摘 要： 利用地球物理中的充電法原理，成功設計了基于充電法原理的滑坡監測儀。監測儀由電極轉換模塊、信號測量模塊、遠程傳輸模塊及電源模塊四部分組成。微控制器控制電極轉換模塊將供電電壓通過位于井中的供電電極供入地下，信號測量模塊完成布設于地面的測量電極之間的電壓和供電電流的采集，遠程傳輸模塊將采集到的電壓值和電流值傳輸到監控中心，從而實現對滑坡的遠程監測。最后給出了野外應用試驗，試驗結果表明監測儀器能穩定工作。
關鍵詞： 充電法；數據采集；滑坡監測
滑坡作為地質災害中較為嚴重的一類，其危害是不容忽視的，許多科研人員和工程技術人員都對滑坡監測進行了深入的研究。滑坡監測作為預防滑坡的主要手段，指通過各種方法來預測滑坡的趨勢，為滑坡治理提供科學的依據[1]。本文以充電法(電法勘探類的一種方法)[2]的基本原理為基礎，通過觀測埋藏于滑坡面上、下不同點的電極在地表的電位分布與變化，從而達到滑坡位移示蹤的目的。
1 儀器設計原理
基于充電法原理，在滑坡體深部布設金屬球（供電電極），它們分別為A1、A2、A3……。然后將鉆孔回填夯實，保持地層結構不變；另一供電電極B置于鉆孔足夠遠處，作為無窮遠電極B（距離一般選擇為最大埋深電極的20~50倍），在鉆孔附近布設多個測量電極M，測量電極N選在B電極處。首先給A1B供電，測量整個陣列MN間的電位差，繪制出此時的電位曲線，依次給A2B、A3B……供電，同樣繪制出電位曲線。按照一定時間間隔繼續進行相同操作，對比不同時間的電位曲線，若同一供電電極的電位曲線沒有發生電位錯動，說明該深度處未發生位移，若出現電位曲線不重合現象，則可根據等電位線移動的方向和距離，以及觀測的相隔時間，求出滑動方向和滑動速度[3]。圖1為裝置示意圖。
2 儀器設計框圖
依據充電法的原理，結合傳統的直流電法儀器，設計制作的充電法滑坡監測儀整體框圖如圖2所示。該儀器由電極轉換模塊、信號測量模塊、遠程傳輸模塊及電源模塊4部分組成。
電極轉換模塊在監測儀工作過程中負責供電電極A、B及測量電極M、N的切換；信號測量模塊由電壓測量通道和電流測量通道組成，每個測量通道均由前置放大電路、10 Hz低通濾波電路、50 Hz陷波電路、主放電路組成；微處理器控制部分采用STM32微控制器作為控制核心[4-7]，其在測量過程中控制供電電極A、B和測量電極M、N的切換，同時也自動地控制著電壓測量通道的放大倍數、采集數據的存儲顯示及數據的遠程傳輸等功能；遠程傳輸模塊將采集的數據通過GSM網絡發射到監控中心，監控中心通過采集軟件接收測量的數據；電源模塊由蓄電池、DC/DC及其控制電路組成，提供監測儀工作所需電壓以及為供電電極提供48 V、96 V、192 V 3種可選供電電壓。
3 滑坡監測儀軟件結構
充電法滑坡監測儀的數據采集處理軟件主要針對STM32微控制器進行編程，具體實現監測儀器的初始化、系統參數的輸入，控制供電電極切換電路，將供電電壓通過供電電極A、B供入地下，控制測量電極選擇電路，選擇合適的測量電極M、N，讀取M、N間的電壓值及供電電流值，然后將采集到的數據保存在U盤中，同時將采集到的數據通過遠程傳輸模塊發送到控制中心。軟件主體采用C語言編寫[8]，其流程圖如圖3所示。
4 監測中心采集軟件
監測中心采集軟件采用VB編寫，主要是基于WinSock控件的服務器程序的開發[9]。其主要流程及使用的主要函數如圖4所示。WinSock控件是一個ActiveX控件，允許使用傳輸控制協議TCP（Transmission Control Protocol）和用戶數據協議UDP（User DataGram Protocol）兩個傳輸層協議。使用WinSock控件時，通信雙方要使用相同的協議，當客戶端向服務器端發出連接請求時，服務器端不停地監聽客戶端發出的消息。一旦連接成功，任何一方都可以通過 SendData發送數據，并借助GetData把數據分離出來[10]。
5 野外監測實驗
為了驗證所設計的滑坡監測儀是否能穩定工作，選取野外試驗場地模擬儀器處于滑坡監測的狀態。實際選取的野外試驗場地在烏魯木齊市郊甘河子大橋附近，地面上的30個測量電極布置成兩條平行測線，測線間距為30 cm，每個電極間隔25 cm，即A1離地面25 cm，A2離地面50 cm；供電電極B及另一測量電極N布置在近似于無窮遠處；初始時2個供電電極均布置在M8正下方，模擬滑坡監測的初始狀態，將各電極連接至滑坡監測儀，測量不同時刻各測量電極M電位的變化。圖5為供電電極A1和A2不同位置測量電位變化圖，從圖中可以看出，電極的位置移動與測量的點位曲線一一對應，說明了設計的滑坡監測儀實現了預期目標。
本文利用地球物理中的充電法原理，研制了基于充電法的滑坡監測儀器，并經過野外模擬試驗驗證了所研制的滑坡監測儀能夠長期穩定工作。在實際應用時，配以太陽能裝置，即可實現長時間的無人值守的自動監測。
參考文獻
[1] 胡小崗.GPS技術在滑坡監測中的應用[J].山西建筑，2009，35(13)：362-364.
[2] 程志平.電法勘探教程[M].北京：冶金工業出版社，2007.
[3] 牛建軍，張曉培，杜立志.稠油汽驅電位法動態監測技術[J].吉林大學學報（地球科學版），2008，38(5)：171-175.
[4] 武利珍，張文超，程春榮.基于STM32的便攜式心電圖儀設計[J].電子器件，2009，32(5)：92-95.
[5] 孫啟富，孫運強，姚愛琴.基于STM32的通用智能儀表設計與應用[J].儀表技術與傳感器，2010(10)：34-36.
[6] He Huazhi.Hardware design of a vehicle monitoring equipment based on the STM32[J].Electronic Measurement Technology，2008(12)144-146，151.
[7] 王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.
[8] 宋恒力，董浩斌.利用SoC單片機的多功能數據采集卡[J].電子設計應用，2004，30(3)：53-54，59.
[9] Wu Meifang，Li Lihong.Network communication based on winsock[J].Microcomputer Applications，2009(1)：43，52-53.
[10] 李秀紅，黃天戍，孫忠富，等.基于GPRS/SMS的嵌入式環境監測系統[J].吉林大學學報（工學版），2007，37(6)：187-192.