徐　建，刘三军

(湖北民族学院 科技学院，湖北 恩施 445000)



基于Zigbee技术的山体滑坡监测系统设计

徐建，刘三军

(湖北民族学院 科技学院，湖北 恩施 445000)

摘要：设计一种滑坡监测系统，利用ZigBee无线技术组建无线传感器网络，通过网络中各子节点传感器对山体进行实时信息采集，结合GPRS通信技术实现数据传输和山体滑坡预警信息的发送.通过实验，结果表明该系统功能全面，通用性好，克服了传统监测方法功能单一、效率低等缺点.

关键词：ZigBee；监测；GPRS；山体滑坡

山体滑坡监测系统由Zigbee网络、主机、GPRS模块、太阳能电池板组成.一般来说，滑坡多是由地下水引起，在滑坡形成过程中，地下水位会显著升高，此时，通过埋藏在各处的液位传感器采集各点的液位值，由各个子节点通过与之前的值进行比较，自行判断是否向主机发送数据.在山体滑坡过程中，由于山体的缓慢移动逐渐积累，最终因为受力不平衡而形成山体崩塌，那么在山体中安放大量的位移传感器和角度传感器，则有利于在危急时刻发出预警信息.山体滑坡时，山体因为受力不平衡而在向下的方向上存在一个加速度，在这种情况下，通过加速度传感器可以获得山体的受力情况[1].

1　系统硬件设计

1.1　无线传感节点设计

传感器节点采用TI公司的高性能、低功耗CC2530无线单片机，包含液位、位移、加速度、角度传感器，以及电源模块和复位电路.液位传感器采用普量电子有限公司的PT500-601，它采用进口扩散硅或陶瓷感压芯片，316不锈钢结构结构，配套带有零点、满量程补偿，温度补偿的高精度和高稳定性放大集成电路，将被测量介质的压力转换成4～20mA、0～5VDC、0～10VDC、0.5～4.5VDC等标准电信号输出.位移传感器选用西安新敏电子科技有限公司的WYDC-G1A1244，该传感器具有较强的抗干扰能力，可在潮湿，大电流或强磁场等恶劣环境下工作.加速度传感器采用MMA7361，该传感器融合了信号调理、单级低通滤波器和温度补偿技术，具有体积小、重量轻等特点，可以测量加速度和倾角[2].无线传感器节点的结构图如图1所示.

1.2　监控主机设计

监控主机采用意法半导体公司的32位微控制器STM32F103VET6，该处理器是基于ARM Cortex-M3核心的一款高性能、低成本、低功耗、增强型CPU，时钟频率可以达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品.

监控主机还包含一个Zigbee模块，作为整个无线传感网络(WSN,Wireless Sensor Networks)的协调器，担负着整个网络的启动、配置等重大任务，是外部上位机与整个网络通信的接口.网络中的实时信息被传送到协调器，并通过主机上的主控芯片进行数据分析、处理，重要数据将会被保存至主机的大容量SD卡上，便于数据的长期累积分析.监控主机结构图如图2.

图1　无线传感节点结构　　　图2　监控主机结构图Fig.1　Wireless sensor node structure Fig.2　Monitoring host structure

1.3　GPRS网关设计

GPRS网关采用华为公司研制的GPRS/GSM通信产品GTM900C为核心，该芯片功耗低，在睡眠模式下的标准功耗为2.5mA，工作电压为3.4V～4.5V，适用频带宽，内嵌强大的TCP/IP协议栈，通过AT指令对模块进行编程，实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输，支持多种SMS短信格式，两种串口接口实现数据双向传输.

该模块利用串口发送AT命令进行网络通信和短信发送，它的最大优点是与响应有关的操作指令和与网络的信息交换都是在模块内部自动完成.模块上电后，自动登录到网络，并长期附在网络上，不需要拨号上网的时间，具有很高的实时性.

1.4　其他硬件模块设计

电源管理模块是滑坡监控系统的一个重要组成部分，其直接关系到终端系统的性能，例如抗电压抖动能力、连续正常工作时间等.由于该系统终端工作在野外现场，这时如何保证终端系统长时问稳定的电源供给就变得尤为重要.在本系统中，采用由太阳能电池板、铅酸蓄电池供电方式，太阳能电池板用来给蓄电池充电，无需人为更换电池，保证了系统的连续工作和可靠运行.

2　系统软件设计

本系统软件主要以全球嵌入式开发工具IAR为开发平台，以TI公司的Z-Stack协议栈为基础，结合Cortex-M3对数据的处理，实现网络建立、数据传输、数据存储、数据分析及预警信息的发送.

2.1　ZIGBEE网络系统

ZigBee网络中存在三种逻辑设备类型：协调器，路由器和终端设备.虽然系统已经采用太阳能电池板充电，但若遇到阴雨连绵的天气，太阳能电池板不能提供足够的能量，系统将不能起到有效的监测作用.一般来说，传感器和通信消耗的功率最多，适当降低采样频率，将数据打包发送，可以有效延长系统的使用时间.在采样节点的软件设计中，每次采样后数据会跟第一次安装时的数据进行比较，若超过预先设定在采样节点中的阈值0.2，则采样节点会自动将采样间隔从原来的20s提高到1s.这样在有滑坡险情的时候，可以及时准确的获得滑坡信息并发出预警信号[3].ZigBee网络建立流程图如图3所示.

2.2　监控主机设计

中心监控主机作为传感系统的核心部分.在功能上它完成下级无线传感器信息的接收功能.并且完成和GPRS模块通信的功能.软件根据功能模块化的设计，软件程序初始化后就进入参数设置，设置完成后就进入低功耗模式，等待外部事件唤醒.外部事件包括串口中断事件、按键中断事件和定时器的中断事件.串口中断主要是通过ZigBee接收滑坡信息，按键主要用来唤醒屏幕对数据进行查看和对系统进行设置，定时器中断主要是用来定时检查子节点的信号状态，及定时向远程监控中心发送以提高系统可靠性[4-5].监控主机的程序流程图如图4所示.

图3　网络建立流程图　　　图4　监控主机的程序流程图Fig.3　The flow chart of the network establishment Fig.4　The program flow chart of the monitoring host

2.3　GPRS网关设计

系统中的GPRS网关主要有两个方面的作用，第一，在有滑坡险情的时候向周围居民发送预警信息；第二，向远程监测中心发送滑坡信息，由于数据量大，而且在可靠性、延迟等方面有较高的要求，用传统的GSM模块已达不到要求，因此采用GPRS模块.

GPRS网关发送短信和数据包都是通过AT命令来实现的，当监控主机检测到有滑坡险情时，会通过GPRS网关发送短信和数据包.发送短信时，监控主机通过串口向GPRS网关发送一系列初始化命令，然后发送一条AT+CMGS命令，返回OK后，向GPRS网关写入事先设置的居民手机号，再返回OK后，向GPRS写入预警信息和结束符(0x1A)即可将短信发到居民手机中.发送数据包时，GPRS网关先进行初始化，包括本地IP设置和目的IP设置.初始化成功后，GPRS网关开始连接远程监控中心服务器，当连接成功后，向监控中心发送数据包，数据包发出后，GPRS网关会延时20s等待监控中心回传确认包，若收到确认包，则进入低功耗模式，否则重新发送数据包直到发送成功为止[6-7].

3　系统测试结果

该系统在恩施城外的小山坡上进行了测试，系统中有26个采集节点和8个路由器节点和一个监控主机，测试时，将水位、位移、角度的阈值分别设为15、5、10cm，当节点采集的数据与第一次的值超过阈值时，就会向外发送预警信息.为了便于测试，将系统采样间隔设置为1s，利用向埋有水位传感器的孔洞里加水，手动调节位移传感器的位移量和手动调节角度传感器的角度.当把3号节点的水位加到20cm，把9号节点的位移传感器位移量调节到8cm，把23号节点的角度倾斜到13°，此时预先设定的手机收到预警信息,内容为“3号位置、9号位置、23号位置有滑坡险情，请迅速撤离！”这三个位置的滑坡数据如图5所示，实验结果表明，传感器对各种滑坡信息敏感，能准确采集数据和传输数据，系统能够准确分析数据，并能及时有效的发送预警信息.

4　结语

参考文献:

[1]施山菁,封维忠,韩晨燕,等.基于无线传感器网络的土壤湿度监控系统[J].测控技术,2013,32(12):118-121.

[2]胡颖.基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统设计与研究[D].重庆：重庆大学,2011.

[3]刘勇.基于ZigBee无线传感器网络系统设计与实现[J].电脑知识与技术,2014,10(9):2100-2010.

[4]张锐,刘圆,王童，等.基于无线传感器网络的角度监测系统[J].电子设计工程,2014,22(8):65-67.

[5]孔亮，孔令富，吴培良，等.一种基于无线传感网络的分布目标跟踪算法[J].河北科技师范学院学报：自然科学版,2013,27(1)：33-36.

[6]徐建，赵宝岩，周余.基于GSM的温度采集与报警系统的设计[J].湖北民族学院学报：自然科学版,2014，32(1)：106-109.

[7]向伟，苏绘籴，黄玲玲，等.基于ARM的救援信息采集传输系统设计[J].西南民族大学学报：自然科学版,2013，39(3)：465-469.

责任编辑：时凌

Design of Landslide Monitoring System Based

on Zigbee Technology

XU Jian,LIU Sanjun

(Science and Technology College，Hubei University for Nationalities，Enshl 445000，China)

Abstract：For mountain landslide，this paper proposes an intelligent early-warning system for landslides based on Zigbee network. It adopts Cortex-M3 architecture of the chip as the the embedded core control processor to improve system integration, data processing capabilities, the Zigbee uses CC2530 as the hardware foundation to construct ZIGBEE wireless sensor network, and then uses GPRS as the technological manner to remotely convey data transmission and early warning information. The results show that the system is completely functional.And it has versatility and good scalability,overcoming the traditional monitoring method of single function, low efficiency and high cost; it can effectively achieve the landslide monitoring and prevention of adverse geological conditions under mountains.

Key words：ZigBee；monitor；GPRS；landslide

作者简介：王玉富(1958- ),男,副教授,主要从事应用数学及计算机应用技术的研究. 张勇超(1989- )，男，硕士生,主要从事农村土地制度与政策的研究；*陈荣清(1973- )，男，副教授，主要从事土地整理与土地可持续利用的研究.

DOI:10.13501/j.cnki.42-1569/n.2015.06.029 10.13501/j.cnki.42-1569/n.2015.06.022

文章编号：1008-8423(2015)02-0235-06 1008-8423(2015)02-0200-05

通信作者：

基金项目：国家自然科学基金项目(41261041). 国家自然科学基金项目(61263030).

收稿日期：2015-04-07. 2015-04-24.

中图分类号：TN99

文献标志码：A