基于μC/OS-Ⅱ的地质灾害智能化采集传输终端的研究

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Study on Geological Disaster Inteligent Acquisition and Transmission Terminal Based on.1C/OS- 1I/LIU Yi-min ，ZHOU Ce ，CHEN Wen jun ，CHEN Huan (1.Sichuan University，Chengdu Sichuan 610065，China；2.Instituteof Exploration Technology，CAGS，Chengdu Sicbuan 610081，China)Abstract：An embedded acquisition and transmission terminal is presented，which is researched based on IxC/OS-Ⅱop-crating system by using internet of things monitoring and control technology to realize real-time monitoring of the parametersof landslide and debris flow and establish the round-the-clock real-time monitoring system with functions of multi·parameterremote telemetry and starting awakening as wel as fault diagnosis.This system can provide efective technical support forgeological disaster prevention and mitigation.The paper introduces the design principle of the terminal and the designs ofsoftware and hardware。

Key words：C/OS-lI operating system；geological disaster；real-time monitoring；remote telemetry；disaster preventionand mitigation0 前言我国是-个地质灾害多发的国家，其灾害分布广、突发频率高、影响大，严重威胁着人民生命和财产的安全，在西部山区中滑坡、泥石流地质灾害现象特别严重。对于山体滑坡、泥石流的监测手段，国内目前采用的技术方法-般是将测量滑坡、泥石流的监测仪器或者设备放在野外滑坡、泥石流现嘲其周边地区，进行连续或定期重复的测量工作，这样达到监测滑坡、泥石流等现象的目的。

目前国内大多数监测设备往往只是采用单向的数据传输，很少涉及到对野外监测设备的实时控制，缺乏对野外监测设备与室内监控中心进行双向实时测控的研究，在野外设备故障诊断、启动唤醒等人际信息交互方面还有需要研究的地方，而且在极少数具有做远程控制功能的系统也仅仅限于人工对仪器监测参数的修改。当前应用中的无人值守监测中都能够完成数据传输而往往忽视了监控中心对野外监测设置的控制，即只能野外监测端单向向室内接收端发送数据，很难通过接收端控制野外采集端的监测频率与监测时段。单向的无人值守监测有这样几个问题：首先由于其监测方法、监测频率、监测时段也是事先设定，难以及时甚至无法捕捉到灾害体临近失稳前的宝贵信息，因此不可能及时准确地对灾害体状况进行预警 ；其次在旱季或者是晴天这些不需要密集监测的时候也在采集数据，获取不必要的数据，而在 日照较少的雨季，也是地质灾害高发的时间段，由于不能远程设置监测频率、监测时段从而导致无法高频率的采集监测数据，或是由于太阳能供电困难而导致的电能不足而不能进行高密度的监测；并且在野外设备故障诊断、启动唤醒等人际信息交互方面也急需加强研究。此外，目前的各种滑坡、泥石流监测系统大都是自成-体，各种监测系统之间难以有效的融合，所采集的各种滑坡性能参数都是独立的，很少涉及到数据的对比印证。这些因素收稿日期：2013-06-15基金项目：中国地质调查局地质大调查项目地质灾害智能化遥测系统研发与示范”(12120113011100)作者简介：刘-民(1984-)，男(汉族)，四川成都人，四川大学在读博士生，中国地质科学院探矿工艺研究所工程师，测控技术与仪器专、主要研究方向为地质灾害监测技术，四川成都市金牛区～环路北二段 1号，153973418###qq.conl。

2013年第 40卷第 7期 探矿工程(岩土钻掘工程) 9都严重影响了对滑坡、泥石流进行监测预警的效果。

1 基于 C/OS-Ⅱ系统的地质灾害智能化采集传输终端的设计原理1.1 C/OS-Ⅱ嵌入式操作系统简介C/OS-Ⅱ嵌入式操作系统是-种公开、结构小巧、具有可剥夺实时内核的，C/OS-Ⅱ是-个完成的，可移植、可固化、可裁减的抢占式实时多任务操作系统内核。它主要用 ANSI的 C语言编写，少部分代码是汇编语言。它有以下特点：(1)可移植性：可以移植到多个 CPU上，包括三菱单片机；(2)可固化：可以固化到嵌入式系统中；(3)可裁减：可以定制 C/OS，使用少量的系统服务；(4)可剥夺性：C/OS是完全可剥夺的实时内核，C/OS总是运行优先级最高的就绪任务；(5)多任务运行：C/OS可以管理最多 64个任务，不支持时问片轮转调度法，所以要求每个任务的优先级不-样；(6)可确定性：C/OS的函数调用和系统服务的执行时间可以确定；(7)任务栈：每个任务都有自己的单独的栈，而且每个任务栈空问的大猩以不-样；(8)系统服务：C/OS-有很多系统服务，如信号量、时间标志、消息邮箱、消息队列、时间管理等等。

基于 C/OS-Ⅱ操作系统进行应用系统时，设计任务的主要任务是将系统合理划分成多个任务，并由RTOS进行调度，任务之间使用 C/OS-Ⅱ提供的系统服务进行通信，以配合实现应用系统的功能。与前后台系统-样 ，基于 C/OS-Ⅱ的多任务系统也有-个 main主函数，main函数由编译器所带的C启动程序调用。在 main主函数中主要实现C/OS-Ⅱ的初始化 OSInit、任务创建、-些任务通信方法的创建、C/OS-Ⅱ的多任务启动 OSSta等常规操作，其文件结构如图 1所示。

根据 C/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的这些特点，我们认为它的前后台系统、低功耗模式、可重人函数(多个任务调用)以及多任务优先级反转的特性非常适合应用到地质灾害自动化监测领域。地质灾害自动化监测对监测设备的要求就是稳定性高、实时性强、功耗低以及远程人机对话功能，通过 GPRS信息 交互技术和基于多任务 的 C/OS-Ⅱ嵌入式应用软件 (用户代码)gc/os I内核文件(与处理器类型无关的代码)os CORE.C 0S TASK.C0S FLAG.C 0S TIME.C0S MBOX.C uCOS-II.CS MEM.C uCOS II.H0S MUTEX.C 0S SEM.C[二二互二二] [二 亟] 硬件图 1 C/OS-Ⅱ的文件结构操作系统的采集终端，我们可以快速稳定的实现监测数据的采集传输。

1.2 地质灾害智能化采集传输终端的设计思路本终端主要工作在地质灾害野外监测现场，主要的研究内容为采集拈、传输拈以及人机信息交互技术的研发，其中采集拈的功能是实现滑坡深部位移大量程监测仪、裂缝监测仪和雨量、地下水位监测仪等参数的数据采集，同时为泥石流监测仪器预留的标准数字信号接 口；传输拈的功能是利用 GPRS通讯拈或者北斗通信技术建立与室内监控中心的双向通信，即实现监测现场向室内中心的数据传输与室内中心向监测现场的远程控制的功能；人机信息交互技术主要包括对现赤测仪器的启动唤醒、蓄电池电量监测、故障诊断等功能。其总体设计思路如图2所示。

根据系统设计要求，本文设计的终端主要实现以下功能：多通道数据采集、数据无线传输和人机交互平台(启动唤醒、故障诊断)。通过需要实现的这3个功能，我们设计出多个可供后台主系统调用的子任务。这些子任务都是基于 C/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的子函数，可以通过多任务优先级反转的功能进行调用。这些子任务的名称与功能如表 1所示。

表 1 C/OS-Ⅱ操作系统子任务的名称功能序号 名 称 功 能1 数据采集子任务 进行多通道的数据采集2 数据打包发送子任务 利用 GPRS进行数据传输3 命令查询分析子任务 根据监控中心的命令进行启动唤醒4 蓄电池电量监测子任务 根据监控中心的命令监测电池电量5 故障诊断子任务 根据监控中心的命令进行故障诊断我们通过 C/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的前后台系统和多任务优先级反转的优点，利用前 -后台系统的稳定运行与多个子任务的相互切换工作进行终端的总体设计，地质灾害智能化采集传输终端的2013年第40卷第 7期 探矿工程(岩土钻掘工程)多采 采集命令l黼 柔性人位移监测仪 野通 激励信号 多采通 集 外讯 通集 道传 现场采集I E接触式裂缝j烩测仪 监模 启动唤醒 道传 测块 数输数输返回数据门 降雨量、库水位监测仪 点 串r]发送 据器 据器 。 - - 参 室- - 野通 数 内外汛 阈 闽值输入 监 无线遥测监模 值 控测块 输 中- 盟 . 入心 - - 图 5 通 信接 口硬件 工作不恿图Debugln Flash中生成 Hex代码，然后通过 MagicFlash将生成 的 Hex代码固化到 LPC1788的片内Flash中，将程序下载到 Flash的 OxO0位置，这样系统上电后就能 自动执行程序了。

调试主机(PC)负责对 ARM源程序进行编译连接，生成 Hex文件，然后使用 Magic Flash下载器将HEX代码固化到 LPC1788的片内 Flash中。调试框图如图6所示。

调试主机Pc(ADS1.2编译器)gic Flash(同化HEX)所设计的目标版 l图6 ARM嵌入式处理器调试框图本研究中采用拈化程序设计方法进行软件设计。主要分为野外多参数采集传输终端软件和室内接收控制中心软件2个部分，软件功能分别如图7、图8所示。

图7 野外多参数采集传输终端软件功能图4 结语本终端利用 IxC/OS-Ⅱ嵌人式操作系统的前后台系统和多任务优先级反转的特点，可以实现灾害体内的多参数(深部位移、地表裂缝、推力以及土壤含水量等)的实时在线监测，通过GPRS信息交互图 8 室内监控中心软件功 能图技术发送数据至监控中心，并根据实时传输的监测数据进行数据分析，实现滑坡预警的实时预判。通过经过多次软、硬件结合的室内外实验调试改进，本次设计实现了实时监测滑坡体多参数的基本功能，可以满足无人值守化、自动化、实时化等未来监测技术手段的基本要求，在室内的多次调试中实现了数据收发、定时采集、启动唤醒以及故障诊断等功能。

在野外试验方面，通过野外示范区试验，完成了监测通讯终端软硬件的改进与完善，并获得野外试验报告及数据，为监测预警与防灾减灾提供可靠的数据。

本文的设计对地质灾害智能化遥测研究有很强的现实意义，对后续发展地质灾害 自动化监测技术有-定的参考价值。由于野外环境的不确定性和项目开展时问有限，肯定会有故障因素未考虑在内，应继续在野外示范区的试验中发现问题并解决问题 ，保证系统的长时问稳定工作。其次，在软件设计上的进-步的扩展 ，为了使监测系统更好地解决出现的问题，应加强软件的过程控制能力，程序的简练也有待改进。