一种基于GPRS通信的泥石流次声监测系统及其方法与流程

本发明涉及一种基于GPRS通信的泥石流次声监测系统及其方法。

背景技术：

泥石流作为一种常见的山地自然灾害，具有很强的破坏力，我国是一个多山的国家，是世界上泥石流灾情最严重的国家之一。快速准确地对泥石流进行预警，可以保障人民的生命财产安全，具有重要的减灾应用价值。

泥石流作为一种粘性流体，其起动机制与其形成、运移等诸过程密切相关。由于在泥石流的运移过程中固源物质颗粒间的摩擦作用，会产生频率低于20Hz的次声，也即可被仪器探测到的次声波。它以空气为介质，所以其传播速度与可闻声一样，比泥石流运动速度快15—20倍左右，因而监测系统能在泥石流到达之前率先捕捉到它的次声信号，为防灾减灾赢得了宝贵的时间因此，次声监测成为一种有效的泥石流预警方法。

目前的泥石流次声监测装置大多都是放置在基站内的采集系统，不具备放置在现场定点监测的功能，并且也不具备对信号分析的功能。采集的信号距离现场较远，且工作人员需通过采集系统获取的数据进行算法分析，都大大降低了对泥石流次声报警的实时性。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：克服现有应用的不足，提供一种基于GPRS通信的一体化的泥石流次声监测系统，该系统能够实时采集超过阈值的次声信号，并自主进行HHT算法分析，将处理后的结果与原始数据文件通过SIM900A模块与GPRS网络上传至中心站FTP服务器，达到了对泥石流次声现场监测与预警的功能，实现了对仪器的远程通信与控制，实用前景较好。

本发明的技术解决方案为：一种基于GPRS通信的泥石流次声监测系统，包括：现场子系统以及PC上位机模块；所述现场子系统包括：STM32F407主控模块、GPRS通信模块、状态采集模块、信号采集模块、外部存储模块；以及外部IO模块。

所述STM32F407主控模块包括第一串口通信单元，第二串口通信单元，RTC实时时钟，ADC数模转换单元，SPI总线控制单元，I2C总线控制单元，USB OTG控制单元，FSMC控制单元，SDIO控制单元，第一外部中断接口，第二外部中断接口，四路GPIO接口；

GPRS模块包括了SIM900A通信串口、SIM900A射频天线和SIM900A Ring接口；其中，SIM900A通信串口与STM32F407主控模块的第二串口通信单元相连，用于对GPRS模块的配置以及和主控模块之间的数据传输；SIM900A射频天线通过GPRS网络连接到PC上位机模块的FTP服务器端口，用于上位机与终端之间的文件传输；SIM900A Ring接口与STM32F407主控模块的第一外部中断接口相连，用于通过GPRS模块的来电唤醒睡眠中的系统；

状态采集模块包括了蓄电池电压采集电路，设备温度采集电路和阈值触发采集电路；三者都与STM32F407主控模块的ADC数模转换单元相连；其中，蓄电池电压采集电路用于检测设备的工作电源状态，当低于可设置的门限值时将产生事件警告发送给上位机；设备温度采集电路用于检测设备工作环境的温度，当超过可设置的门限值时将产生事件警告发送给上位机；阈值触发采集电路与信号采集模块的检波比较电路相连，用于采集比较电路输出的电平值，当电平值超过可设置的阈值时表示具有较强的次声信号，此时启动系统的采样任务，获取次声数据；

信号采集模块包括了外部模数转换器单元，数字电位器单元，信号采集与滤波电路，检波与比较电路；外部模数转换器单元与STM32F407主控模块的SPI总线控制单元相连，系统通过SPI接口控制外部模数转换器工作，并获取采样转换或的值；同时外部模数转换器单元也与信号采集与滤波电路相连；数字电位器单元与STM32F407主控模块的I2C总线控制单元相连，系统通过I2C接口控制数字电位器，调节电阻值，结合检波比较电路实现阈值可调的功能；信号采集与滤波电路分别于外部模数转换器单元和检波比较电路相连，将采集到信号送给模数转换器和检波比较电路；检波比较电路与信号采集滤波电路，数字电位器单元以及状态采集模块的的阈值触发采集电路相连，结合数字电位器的值，对滤波后的信号做检波与比较操作，将输出的结果传给阈值触发采集电路进行判别；

外部存储模块包括了FRAM单元，USB OTG接口，SRAM单元，SDIO接口；FRAM单元与STM32F407主控模块的I2C总线控制单元相连，STM32F407主控模块将设备启动的参数配置保存在FRAM中，当检测不到SD卡时，将从FRAM获取启动参数启动系统；USB OTG接口与STM32F407主控模块的USB OTG控制单元相连，系统可利用此接口作为USB Device与PC机进行USB通信，将SD卡中的文件传输到PC机中；SRAM单元与STM32F407主控模块的FSMC控制单元相连，系统通过FSMC接口控制SRAM单元，开辟外部内存空间以用于HHT算法的运算；SDIO接口与STM32F407主控模块的SDIO控制单元相连，系统通过SDIO接口控制外部接入的SD卡，用于存储启动配置文件，日志文件和原始数据文件以及处理结果文件；

外部IO模块包括了按键IO接口和四路输入输出接口；按键IO接口与STM32F407主控模块的第二外部中断接口相连，通过外部按键可唤醒处于睡眠状态中的系统；四路输入输出接口STM32F407主控模块的四路GPIO接口相连，与用于系统预留，可通过此接口外扩需要的输入输出设备；

PC上位机模块包括了COM口与FTP服务器；其中，COM口与STM32F407主控模块的第一串口通信单元相连，进行命令交互与文件传输；FTP服务器通过GPRS网络与GPRS通信模块相连，用于远程的数据文件传输。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)系统采用了SIM900A作为GPRS通信模块，能够通过GPRS网络，向上位机的FTP服务器建立连接，将系统SD卡内的配置与数据文件上传至服务器，也可从服务器下载需要的文件以完成系统的更新和修改配置。

(2)本发明结合了UCOSIII操作系统，完成各个模块之间的协调工作。系统被分为通信任务，采集任务，事件任务，状态任务，文件存取任务，数据处理任务，系统任务，空闲任务，按照必要的优先级实现各个任务之间的来回切换调度，从而充分利用了CPU，也提高了系统的执行效率。

(3)本发明使用了具有M4内核的STM32F407主控模块，并结合了M4内核的FPU，在系统内部实现对次声信号的HHT算法分析。

附图说明

图1为本发明系统的组成框图；

图2为本发明的一种基于GPRS通信的泥石流次声监测方法。

具体实施方式

如图1所示，所述STM32F407主控模块1包括第一串口通信单元11，第二串口通信单元12，RTC实时时钟13，ADC数模转换单元14，SPI总线控制单元15，I2C总线控制单元16，USB OTG控制单元17，FSMC控制单元18，SDIO控制单元19，第一外部中断接口110，第二外部中断接口111，四路GPIO接口112；分别于GPRS模块2，状态采集模块3，信号采集模块4，外部存储模块5，外部IO模块6以及PC上位机模块7的各单元相连，结合UCOSIII操作系统协调控制这些模块工作，并且进行数据的传输，完成系统需要的功能；

所述GPRS通信模块2用于与所述PC上位机模块7进行文件传输；所述状态采集模块3用于采集工作电源状态和/或工作环境的温度，产生时间警告，并经由所述GPRS通信模块2发送给所述PC上位机模块7；所述状态采集模块3进一步用于判断是否启动次声数据的采样任务；所述信号采集模块4用于获取次声数据，并将所获取的次声数据存储至所述外部存储模块5；所述外部存储模块5用于存储次声数据，并在预设条件下将所存储的次声数据经由所述GPRS通信模块2发送给所述PC上位机模块7；所述外部IO模块6，用于扩展输入输出设备。

GPRS模块2包括了SIM900A通信串口21、SIM900A射频天线22和SIM900A Ring接口23；其中，SIM900A通信串口21与STM32F407主控模块1的第二串口通信单元12相连，用于对GPRS模块2的配置以及和主控模块之间的数据传输；SIM900A射频天线22通过GPRS网络连接到PC上位机模块7的FTP服务器72端口，用于上位机与终端之间的文件传输；SIM900A Ring接口23与STM32F407主控模块1的第一外部中断接口110相连，用于通过GPRS模块2的来电唤醒睡眠中的系统；

状态采集模块3包括了蓄电池电压采集电路31，设备温度采集电路32和阈值触发采集电路33；三者都与STM32F407主控模块1的ADC数模转换单元14相连；其中，蓄电池电压采集电路31用于检测设备的工作电源状态，当低于可设置的门限值时将产生事件警告发送给上位机；设备温度采集电路32用于检测设备工作环境的温度，当超过可设置的门限值时将产生事件警告发送给上位机；阈值触发采集电路33与信号采集模块4的检波比较电路44相连，用于采集比较电路输出的电平值，当电平值超过可设置的阈值时表示具有较强的次声信号，此时启动系统的采样任务，获取次声数据；

信号采集模块4包括了外部模数转换器单元41，数字电位器单元42，信号采集与滤波电路43，检波与比较电路44；外部模数转换器单元41与STM32F407主控模块1的SPI总线控制单元15相连，系统通过SPI接口控制外部模数转换器工作，并获取采样转换或的值；同时外部模数转换器单元41也与信号采集与滤波电路43相连；数字电位器单元42与STM32F407主控模块1的I2C总线控制单元16相连，系统通过I2C接口控制数字电位器，调节电阻值，结合检波比较电路44实现阈值可调的功能；信号采集与滤波电路43分别于外部模数转换器单元41和检波比较电路44相连，将采集到信号送给模数转换器和检波比较电路；检波比较电路44与信号采集滤波电路43，数字电位器单元42以及状态采集模块的3的阈值触发采集电路33相连，结合数字电位器的值，对滤波后的信号做检波与比较操作，将输出的结果传给阈值触发采集电路33进行判别；

外部存储模块5包括了FRAM单元51，USB OTG接口52，SRAM单元53，SDIO接口54；FRAM单元与STM32F407主控模块1的I2C总线控制单元16相连，STM32F407主控模块1将设备启动的参数配置保存在FRAM中，当检测不到SD卡时，将从FRAM获取启动参数启动系统；USB OTG接口52与STM32F407主控模块1的USB OTG控制单元17相连，系统可利用此接口作为USB Device与PC机进行USB通信，将SD卡中的文件传输到PC机中；SRAM单元53与STM32F407主控模块1的FSMC控制单元相连，系统通过FSMC接口控制SRAM单元53，开辟外部内存空间以用于HHT算法的运算；SDIO接口54与STM32F407主控模块1的SDIO控制单元19相连，系统通过SDIO接口控制外部接入的SD卡，用于存储启动配置文件，日志文件和原始数据文件以及处理结果文件；

外部IO模块6包括了按键IO接口61和四路输入输出接口62；按键IO接口61与STM32F407主控模块1的第二外部中断接口相连，通过外部按键可唤醒处于睡眠状态中的系统；四路输入输出接口62STM32F407主控模块1的四路GPIO接口相连，与用于系统预留，可通过此接口外扩需要的输入输出设备；

PC上位机模块7包括了COM口71与FTP服务器72；其中，COM口71与STM32F407主控模块1的第一串口通信单元相连，进行命令交互与文件传输；FTP服务器72通过GPRS网络与GPRS通信模块2相连，用于远程的数据文件传输。

系统的编译环境处于PC机，使用KEILv5编译器进行交叉编译与链接，通过PC的USB口接入JLINK调试器，再从目标板的JATG接口接入，完成对目标芯片STM32F407的程序烧写，烧写好的程序将在目标芯片上得以运行。

系统的结构采用分层的架构设计，位于最底层的是硬件电路与模块，包括了MAX5434数字电位器，UART串口接口，USB接口，AD7192模数转换器，ADC芯片内部模数转换器，RTC实时时钟，EXTI外部中断接口，FRAM铁电存储器，I2C总线控制接口，SRAM外部静态存储器，SIM900通信模块，SDIO接口，BUZZER蜂鸣器。往上的BSP层则为这些硬件的驱动层，实现了对这些硬件与模块的直接控制与通信。BSP层调用了主控模块STM32F407的芯片库函数，实现工程的模块化开发。再往上是UCOSIII操作系统，实现了任务的调度与资源的管理。最上层为应用层，包括了系统应用，通信应用，文件操作应用，设备应用，事件应用，FTP传输应用，采样应用，处理应用。完成了整个系统的功能实现，同时结合了FAT32文件系统，对配置与数据文件的管理。

相关性能参数：

工作电压：10V<U<16V

工作状态功耗：<200mA×12V(不包括通信设备耗电)

移动通信方式：GPRS网络

数据存储介质：SD卡

通信接口：RS232串口，USB

工作温度：-20℃～70℃

采样频率：>100Hz

模数转换：24位A/D

次声信号频带范围：1—20hz

灵敏度：<50mV/Pa

动态范围：>60dB

蓄电池电压准确度：<±1％

设备温度准确度：<±1℃

下面通过实施例对本发明再进一步详细说明。

首先，将设备在放置具有GPRS网络信号的监测点，启动设备后，设备首先挂载SD卡和Fat32文件系统，然后根据SD卡根目录下Device.ini文件指定的配置信息启动系统并把更新的配置信息保存在FRAM铁电存储器中，若SD卡不存在或启动文件不存在，系统则从保存最新启动配置信息的FRAM铁电存储器中启动设备。系统在启动最后将触发启动事件，记录系统启动的状态结果，并保存在SD卡根目录下的Event.log文件中。系统启动后会通过状态任务，周期性检测设备的状态信息，获取的蓄电池电压，设备温度，工作模式等状态均保存在SD卡根目录下的State.log文件中，若有状态参数超过预设的阈值，则会触发报警事件，记录事件信息并保存，且把Event.log文件通过预设的IP地址上传至FTP服务器。除了周期性状态检测，设备时刻监测检波与比较电路44中的比较器输出管脚的电平值以判断是否达到阈值，比较器的正端与检波器输出端相连，负端与数字电位器单元42的抽头端相连。数字电位器单元42连接5v电源，利用分压功能决定电位器抽头端的电位值，从而决定了比较器的参考比较电压也即阈值电压。数字电位器单元42的抽头位置程序可控，从而实现了设备可根据配置文件中的数值，配置阈值大小。根据一般泥石流次声15Hz到18Hz频段的次声检测试验，结合传感器的灵敏度与动态范围和放大电路10倍的放大倍数，初始阈值配置为10mv，后期可根据环境参数动态配置。若次声采集阈值没有达到，则系统在没有接受任何命令的情况下，将进入低功耗睡眠模式。当次声采集阈值达到时，系统会触发采集任务进入运行状态，采集任务根据预设的参数对次声信号进行采样，每采满1024点数据就通过消息队列的方式将数据发送给处理任务和存储任务。当处理任务收到消息时将触发处理任务进入运行状态，处理任务以1024个数据点为单位进行HHT算法分析，分析结束后把结果数据以消息队列的方式发送给存储任务。存储任务收到消息时将触发存储任务进入运行状态，存储任务会根据数据类型将传来的数据保存在特定的文件中。

HHT即希尔伯特黄变换算法，该算法由EMD分解和希尔伯特变换两部分组成。EMD分解思想为：首先找出信号的局部最大值和局部最小值点；然后对极值点进行曲线插值处理，获得信号的上包络线和下包络线，再利用筛选算法将符合本征模函数的信号依次筛选出来，最终将信号分解成若干个本征模函数和一个残余量之和。希尔伯特变换是对上述EMD分解得到的每一个本征模函数进行Hilbert变换，Hilbert变换公式为：

$y\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}}P{\&Integral;}_{-\mathrm{\&infin;}}^{+\mathrm{\&infin;}}\frac{X\left(\mathrm{\&tau;}\right)}{t-\mathrm{\&tau;}}d\mathrm{\&tau;}$

其中x表示EMD分解得到的稳定量信号，P为柯西主值。由该式得到对应于稳定信号的解析信号：

z(t)＝x(t)+jy(t)＝a(t)e^jθ(t)

z(t)只是一个本征模函数的解析函数，原始信号被分解为若干个本征模，把这些本征模函数的解析函数合并且忽略残余信号分量得：

$x\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{a}_i\left(t\right)\&CenterDot;\exp (j\&CenterDot;\&Integral;w_i(t\left)dt\right)$

根据上式可以把幅度和瞬时相位作为时间的函数表示在三维空间中，幅度的这种时—频分布称为希尔伯特幅度谱。

当向系统的SIM900A模块发送短信命令时，如FTP put myfile 0:/myfile 182.254.219.199时，系统启动通信任务，解析SIM900A接收到的通信命令，向IP地址为182.254.219.199的服务器发送put请求，将文件路径为“0:/myfile”的文件发送到服务器，保存文件名为“myfile”。同理可以通过命令向服务器获取文件，通过与服务器之间的文件传输可实现泥石流次声信号的采样原始数据和HHT算法分析结果数据上传功能，以提供中心站人员分析现场信号特性与状态且达到报警效果。同时，也可以进行系统的配置更新，远程修改系统的工作配置参数或固件更新。系统采用了SIM900A模块作为GPRS远程通信方案，使用其内嵌的TCP/IP协议栈，能够与中心站服务器建立FTP链接上传数据与日志文件，也能够下载更新配置文件与固件文件。系统使用了UCOSIII操作系统，管理各个任务协调配合运行。实现了采集，处理，存储，通信等多个任务的并行与同步。设备具有自检测功能，上电启动后进入操作系统，系统首先引导应用程序启动，检测设备配置与外设是否正常，启动失败将会打印提示并保存记录。

如图2所示，本发明的一种基于GPRS通信的泥石流次声监测方法：

步骤201：上电；

步骤202：所述PC上位机模块7初始化；以及现场子系统初始化；其中所述STM32F407主控模块1、所述GPRS通信模块2、所述状态采集模块3、所述信号采集模块4、所述外部存储模块5；以及所述外部IO模块6分别进行初始化，获取初始化操作结果；

步骤203：判断初始化操作结果是否出现致命等级错误，若出现则进入步骤215；否则进入步骤204；

步骤204：硬件初始化完成后进行操作系统初始化；

步骤205：判断是否初始化成功，若失败进入步骤215，否则进入步骤206；

步骤206：创建系统启动任务，最后启动操作系统；

步骤207：启动操作系统后，操作系统启动任务创建系统需要的任务，其中包括文件存储任务，采集任务，数据处理任务，设备状态监测任务，通信任务；文件系统挂载，设备启动参数获取，铁电存储器更新，GPRS通信接口配置，外部SRAM测试；

步骤208：完成启动程序后，所述泥石流次声监测系统启动任务挂起自身，操作系统根据需求和事件开始在各个任务之间进行调度；

步骤209：判断检波比较电路44输出的电平值是否超过所设置的阈值；若超过则进入步骤210；

步骤210：启动次声数据采集任务，从所述外部模数转换器单元41中获取次声数据；

步骤211：判断是否采集满1024个采样点，如果满1024个点，则进入步骤212；如果否，则返回步骤210继续启动采集任务；

步骤212：对所述1024采样点的次声数据进行HHT算法分析，在所述外部存储模块5存储所述分析结果；进入步骤213；

步骤213：判断是否达到采集次数；如果到达采集次数，进入步骤214，如果否，则返回步骤210继续启动采集任务；

步骤214：完成一次采集操作，将采集的经过HHT算法分析后的次声数据经由所述GPRS通信模块2发送给所述PC上位机模块7；

步骤215：系统错误，进行死循环报警。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。