基于LORA的频发带山地泥石流检测系统设计
时间：2022-12-08 20:25:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
张晨皓，李 峥
(淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000)
我国山地、丘陵和高原地区泥石流发生相对频繁，对交通运输、水利水电工程造成严重破坏，对人民的生命和财产造成巨大威胁.[1]本文设计了一种频发带山地泥石流检测仪，该系统以嵌入式为核心，利用多种传感器的有效配合，实现实时远程监控功能，实时监测泥石流的发生.
系统分为主机、从机两个部分，整体框图如图1所示.山地泥石流检测仪利用STM32嵌入式系统及传感器，完成对泥石流的检测和报警.
图1 系统整体框图
主机端：包括雨量计、GSM模块、语音播报模块、时钟模块、显示模块、LORA模块.主机利用雨量计采集到的信息以及时钟时间唤醒从机，主机给从机发送唤醒信号，等待接收从机反馈回来的信息.如果判断危险，便利用语音播报模块进行语音提醒，通过GSM模块通知相关人员.
从机端：包括 LORA、MPU9250模块、裂缝计、锂电池及太阳能充电装置.从机收到主机的唤醒信号便启动MPU9250和裂缝计进行信息检测，如果检测的值超过预设值，便通过LORA向主机发送危险信号.
2.1 主控模块
主控模块是整个检测系统的核心，控制其他模块的正常工作.主控模块主要用于监测数据，协调其他模块的正常工作.主控模块选用STM32F103ZET6单片机，主控芯片具有5个串口，主频高达72MHZ，8个定时器，64KB的RAM和512KB的FLASH空间.
2.2 LORA无线模块
LORA是一种基于扩频技术的远距离无线传输技术，可以实现低功率远程无线电通信.该模块使用ISM频段射频SX1278扩频芯片，具有体积小、灵敏度高、支持低功耗省电并且抗干扰性强等特点.[3]LORA采用点对点通信方式，与WIFI、蓝牙、ZIGBEE传输技术相比，LORA的无线传输距离更远[4]，穿越障碍物的效果较好.LORA具备低功耗工作特性，弥补了传统无线传输设备低功耗和远距离不能兼得的难题.
2.3 显示模块
本系统选用0.96寸OLED显示屏作为显示模块.主机部分主要用来显示时间及雨量等相关信息，从机部分主要用来显示电量、加速度及数据上传等信息.
2.4 GSM模块
设计采用SIM800C完成短信发送，当系统检测到危险信号时，GSM模块可以快速发送警报短信.该模块采用串口通讯，通过AT指令收发英文或者中文短信，并具备拨打电话的功能.[5]模块支持移动，联通，电信的SIM卡，操作简单，在野外环境中通信信息也可以有效传输，具有传输快、传输距离远、实时性强等优点[6].
2.5 语音播报模块
设计采用SYN6288语音播报模块，该模块采用异步串口通讯方式(UART)，接收预设的文本数据，再实现语音的转换.该模块支持GB2312，GBK，BIG5，UNICODE内码格式的文本[7]，具有16级音量调整，6级语速调整等功能.[8]
2.6 MPU9250模块
该模块是一款九轴姿态角度传感器，集成了三轴加速度传感器、三轴角速度以及三轴磁场，加速度模块通过IIC通信方式与单片机连接，具有精度高、体积小的特点.MPU9250可以准确地测量x,y,z轴方向的加速度，检测轴及其方向.[9]利用MPU9250采集的从机的运动状态信号[10]，开启其DMP库中的运动检测函数，将检测到的MPU9250信号通过低通滤波后，再与设定的阈值进行比较，继而判断从机设备的状态，计算出设备的总加速度，将其显示到OLED屏幕上.
2.7 裂缝计
裂缝计是一种利用滑动变阻的方式将位移量转换为电信号的结构型传感器[11]，具有灵敏度高，精度较高，结构简单，对复杂环境适应性强，可在高压、高温等环境中使用.滑动变阻器是裂缝计传感器的核心元件，其工作原理是利用物理滑动改变电阻大小的原理[12]，从而改变电压信号.
2.8 雨量传感器
主机根据获取雨量的大小，给从机发送不同的唤醒信号.该模块基于LM393运算放大器，它包括电子模块和“收集”雨滴的印刷电路板.该传感器是一个电阻偶极子，在潮湿时显示较小的电阻，而在干燥时显示较大的电阻.当板上没有雨滴时，它会增加电阻，因此，根据V=IR获得电压，再根据雨量的大小与电压成反比的关系来计算雨量大小.
2.9 DS1302模块
设计使用DS1302模块，主控通过查询当前时间再通过是否处于雨季，便于更变采集频率.主控模块通过读取该模块的时间信息并通过提前输入当地的雨季信息判断当前时间是否处于雨季.
主机流程见图2，从机流程图见图3.设计选用LORA星型组网结构，其通信过程级联较少，延迟较低，速度较快.在星型组网下，只有发数据的一个节点是主机模式，其他模块在接受的时候都会主动切换到从机模式.设计通过规定每一模块的地址，在从机收发的时候将自己的地址一起带出去，并在主机里处理所有节点数据包.在这种组网下，提高星型组网时查询信息的灵活性，从机节点上只接受处理来自主机的数据包.
图2 主机流程图
图3 从机流程图
选用一个LORA作为主机通信模块和2个LORA作为从机通信模块，对其通信信道、分频因子等进行设置，使其处于同一通信频道，各个节点上电后即可加入数据传输.为实现2个从机模块向主机模块发送数据的功能，组网设计保证其数据传输的准确性和稳定性.
4.1 对从机工作的分析与探究
为了进一步探究本文设计的预警系统的灵敏度、准确性和有效性，进行模拟实验.首先将从机0和从机1放到一个模拟滑坡的斜坡上的不同位置，再将主机放在距离从机直线距离较远的地方.当处在雨季并且雨水传感器上有水时，主机将首先唤醒从机0.
当从机0电量剩余不足20%时，主机将播报0号机电量不足；
0号机进入休眠并进行充电(太阳能)，反之亦然.当从机1的加速度或压力达到阈值时，将向主机发送报警信号，主机将立刻进行广播报警和短信报警.
4.2 空中速率对LORA传输距离影响的分析
影响LORA传输距离的因素有发射功率和空中速率.发射功率与LORA的传输距离成正相关.发射功率最大是20 dbm，为保证传输距离足够，把发射功率设置为20 dbm，为此发射功率是最大功率，最大发射功率下，空中速率对LORA[16]传输距离的影响结果见表1.
表1 空中速率与传输距离对应表
4.3 误触分析
从机工作后MPU9250、裂缝计会一直采集外部状态信号，在通过运动检测函数后，从机会在开机时检测当前安全状态值，当超过该阈值，便可以判定发生泥石流,此时主机便会接收到危险信号.
设计了一款频发带山地泥石流检测仪.该系统利用LORA模块实现点对点的精确传输，可实现一主多从，达到多方位实时检测的目的.系统采用唤醒模式，实现了低功耗工作，可以根据当前雨量的大小实现不同的操作.这款频发带山地泥石流检测仪可以准确有效预地测泥石流，工作稳定，智能化，安全化，可实现泥石流的远程监测.
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