摘 要

在当前社会中，山体滑坡对人民人身安全和财产安全都会造成严重的威胁，预警系统的设计可以尽量减少山体滑坡对社会造成的损失。传统的山体滑坡监测预警系统在有线传输、人工播报方面都存在很大的不足。本次预警系统设计利用单片机采集山体滑坡滑坡位移、加速度信息和降雨量等信息数据,将数据通过NB-IoT（窄带物联网）网络实时传送至监控系统控制站,可以快速有效地对山体滑坡进行预警，解决了传统山体滑坡监测预警系统存在的问题，对社会进步具有重要意义。

第一章主要归纳了山体滑坡研究的背景和意义，国内外研究技术的水平和实力，以及本次设计中主要研究的内容和方向。

第二章主要是关于山体滑坡的形成原理和系统的总体设计，山体滑坡预警系统的设计，需要对山体滑坡的形成原因和滑坡过程中的原理有非常完美的理解。由此可以确定滑坡预警系统需要具有收集相关数据的功能，并且具有可以实时准确的传输数据模块。所以系统应该由相关传感器、单片机和相关网络传输模块组成，由此可基本确定系统组成。

第三章基本完成了系统的硬件设计，确定了所需传感器、单片机和芯片的选型。为了使预警系统可以在环境非常恶劣的情况下能够保持良好的收集信息和传送信息的状态，系统所需的传感器和单片机的选择也很重要。同时，为了能够选出最适合的单片机和相关传感器，必须要对单片机的类型和原理，传感器的工作方式有所理解，这也是系统能够顺利设计出来中的重要一环。此外，在易发生山体滑坡地区的通信也是系统设计里面重要的一环，良好的数据传输环境有利于对滑坡地区第一时间做出最好的决策；NB-IoT无线网络传输数据的方式，可以让监控站和现场保持很远的距离，保证了工作人员的人身安全，很大程度方便了预警的报告。

第四章则介绍了相关传感器、单片机和芯片的工作模式以及其内部构造的基本信息。为了使系统能够正常运行，需要对所选器件和网络传输模块进行内部寄存器和程序处理，完成系统总体的软件设计。

关键词：山体滑坡;网络传输；硬件设计；单片机；传感器；软件设计

Abstract

In the current society, landslide will pose a serious threat to people's personal safety and property safety, and the design of early warning system can minimize the loss caused by landslide to the society.The traditional landslide monitoring and early warning system has great shortcomings in wired transmission and manual broadcasting.The early warning system designed to collect landslide displacement, acceleration information and rainfall information data through NB-IoT (narrowband internet of things) network real-time transmission to the monitoring system control station, the design of the early warning system uses single chip microcomputer to collect the landslide displacement, acceleration information and rainfall, etc. Early warning of landslide can be carried out quickly and effectively, which solves the problems of traditional landslide monitoring and early warning system, and is of great significance to social progress.

The first chapter summarizes the background and significance of landslide research, the level and strength of research technology at home and abroad, as well as the main research content and direction of this design.

The second chapter is mainly about the principle of landslide formation and the overall design of the system, and the design of landslide warning system, it is necessary to have a very perfect understanding of the cause of landslide formation and the principle of landslide process.Therefore, it can be determined that the landslide warning system needs the function of collecting relevant data, and it has a real-time and accurate data transmission module.Therefore, the system should be composed of related sensors, single-chip computers and related network transmission modules, which can basically determine the system composition.

The third chapter basically completes the system hardware design, determines the required sensor, single chip and chip selection. In order to make the early warning system maintain a good state of collecting and transmitting information in a very bad environment, it is also very important to select the sensors and single chip computers needed by the system.At the same time, in order to select the most suitable single chip microcomputer and related sensors, we must understand the type and principle of the single chip computer and the working mode of the sensor, which is also an important part of the system which can be designed smoothly.In addition, communication in landslide prone areas is also an important part of system design. A good data transmission environment is conducive to making the best decision for landslide area in the first time.The way of transmitting data in NB-IoT wireless network can make the monitoring station keep a very long distance from the scene, ensure the personal safety of the staff, and greatly facilitate the early warning report.

The fourth chapter introduces the related sensors, microcontroller and chip operation mode and the basic information of its internal structure.In order to enable the system to operate normally , internal registers and program processing are required for the selected device and the network transmission module , so that the overall software design of the system is completed .

Key Words：Landslide; network transmission; hardware design; single chip microcomputer; sensor; software design

目 录

摘 要 3

Abstract 4

1 绪论 1

2 滑坡分析及系统总体设计 2

2.1 山体滑坡形成的原理 2

2.2 山体滑坡的形成规律 2

2.3 系统需求分析 2

2.4 系统总体设计 3

2.5 本章小结 3

3 硬件设计 4

3.1 量雨计分类及设计 4

3.1.1 雨量计分类 4

3.1.2 单片机设计 7

3.2 三轴加速度陀螺仪 7

3.2.1 陀螺仪传感器 7

3.2.2 加速度传感器 8

3.2.3 MPU-6050 8

3.2.4 数字运动处理器 9

3.2.5 芯片介绍与电路图 9

3.2.6 STC15控制MPU6050 12

3.3 NB-IoT介绍与芯片选择 12

3.3.1 NB-IoT 12

3.3.2 ME3616 13

3.3.3 STC15控制ME3616 15

3.4 本章小结 16

4 软件设计 17

4.1 雨量计软件设计 17

4.2 I2C总线设计 19

4.2.1 I2C 简介 19

4.2.2 起始信号 19

4.2.3 终止信号 20

4.2.4 应答信号 22

4.2.5 逻辑“1”的表示 25

4.2.6 逻辑“0”的表示 25

4.2.7 IO口模拟发送一个字节数据 26

4.2.8 IO口模拟接收一个字节数据 27

4.3 MPU-6050软件设计 28

4.3.1 传送寄存器: 28

4.3.2 重要寄存器 28

4.4 ME3616软件设计 32

4.5 本章小结 33

参考文献 35

致 谢 36

1 绪论

我国是自然灾害比较频繁，严重的国家,其中山体滑坡就是其中危害最大的自然灾害之一。山体滑坡对百姓的生命财产安全,建设工程的设施,农作物生产都有非常严重的影响，大大地威胁到人们正常的日常生活,对国家整体经济和人民生命财产造成严重损失。据可信任数据显示,这几年来,山体滑坡已经造成了将近几百亿的经济损失，做好滑坡预警系统对社会的进步和发展具有重大意义。

在我国历史上，曾经有过山体滑坡的真实案例，但是当时的技术水平明显没有达到解决滑坡问题的水准，再加上当时社会的封建思想，所以对滑坡方面的研究迟迟没有开始。除了国内，国外在这方面的研究也起步很晚，最早是在上个世纪二十年代，瑞典才开始研究山体滑坡的相关问题。而我国则是在上世纪七十年代才开始利用大地测量的仪器对山体滑坡进行研究处理。直至现在，国内外对山体滑坡的研究已经有了一定的成果，总的来说，目前国内外对于山体滑坡的检测可归纳为五个：简易观察法，设站观测法，宏观地质观测法，自动遥测法，仪表观测法。对于预警系统的设计技术也基本成熟，对于大部分的滑坡系统都能进行准确检测。但是目前大多数的预警系统都必须人工进行现场收集数据，这样会降低数据的实时性，并且不利于人身安全。虽然可利用传感器等一些先进设备，但成本过高，不适合大量使用。

本文主要研究的就是在以上条件不好的前提下，如何充分运用当前的传感器采集数据、单片机进行处理数据、无线传输数据等技术,建立非常具有智能性的基于窄带物联网（NB-IoT）技术的山体滑坡实时监测及预警系统。这个设计系统对加速度数据进行采集并且设计了预警平台,运用了NB-IoT无线传输方式，可以得到实时滑坡预警数据,并根据此数据判定现场滑坡情况,根据现场情况做出相应措施，将数据返回现场。

2 滑坡分析及系统总体设计

2.1山体滑坡形成的原理

形成山体滑坡的原因主要是由于山体滑坡的土地受到自身质量的影响。由于各种自然因素，某一位置的弱面或弱带处于受力状态，或由于地面振动、水流作用、化学作用等，破坏原有的固定结构。当应力大于强度时，会发生剪切破坏，造成山体坡面不平衡，向下滑动，形成山体滑坡。一般来说，山体滑坡的过程比较缓慢。在山体滑坡过程中，会出现偶然的停止、偶然的滑动或突然的剧烈滑动。直接导致滑坡最终形成的因素是边坡沿某部分边坡的“面”或“带”的整体滑动。当“带”或者是“面”中的自身应力和强度失衡，且大于强度而产生的破坏和变形，沿之滑动者为主滑带，主滑带又会影响到周围的土地，从而形成了牵引段滑带和抗滑段滑带。由此可见，形成主滑带后山体的内部会发生质的变化，从而很容易形成山体滑坡。

2.2山体滑坡的形成规律

首先，山体滑坡具有同时性。主要是指当出现导致山体滑坡的因素之后，会立即活动。比如当遇到强烈的地震、暴雨、海啸等等不可抗力或者是其它不合理的人类活动，比如，爆破，大型采矿等，都会直接导致山体同时性滑坡的出现。

其次，山体滑坡具有滞后性。通常来说，在暴雨情况下会表现出明显的这种滞后性，通常在暴雨或大雨发生过后的一段时间之内才发生山体滑坡。滞后的时间和山体的整体结构，坡面斜度和坡体的岩性密切相关。如果山体的坡面角度越大且较为松散、降雨时间长且雨量大、裂隙发育完全，那滞后性的时间也就越短，反之，就越长。人类活动的范围越大且强度越高，则滞后的时间相对也就会越短。

最后，山体滑坡多发地区。滑坡经常发生在崎岖的地形上，如峡谷和山区，包括江海湖山区。除此之外，还有公路、铁路、高大建筑物的两旁山体。这些地方都是山体滑坡最为常见的地方。同时，这些地方的地形也为山体滑坡创造了有利的条件。例如，在不同的地质结构中，位于地震带和断裂带的地方也会造成山体滑坡，再加上暴雨，山体滑坡出现的频率就会大大增加。鉴于上述滑坡的成因，根据我国的地形地貌，滑坡易发生的地区有四川盆地、秦岭、云贵高原等典型地区，灾害较为严重。

2.3系统需求分析

由此可见，山体滑坡的发生与当地的降雨量、泥土蠕变的加速度和位移有密不可分的关系，当降雨量达到一定程度，泥土蠕变加速度增大或者泥土产生了较大的位移后都会有很大几率造成山体滑坡。所以本次山体滑坡预警系统需要对当地降雨量、泥土蠕变加速度和泥土位移进行实时数据采集，并且第一时间将数据传输回来进行分析处理，以此判断现场是否有山体滑坡发生的条件，再做出相应的解决措施。

2.4系统总体设计

由上文分析可得本次设计系统主要包括四部分，雨量计、单片机、三轴加速度陀螺仪和网络传输模块。大概关系如下：

网络传输模块

雨量计 单片机 三轴加速度陀螺仪

其中，通过单片机的控制作用，雨量计负责收集当地降雨量多少，三轴加速度陀螺仪则负责测量当地泥土蠕动加速度和位移，再将数据通过网络传输模块及时传输到终端管理系统，以便及时做出正确措施。

2.5本章小结

以上是有关于山体滑坡形成的原理和规律。由此可见，造成山体滑坡有多方面原因，其中主要原因大致有三个，降雨量、泥土蠕动加速度和泥土位移，所以本次设计就是通过收集这些数据并进行处理得出结论，具体方法就是利用单片机控制雨量计和陀螺仪等传感器进行数据收集处理，判断当地是否有可能发生山体滑坡，以便做好防范措施，可以得到系统的总体设计。

3 硬件设计

3.1量雨计分类及设计

雨量计分别包括虹吸式雨量计，翻斗式雨量计和称重式雨量计。是有关专家和一些专业人士用来检测一个地区在某一时间段内的降雨量的仪器。简单方便，并且数据准确。

雨量器的组成主要有漏斗、储水筒外筒、储水瓶和与其口径成比例的专用量杯。放置在所需检测雨量的地方内固定架子上。器口与地面距离保持在70厘米并保持水平。冬天某些地区有较深积雪，那么雨量器器口距地面需达到1到2米。当雪深超过三十cm时，可以把雨量器放在准备好的架子上进行工作。

我们可以通过观察得出雨量计的读数，也可以通过自动气象站（AWS）观测得出，大部分的雨量计的测量单位都是mm，也有少部分雨量计的测量结果的单位是英寸或者cm，观测的频率，可以根据采集单位而变化。收集的雨水也可以用来测试当地污染程度的水样，但大多数雨水是不会保留的。

在当地气候比较多风的情况下，雨量计是测不出有用的数据的，因为雨量计的使用还是有很大的前提因素的。风力因素会造成部分雨水残留在筒壁或漏斗上，会导致收集到的雨量不准确，数据计算不精准。多风气候对雨量计记录的结果会造成很大的偏差，而且这种气候对雨量计本身也会造成危害。

此外，温度也是影响雨量计工作的重要因素，当温度过低时，雨量计收集到的雨水可能结冰，虽然质量没有改变，但是很可能会导致雨量器里面的一些重要通道被冰块堵住，这样也会影响到雨量器进行检测。所以，跟大部分现场仪器一样，雨量计放置的地方也要有所讲究，应该挑选一些相对环境温度变化较小的空地上，尽量减少外界干扰，得到准确数据。

3.1.1雨量计分类

①虹吸式雨量计

虹吸式雨量计是用于连续记录液体降水量和降水时数的仪器，根据数据的记录还可以了解降水强度。首先，使用虹吸式雨量计则必须懂得其内部的浮子室和承水器。其中浮子室由一个圆筒里面装进浮子组成，雨水进入后浮子就会连随着水位而位置上涨，此时另一个部件自记笔也会随着浮子运动。在外部，座板上的自记钟，转筒在钟机的前进作用下做旋转运动，并且转筒上夹带这记录纸，记录笔就在随着运动的转筒的记录纸上绘出相应曲线。

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