CN107806814A - 一种基于fpga+arm的实时滑坡监测预警设备及预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备及预警方法，包括滑坡数据采集部分、滑坡预警控制部分和电源部分，电源部分分别为滑坡数据采集部分、滑坡预警控制部分供电，滑坡数据采集部分与滑坡预警控制部分通过无线进行通信；滑坡预警控制部分还与服务器连接，将监测预警信息发送至服务器；预警方法基于该预警设备进行预警，该设备结构简单，可以实时监测滑坡情况，环境适应性强；该监测方法简单，监测效果好。
Description
技术领域
本发明涉及滑坡监测预警技术领域，具体是一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备及预警方法。
背景技术
滑坡是指山体斜坡上的土块或者岩石在自然环境或人为因素影响下的滑移现象。它在重力的作用下，沿着贯通的剪切滑动破坏面或带，也有可能是岩体中已有的软弱结构面，整体或者分散地向下滑动。传统滑坡监测方法有位移监测、物理场监测、地下水监测和环境诱发因素监测。其中位移之外的监测都是从整体上对滑坡体地理环境和变化的把握，这些监测的观测周期性长并且分析研究过程复杂，无法为研究和监测获得第一手数据。所以位移监测是现今滑坡监测的主要方式。但位移监测方式的监测范围窄，只能在设置节点的几个区域进行监视，无法覆盖整个监测山体，而滑坡具有不定性和突变性，未及时的监测预警可能会造成严重的后果。重点加强滑坡灾害的监测和治理，在最快的时间内发现并采取有效的防治措施，己经成为在滑坡抢险救灾中最大程度减少损失的关键因素。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备及预警方法，该设备结构简单，可以实时监测滑坡情况，环境适应性强；该监测方法简单，监测效果好。
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备，包括滑坡数据采集部分、滑坡预警控制部分和电源部分，电源部分分别为滑坡数据采集部分、滑坡预警控制部分供电，滑坡数据采集部分与滑坡预警控制部分通过无线进行通信；滑坡预警控制部分还与服务器连接，将监测预警信息发送至服务器；
所述的滑坡数据采集部分，包括FPGA采集模块、第一ARM主控制器、位移监测模块、AD转换模块、信号调理模块、微震传感器和无线网络通信模块；微震传感器、信号调理模块和AD转换模块依次连接；FPGA采集模块分别与位移监测模块、AD转换模块和第一ARM主控制器连接；第一ARM主控制器还与无线网络通信模块连接；无线网络通信模块与滑坡预警控制部分连接；
所述的滑坡预警控制部分，包括第二ARM主控制器、SD卡存储模块和GSM/3G/4G网络模块，第二ARM主控制器分别与SD卡存储模块和GSM/3G/4G网络模块连接，第二ARM主控制器还与滑坡数据采集部分的无线网络通信模块连接。
所述的位移监测模块，是基于GPS接收机的位移监测模块，设有天线罩，保护GPS接收机不被暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等破坏。
所述的FPGA采集模块，内部设有FIFO存储器。
所述电源部分，采用太阳能供电，包括太阳能电池板和蓄电池，太阳能电池板与蓄电池连接，蓄电池分别为滑坡数据采集部分、滑坡预警控制部分供电。
所述的信号调理模块，包括依次连接的信号放大电路和信号滤波电路。
所述的信号放大电路，包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器；第一运算放大器正输入端与微震传感器的信号输出端连接，负输入端分别与第一电阻的一端、第二电阻的一端连接，信号输出端分别与第二电阻的另一端、第四电阻的一端连接；第二运算放大器的正输入端与微震传感器的信号输出端连接，负输入端分别与第一电阻的另一端、第三电阻的一端连接，信号输出端分别与第三电阻的另一端、第五电阻的一端连接；第三运算放大器的正输入端分别与第五电阻的另一端、第七电阻的一端连接，负输入端分别与第四电阻的另一端、第六电阻的另一端连接，信号输出端分别与第六电阻的另一端、信号滤波电路的信号输入端连接；第七电阻的另一端接地。
所述的信号调理电路，包括第四运算放大器、第八电阻、第九电阻、第一电容和第二电容；第八电阻的一端与信号放大电路的第三运算放大器的信号输出端连接，另一端分别与第一电容的一端、第九电阻的一端连接；第一电容的另一端分别与第四运算放大器的信号输出端、负输入端连接；第九电阻的另一端分别与第二电容的一端、第四运算放大器的正输入端连接；第二电容的另一端接地；第四运算放大器的信号输出端与AD转换模块的信号输入端连接。
所述的AD转换模块，是基于ADS1282芯片的转换模块。
一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备的预警方法，具体包括如下步骤：
1)GPS接收机的天线采集滑坡数据采集部分的GPS位移的原始数据，将采集到的位移数据输送至FPGA采集模块的FIFO存储器中；
2)微震传感器拾取微震波，经由信号放大电路、信号滤波电路和AD转换模块后，输送至FPGA采集模块，FPGA采集模块使用Verilog硬件编程语言进行UTC时间提取，解析接收到的GPS数据帧中的时间信息，得到时间戳，FPGA采集模块通过SPI总线读取AD转换模块转换后的数字量，经归一化处理后插入时间戳，写入FPGA采集模块的异步FIFO存储器中；
3)滑坡数据采集部分的第一ARM主控制器读取缓存在FPGA采集模块异步FIFO存储器中的GPS位移数据和微震信号数据后，通过无线网络模块将数据发送至滑坡预警控制部分；
4)滑坡预警控制部分的第二ARM主控制器通过无线网络模块接收分布在不同监测点的滑坡数据采集模块发送的数据信息；
5)滑坡预警控制部分将微震数据和各监测节点的位移数据写入SD卡存储模块中；
6)滑坡预警控制部分的第二ARM主控制器对历史GPS位移数据和实时GPS位移数据进行综合处理，获得形变体上监测点高精度的三维坐标趋势数据信息，通过对坐标变化数据的定量分析，对形变体的健康状态进行自动化判断；
7)滑坡预警控制部分的第二ARM主控制器对历史微震数据和实时采集的微震数据进行综合处理，通过获取微震波X通道,Y通道和Z通道的幅值数据，与预先设定的微震预警阈值进行比较，实现对坡体形变状态的提前判断；
8)当GPS位移和微震信号综合判断的结果达到设定的预警级别，则触发对应的预警机制，通过GSM/3G/4G模块将预警信息发送至服务器和相关负责人手机，并且以短信，广播等形式通知周边用户。
步骤2)中，所述的UTC时间提取，是由UART接收模块、UTC时间解析模块、时间信息插入控制模块组成，FPGA采集模块通过串口接收GPS接收机输出的报文信息，采用逐比特接收的方式，当接收到的数据达到8bit时，将接收到的数据转换成一个字节数据，并产生一个脉冲标志信号来表示已接收到一个完整的字符，然后按照NMEA-0183协议解析出UTC时间得到时间戳信息，在1PPS信号上升沿到来时，将时间戳信息插入到AD转换模块发送来的数据中并一起写入FIFO存储器中。
有益效果：本发明提供的一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备及预警方法，该预警设备在单一利用GPS定位测量滑坡位移的基础上增加微震监测，实现边坡内部和外部同时监测的双保险模式；该预警方法利用FPGA采集模块通过串口接收GPS接收机输出的报文信息，解析后将时间戳信息插入到AD转换模块转换后的数据中并一起写入FIFO存储器中，准确记录微震信号的振幅和到达时间；该滑坡监测预警设备利用自组网功能的无线网络模块，网络环境适应性强，保证数据的可靠传输；该滑坡监测预警设备利用3G/4G网络天线接口，实现被监测区域的历史监测数据积累及趋势分析，数据异常时，系统会触发相应预警机制，第一时间以短信、网络、广播等形式通知周边用户。
附图说明
图1为一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备的结构框图；
图2为信号放大电路图；
图3为信号滤波电路图；
图4为GPS接收机输出的数据流示意图；
图5为UTC时间提取的原理框图；
图6为UTC时间提取的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
如图1所示，一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备，包括滑坡数据采集部分、滑坡预警控制部分和电源部分，电源部分分别为滑坡数据采集部分、滑坡预警控制部分供电，滑坡数据采集部分与滑坡预警控制部分通过无线进行通信；滑坡预警控制部分还与服务器连接，将监测预警信息发送至服务器；
所述的滑坡数据采集部分，包括FPGA采集模块、第一ARM主控制器、位移监测模块、AD转换模块、信号调理模块、微震传感器和无线网络通信模块；微震传感器、信号调理模块和AD转换模块依次连接；FPGA采集模块分别与位移监测模块、AD转换模块和第一ARM主控制器连接；第一ARM主控制器还与无线网络通信模块连接；无线网络通信模块与滑坡预警控制部分连接；
所述的滑坡预警控制部分，包括第二ARM主控制器、SD卡存储模块和GSM/3G/4G网络模块，第二ARM主控制器分别与SD卡存储模块和GSM/3G/4G网络模块连接，第二ARM主控制器还与滑坡数据采集部分的无线网络通信模块连接。
所述的位移监测模块，是基于GPS接收机的位移监测模块，设有天线罩，保护GPS接收机不被暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等破坏。
所述的第一ARM主控制器，内部设有FIFO存储器。
所述电源部分，采用太阳能供电，包括太阳能电池板和蓄电池，太阳能电池板与蓄电池连接，蓄电池分别为滑坡数据采集部分、滑坡预警控制部分供电。
所述的信号调理模块，包括依次连接的信号放大电路和信号滤波电路。
如图2所示，所述的信号放大电路，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第一运算放大器U1、第二运算放大器U2和第三运算放大器U3；第一运算放大器U1正输入端与微震传感器的信号输出端连接，负输入端分别与第一电阻R1的一端、第二电阻R2的一端连接，信号输出端分别与第二电阻R2的另一端、第四电阻R4的一端连接；第二运算放大器U2的正输入端与微震传感器的信号输出端连接，负输入端分别与第一电阻R1的另一端、第三电阻R3的一端连接，信号输出端分别与第三电阻R3的另一端、第五电阻R5的一端连接；第三运算放大器U3的正输入端分别与第五电阻R5的另一端、第七电阻R7的一端连接，负输入端分别与第四电阻R4的另一端、第六电阻R6的另一端连接，信号输出端分别与第六电阻R6的另一端、信号滤波电路的信号输入端连接；第七电阻R7的另一端接地；微震传感器的正负输出端分别接在和上，当R2＝R3、R4＝R5、R6＝R7时，依据虚断、虚短，放大器输入电压为R1两端的电压差为，而R2，R3与R1串联，所以流经R2，R3，R1的电流相等，即化简得第二级放大为典型的差分电路，可得Vout3＝(Vout1-Vout2)*R6/R4，则放大电路的增益为G＝G1*G2＝(1+2R3/R1)*R6/R4，G1、G2分别为第一级、第二级增益。
如图3所示，所述的信号调理电路，包括第四运算放大器U4、第八电阻R8、第九电阻R9、第一电容C1和第二电容C2；第八电阻R8的一端与信号放大电路的第三运算放大器U3的信号输出端连接，另一端分别与第一电容C1的一端、第九电阻R9的一端连接；第一电容C1的另一端分别与第四运算放大器U4的信号输出端、负输入端连接；第九电阻R9的另一端分别与第二电容C2的一端、第四运算放大器U4的正输入端连接；第二电容C2的另一端接地；第四运算放大器U4的信号输出端与AD转换模块的信号输入端连接；信号经过放大电路之后，Vout3信号作为滤波电路的输入端，若C1＝C2＝C，R8＝R9＝R，则Q＝1/(3-Avf)，fc＝1/(2πRC)，Q为品质因数，Avf为增益，fc为带宽，经过滤波后的信号Vout送入AD转换模块。
所述的AD转换模块，是基于ADS1282芯片的转换模块。
一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备的预警方法，具体包括如下步骤：
1)GPS接收机的天线采集滑坡数据采集部分的GPS位移的原始数据，将采集到的位移数据输送至FPGA采集模块的FIFO存储器中，GPS接收机输出的数据流如图4所示；
2)微震传感器拾取微震波，经由信号放大电路、信号滤波电路和AD转换模块后，输送至FPGA采集模块，FPGA采集模块使用Verilog硬件编程语言进行UTC时间提取，解析接收到的GPS数据帧中的时间信息，得到时间戳，FPGA采集模块通过SPI总线读取AD转换模块转换后的数字量，经归一化处理后插入时间戳，写入FPGA采集模块的异步FIFO存储器中；
3)滑坡数据采集部分的第一ARM主控制器读取缓存在FPGA采集模块异步FIFO存储器中的GPS位移数据和微震信号数据后，通过无线网络模块将数据发送至滑坡预警控制部分；
4)滑坡预警控制部分的第二ARM主控制器通过无线网络模块接收分布在不同监测点的滑坡数据采集模块发送的数据信息；
5)滑坡预警控制部分将微震数据和各监测节点的位移数据写入SD卡存储模块中；
6)滑坡预警控制部分的第二ARM主控制器对历史GPS位移数据和实时GPS位移数据进行综合处理，获得形变体上监测点高精度的三维坐标趋势数据信息，通过对坐标变化数据的定量分析，对形变体的健康状态进行自动化判断；
7)滑坡预警控制部分的第二ARM主控制器对历史微震数据和实时采集的微震数据进行综合处理，通过获取微震波X通道,Y通道和Z通道的幅值数据，与预先设定的微震预警阈值进行比较，实现对坡体形变状态的提前判断；
8)当GPS位移和微震信号综合判断的结果达到设定的预警级别，则触发对应的预警机制，通过GSM/3G/4G模块将预警信息发送至服务器和相关负责人手机，并且以短信，广播等形式通知周边用户。
如图5所示，步骤2)中，所述的UTC时间提取，是由UART接收模块、UTC时间解析模块、时间信息插入控制模块组成，FPGA采集模块通过串口接收GPS接收机输出的报文信息，采用逐比特接收的方式，当接收到的数据达到8bit时，将接收到的数据转换成一个字节数据，并产生一个脉冲标志信号来表示已接收到一个完整的字符，然后按照NMEA-0183协议解析出UTC时间得到时间戳信息，在1PPS信号上升沿到来时，将时间戳信息插入到AD转换模块发送来的数据中并一起写入FIFO存储器中。
如图6所示，为UTC时间提取的流程图，$GPZDA命令语句的基本格式如下：$GPZDA，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)*hh(CR)(LF)：
(1)为UTC时间的ASCII码串：hhmmss(时分秒)
(2)为日的ASCII码串
(3)为月份的ASCII码串
(4)为年份的ASCII码串
(5)为本地区域小时的ASCII码串(未用到时为00)
(6)为本地区域分钟的ASCII码串(未用到时为00)
由于UTC时间解析模块需要对以$GPZDA开头的数据帧进行解析，则必须首先从串行数据流中检测出$GPZDA这六个连续的字符，为此设计了一个时间序列检测状态机，在RxD_ready信号的上升沿到来时读取UART接收模块输出的数据Dat[7:0]，S0为复位状态和默认状态，当状态机检测到字符“$”时下一步跳向S1状态；在S1状态时如果检测到Dat[7:0]＝‘G’则跳向S2状态，否则返回S0状态；在S2状态时如果检测到Dat[7:0]＝‘P’下一步则跳向S3状态，否则返回S0状态；在S3状态时如果检测到Dat[7:0]＝‘Z’下一步则跳向S4状态，否则返回S0状态；在S4状态时如果检测到Dat[7:0]＝‘D’下一步则跳向S5状态，否则返回状态S0；在S5状态时如果检测到Dat[7:0]＝‘A’下一步则跳向S6状态，否则返回S0状态。当状态机处于S6状态时，表示已经完成了数据帧头$GPZDA的检测，下一步直接对帧头后面的字符进行提取和转换即可得到时间信息，当接收完一帧时间信息后状态机返回到S0状态将解析提取出来的UTC时间转换成北京时间并保存在存储器中，当检测到秒脉冲上升沿到来时将时间戳信息插入到数据中并写入FIFO存储器中。
Claims (10)
1.一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备，其特征在于，包括滑坡数据采集部分、滑坡预警控制部分和电源部分，电源部分分别为滑坡数据采集部分、滑坡预警控制部分供电，滑坡数据采集部分与滑坡预警控制部分通过无线进行通信；滑坡预警控制部分还与服务器连接，将监测预警信息发送至服务器；
所述的滑坡数据采集部分，包括FPGA采集模块、第一ARM主控制器、位移监测模块、AD转换模块、信号调理模块、微震传感器和无线网络通信模块；微震传感器、信号调理模块和AD转换模块依次连接；FPGA采集模块分别与位移监测模块、AD转换模块和第一ARM主控制器连接；第一ARM主控制器还与无线网络通信模块连接；无线网络通信模块与滑坡预警控制部分连接；
所述的滑坡预警控制部分，包括第二ARM主控制器、SD卡存储模块和GSM/3G/4G网络模块，第二ARM主控制器分别与SD卡存储模块和GSM/3G/4G网络模块连接，第二ARM主控制器还与滑坡数据采集部分的无线网络通信模块连接。
2. 根据权利要求1所述的一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备，其特征在于，所述的位移监测模块，是基于GPS接收机的位移监测模块，设有天线罩，保护 GPS 接收机不被暴风雨、冰雪、沙尘以及太阳辐射等破坏。
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备，其特征在于，所述的第一ARM主控制器，内部设有FIFO存储器。
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备，其特征在于，所述电源部分，采用太阳能供电，包括太阳能电池板和蓄电池，太阳能电池板与蓄电池连接，蓄电池分别为滑坡数据采集部分、滑坡预警控制部分供电。
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备，其特征在于，所述的信号调理模块，包括依次连接的信号放大电路和信号滤波电路。
6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备，其特征在于，所述的信号放大电路，包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器；第一运算放大器正输入端与微震传感器的信号输出端连接，负输入端分别与第一电阻的一端、第二电阻的一端连接，信号输出端分别与第二电阻的另一端、第四电阻的一端连接；第二运算放大器的正输入端与微震传感器的信号输出端连接，负输入端分别与第一电阻的另一端、第三电阻的一端连接，信号输出端分别与第三电阻的另一端、第五电阻的一端连接；第三运算放大器的正输入端分别与第五电阻的另一端、第七电阻的一端连接，负输入端分别与第四电阻的另一端、第六电阻的另一端连接，信号输出端分别与第六电阻的另一端、信号滤波电路的信号输入端连接；第七电阻的另一端接地。
7.根据权利要求5所述的一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备，其特征在于，所述的信号调理电路，包括第四运算放大器、第八电阻、第九电阻、第一电容和第二电容；第八电阻的一端与信号放大电路的第三运算放大器的信号输出端连接，另一端分别与第一电容的一端、第九电阻的一端连接；第一电容的另一端分别与第四运算放大器的信号输出端、负输入端连接；第九电阻的另一端分别与第二电容的一端、第四运算放大器的正输入端连接；第二电容的另一端接地；第四运算放大器的信号输出端与AD转换模块的信号输入端连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备，其特征在于，所述的AD转换模块，是基于ADS1282芯片的转换模块。
9.一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备的预警方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）GPS接收机的天线采集滑坡数据采集部分的GPS位移的原始数据，将采集到的位移数据输送至FPGA采集模块的FIFO存储器中；
2）微震传感器拾取微震波，经由信号放大电路、信号滤波电路和AD转换模块后，输送至FPGA采集模块，FPGA采集模块使用Verilog硬件编程语言进行UTC时间提取，解析接收到的GPS数据帧中的时间信息，得到时间戳，FPGA采集模块通过SPI总线读取AD转换模块转换后的数字量，经归一化处理后插入时间戳，写入FPGA采集模块的异步FIFO存储器中；
3）滑坡数据采集部分的第一ARM主控制器读取缓存在FPGA采集模块异步FIFO存储器中的GPS位移数据和微震信号数据后，通过无线网络模块将数据发送至滑坡预警控制部分；
4）滑坡预警控制部分的第二ARM主控制器通过无线网络模块接收分布在不同监测点的滑坡数据采集部分发送的数据信息；
5）滑坡预警控制部分将微震数据和各监测节点的位移数据写入SD卡存储模块中；
6）滑坡预警控制部分的第二ARM主控制器对历史GPS位移数据和实时GPS位移数据进行综合处理，获得形变体上监测点高精度的三维坐标趋势数据信息，通过对坐标变化数据的定量分析，对形变体的健康状态进行自动化判断；
7）滑坡预警控制部分的第二ARM主控制器对历史微震数据和实时采集的微震数据进行综合处理，通过获取微震波X通道，Y通道和Z通道的幅值数据，与预先设定的微震预警阈值进行比较，实现对坡体形变状态的提前判断；
8）当GPS位移和微震信号综合判断的结果达到设定的预警级别，则触发对应的预警机制，通过GSM/3G/4G模块将预警信息发送至服务器和相关负责人手机，并且以短信，广播等形式通知周边用户。
10. 根据权利要求9所述的一种基于FPGA+ARM的实时滑坡监测预警设备，其特征在于，步骤2）中，所述的UTC时间提取，是由UART接收模块、UTC时间解析模块、时间信息插入控制模块组成，FPGA采集模块通过串口接收GPS接收机输出的报文信息，采用逐比特接收的方式，当接收到的数据达到8 bit时，将接收到的数据转换成一个字节数据，并产生一个脉冲标志信号来表示已接收到一个完整的字符，然后按照NMEA-0183协议解析出UTC时间得到时间戳信息，在1PPS信号上升沿到来时，将时间戳信息插入到AD转换模块发送来的数据中并一起写入FIFO存储器中。
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| CN201711218146.3A CN107806814A (zh) | 2017-11-28 | 2017-11-28 | 一种基于fpga+arm的实时滑坡监测预警设备及预警方法 |
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Citations (4)
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| CN102163363A (zh) * | 2011-04-07 | 2011-08-24 | 北京航空航天大学 | 山体滑坡实时监测与预警系统 |
| CN204556098U (zh) * | 2015-03-19 | 2015-08-12 | 桂林电子科技大学 | 一种用于煤矿防盗采监测系统的微震信号采集装置 |
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-
2017
- 2017-11-28 CN CN201711218146.3A patent/CN107806814A/zh active Pending
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