分析，分析結束後把結果數據以消息隊列的方式發送給存儲任務。存儲任務收到消息時將觸發存儲任務進入運行狀態，存儲任務會根據數據類型將傳來的數據保存在特定的文件中。
HHT即希爾伯特黃變換算法，該算法由EMD分解和希爾伯特變換兩部分組成。EMD分解思想為：首先找出信號的局部最大值和局部最小值點；然後對極值點進行曲線插值處理，獲得信號的上包絡線和下包絡線，再利用篩選算法將符合本徵模函數的信號依次篩選出來，最終將信號分解成若干個本徵模函數和一個殘餘量之和。希爾伯特變換是對上述EMD分解得到的每一個本徵模函數進行Hilbert變換，Hilbert變換公式為：
其中x表示EMD分解得到的穩定量信號，P為柯西主值。由該式得到對應於穩定信號的解析信號：
z(t)＝x(t)+jy(t)＝a(t)ejθ(t)
z(t)只是一個本徵模函數的解析函數，原始信號被分解為若干個本徵模，把這些本徵模函數的解析函數合併且忽略殘餘信號分量得：
根據上式可以把幅度和瞬時相位作為時間的函數表示在三維空間中，幅度的這種時—頻分布稱為希爾伯特幅度譜。
當向系統的SIM900A模塊發送簡訊命令時，如FTP put myfile 0:/myfile182.254.219.199時，系統啟動通信任務，解析SIM900A接收到的通信命令，向IP位址為182.254.219.199的伺服器發送put請求，將文件路徑為「0:/myfile」的文件發送到伺服器，保存文件名為「myfile」。同理可以通過命令向伺服器獲取文件，通過與伺服器之間的文件傳輸可實現泥石流次聲信號的採樣原始數據和HHT算法分析結果數據上傳功能，以提供中心站人員分析現場信號特性與狀態且達到報警效果。同時，也可以進行系統的配置更新，遠程修改系統的工作配置參數或固件更新。系統採用了SIM900A模塊作為GPRS遠程通信方案，使用其內嵌的TCP/IP協議棧，能夠與中心站伺服器建立FTP連結上傳數據與日誌文件，也能夠下載更新配置文件與固件文件。系統使用了UCOSIII作業系統，管理各個任務協調配合運行。實現了採集，處理，存儲，通信等多個任務的並行與同步。設備具有自檢測功能，上電啟動後進入作業系統，系統首先引導應用程式啟動，檢測設備配置與外設是否正常，啟動失敗將會列印提示並保存記錄。
如圖2所示，本實用新型的一種基於GPRS通信的泥石流次聲監測方法：
步驟201：上電；
步驟202：所述PC上位機模塊7初始化；以及現場子系統初始化；其中所述STM32F407主控模塊1、所述GPRS通信模塊2、所述狀態採集模塊3、所述信號採集模塊4、所述外部存儲模塊5；以及所述外部IO模塊6分別進行初始化，獲取初始化操作結果；
步驟203：判斷初始化操作結果是否出現致命等級錯誤，若出現則進入步驟215；否則進入步驟204；
步驟204：硬體初始化完成後進行作業系統初始化；
步驟205：判斷是否初始化成功，若失敗進入步驟215，否則進入步驟206；
步驟206：創建系統啟動任務，最後啟動作業系統；
步驟207：啟動作業系統後，作業系統啟動任務創建系統需要的任務，其中包括文件存儲任務，採集任務，數據處理任務，設備狀態監測任務，通信任務；文件系統掛載，設備啟動參數獲取，鐵電存儲器更新，GPRS通信接口配置，外部SRAM測試；
步驟208：完成啟動程序後，所述泥石流次聲監測系統啟動任務掛起自身，作業系統根據需求和事件開始在各個任務之間進行調度；
步驟209：判斷檢波比較電路44輸出的電平值是否超過所設置的閾值；若超過則進入步驟210；
步驟210：啟動次聲數據採集任務，從所述外部模數轉換器單元41中獲取次聲數據；
步驟211：判斷是否採集滿1024個採樣點，如果滿1024個點，則進入步驟212；如果否，則返回步驟210繼續啟動採集任務；
步驟212：對所述1024採樣點的次聲數據進行HHT算法分析，在所述外部存儲模塊5存儲所述分析結果；進入步驟213；
步驟213：判斷是否達到採集次數；如果到達採集次數，進入步驟214，如果否，則返回步驟210繼續啟動採集任務；
步驟214：完成一次採集操作，將採集的經過HHT算法分析後的次聲數據經由所述GPRS通信模塊2發送給所述PC上位機模塊7；
步驟215：系統錯誤，進行死循環報警。
本實用新型說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。
以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。