基于MEMS+ZigBee 的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究

陳 剛

（湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，武漢 430030）

我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，每年因地質(zhì)災(zāi)害都會(huì)帶來(lái)巨大的人員財(cái)產(chǎn)損失，因此必須通過(guò)各種有效的技術(shù)手段來(lái)減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，提前做到預(yù)警預(yù)報(bào)，降低損失。常用的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)包括人工定期全站儀監(jiān)測(cè)、利用標(biāo)樁位置變化的數(shù)值圖像方法或者是利用衛(wèi)星定位方式等多種方法，但是這些方法要么存在精度低、易受天氣的影響，要么是存在監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)性差、監(jiān)測(cè)成本高等缺點(diǎn)，很多時(shí)候并不能大面積推廣應(yīng)用，因此有必要對(duì)現(xiàn)有的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)[1-2]。

MEMS 是在微電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種微機(jī)電系統(tǒng)，與其他傳感器相比，具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、智能和集成化程度高、適宜批量化生產(chǎn)等特點(diǎn)，如果能將其應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中，可以在提高監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、可靠性的前提下，簡(jiǎn)化監(jiān)測(cè)步驟[3-4]。ZigBee 是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)上協(xié)議，與常見(jiàn)短距離通信技術(shù)（如Wi-Fi、Bluetooth、UWB）相比，有效傳輸距離最遠(yuǎn)，功耗最低，成本最低，且體積更小，組網(wǎng)更便捷，如果將其應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中，不僅可以降低監(jiān)測(cè)成本，而且可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃訹5-6]。

鑒于MEMS 和ZigBee 的技術(shù)優(yōu)越性，本文利用MEMS 和ZigBee 構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，可為地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)提供新的思路和方法。

1 MEMS 和ZigBee 基礎(chǔ)理論

1.1 MEMS 技術(shù)

微機(jī)械與電子集成系統(tǒng)（micro-electro-mechanical system，MEMS）受集成電路的啟發(fā)發(fā)展而來(lái)，是一系列尺寸在毫米級(jí)別甚至以下的電子機(jī)械裝置，以硅為主要材料，具有微型化、可批量生產(chǎn)、集成化、性能優(yōu)良、方便擴(kuò)展、多學(xué)科交叉等特點(diǎn)，在汽車(chē)、消費(fèi)電子、航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。典型MEMS 主要由傳感器、信息處理單元、執(zhí)行器以及通訊/接口單元組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)光、電、聲音、溫濕度、壓力等參數(shù)進(jìn)行感知和監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 典型MEMS 結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of typical MEMS structure

1.2 ZigBee 技術(shù)

ZigBee 是一項(xiàng)新型無(wú)線通信技術(shù)，特別適用于傳輸范圍短、數(shù)據(jù)傳輸速率低的電子元器件設(shè)備的相互聯(lián)系，具有低耗能、低成本、短時(shí)延、高容量、簡(jiǎn)單便捷、可靠安全、支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)涞葍?yōu)點(diǎn)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自上而下劃分為應(yīng)用層（APL）、應(yīng)用支持子層（APS）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC）和物理層，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為星型、簇樹(shù)型和網(wǎng)型三類(lèi)。ZigBee 現(xiàn)已在倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)、智能家居領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)由MEMS 加速度傳感器模塊、液位傳感器模塊、GPS 模塊、MCU 主控制模塊、ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊和上位機(jī)組成[7-8]，結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。MEMS 加速度傳感器體積小、精度高、集成度好、排布方便、適應(yīng)野外的各種環(huán)境，主要負(fù)責(zé)對(duì)位移、角度、溫濕度等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，MEMS 加速度傳感器采用SPI 方式與主控制器進(jìn)行通信；ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊的主要作用是將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并接收協(xié)調(diào)器的指令信號(hào)，GPS模塊主要目的是實(shí)現(xiàn)高精度的同步采集功能，Zig-Bee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊和GPS 模塊均通過(guò)UART通信方式進(jìn)行傳輸；上位機(jī)與ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊之間也通過(guò)UART 通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互傳輸。

圖2 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Structural design of monitoring and early warning system

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊即是指以MEMS 加速度傳感器為主要設(shè)備的數(shù)據(jù)采集裝置，該裝置是一種微型慣性傳感器，集成了加速度計(jì)和陀螺儀，可以對(duì)加速度和偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行精確測(cè)量，然后再通過(guò)積分變換計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的位移變形和速度信息。在本系統(tǒng)中，采用MPU-6050 型MEMS 加速度傳感器，該型號(hào)傳感器包括6 軸處理芯片和3 軸加速度計(jì)與陀螺儀，加速度計(jì)可探測(cè)-16 g～16 g 的加速度，陀螺儀可探測(cè)-2000 dps～2000 dps。MPU-6050 通過(guò)MCU主控單元的I2C 接口進(jìn)行控制，與SCL 和SDA 進(jìn)行連接，分別為時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)芯片數(shù)據(jù)的讀取和寫(xiě)入。MPU-6050 型MEMS 加速度傳感器如圖3 所示。

圖3 MPU-6050 型MEMS 加速度傳感器Fig.3 MPU-6050 MEMS acceleration sensor

2.3 ZigBee 無(wú)線通信模塊

當(dāng)前能夠生產(chǎn)ZigBee 芯片的廠商主要有Chipcon、Ember、Jennic、Microchip 4 家，考慮到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)要求的精度和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求，同時(shí)盡量降低預(yù)警監(jiān)測(cè)成本，本系統(tǒng)選用Chipcon 公司生產(chǎn)的CC2530 作為ZigBee 傳感網(wǎng)絡(luò)模塊的處理器，芯片集成了標(biāo)準(zhǔn)RF 收發(fā)器（2.4 GHz）和DSSS射頻調(diào)制模式，采用UART 串口進(jìn)行通信，使用簇樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可支持8 種常用的波特率，最大可實(shí)現(xiàn)3300 Bps 的傳輸速度，接收靈敏度達(dá)到了±97 dBm，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式下的誤比特率為0，在廣播模式下的誤比特率為5%。CC2530 結(jié)構(gòu)示意如圖4 所示。

圖4 CC2530 結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure diagram of CC2530

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件操作界面示意Fig.5 Schematic diagram of monitoring system software operation interface

2.4 溫濕度和GPRS 模塊

系統(tǒng)溫濕度模塊選用AM2301 型溫濕度傳感器，供電電壓為3.3～5.2 V，分辨率為0.1%RH，濕度測(cè)量精度為±3%RH，衰減值<0.1 RH/y，濕度測(cè)量范圍為0～99.9%RH，采樣間隔周期為2 s。GPRS 模塊主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程控制中心的數(shù)據(jù)傳遞，考慮到系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性要求，選用SIM900A 作為GPRS 模塊的主要硬件，可支持850 MHz、900 MHz、1800 MHz 和1900 MHz 4 個(gè)頻段，正常工作電壓3.3 V～5.5 V，正常工作電流值20 mA（在睡眠模式下的工作電流僅為3 mA），可以支持在-30℃～+85℃的環(huán)境下正常工作。

2.5 電源模塊

由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了CC2530 核心處理器，而且各個(gè)模塊均為低功耗設(shè)備，因此系統(tǒng)對(duì)于電量的需求不是很大，為了適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)工作，系統(tǒng)采用了蓄電池+太陽(yáng)能電池的復(fù)合供電模式，當(dāng)光照充足時(shí)，系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板供電，當(dāng)光照不足時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)由蓄電池供電。在電源模塊中，還需要將太陽(yáng)能供電電壓通過(guò)LM2575 降壓控制器將電壓先降為5 V，再通過(guò)AS1117 降壓集成模塊將電壓從5 V 降至3 V，從而保證為CC2530 提供正常的工作電壓。

3 軟件方案設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件主要分為兩大部分：一是上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)的顯示與保存、數(shù)據(jù)處理、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)以及設(shè)置閾值等功能；二是下位機(jī)中的傳感器和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，傳感器軟件包括位移傾角信息采集和溫濕度信息采集，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)包括組建網(wǎng)絡(luò)和與上位機(jī)通信。采用LabVIEW 對(duì)監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)監(jiān)控平臺(tái)由登錄界面、用戶(hù)管理、系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)查詢(xún)、退出系統(tǒng)等組成，每項(xiàng)功能后可再設(shè)置對(duì)應(yīng)的子功能，通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)可隨時(shí)查看軸不同方向的振動(dòng)波形數(shù)據(jù)，方便使用人員對(duì)地質(zhì)災(zāi)害信息做到及時(shí)掌握和判斷。

4 系統(tǒng)測(cè)試和應(yīng)用效果

為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否能夠滿足性能要求，對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試和試驗(yàn)，主要包括ZigBee 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試、位移和傾角測(cè)試、濕度測(cè)試和整體系統(tǒng)應(yīng)用4個(gè)方面。

4.1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

利用4 個(gè)ZigBee 模塊節(jié)點(diǎn)，其中1 個(gè)起協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作用，1 個(gè)起路由器節(jié)點(diǎn)作用，另外2 個(gè)起終端節(jié)點(diǎn)作用。通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以5 s 為時(shí)間間隔向另外3 個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)廣播形式發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)容為“Hello，2022”，其他3 個(gè)節(jié)點(diǎn)在成功接收到數(shù)據(jù)內(nèi)容的同時(shí)，向協(xié)調(diào)器回應(yīng)“End Device Received”信息，說(shuō)明ZigBee 網(wǎng)絡(luò)組建成功。然后，對(duì)其進(jìn)行50 次數(shù)據(jù)包的收發(fā)測(cè)試，測(cè)得平均丟包率僅為0.83%，平均信號(hào)強(qiáng)度為35.5 dBm，表明ZigBee 在數(shù)據(jù)傳輸上具有較高的可靠性。

由于丟包率和信號(hào)強(qiáng)度與傳輸距離有關(guān)，試驗(yàn)還對(duì)不同傳輸距離下的丟包率和信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6 中可知，隨著傳輸距離的增大，丟包率和信號(hào)強(qiáng)度均呈逐漸增大的變化特征，信號(hào)強(qiáng)度基本呈線性增長(zhǎng)，而當(dāng)傳輸距離大于50 m 后，丟包率的故障速率會(huì)顯著增長(zhǎng)，因此在滿足覆蓋面積的前提下，宜盡量將節(jié)點(diǎn)間的距離控制在50 m 以?xún)?nèi)，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和準(zhǔn)確性。

圖6 丟包率、信號(hào)強(qiáng)度隨傳輸距離變化規(guī)律Fig.6 Variation of packet loss rate and signal strength with transmission distance

4.2 位移和傾角測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行位移和傾角測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。從表1 中可知，在忽略靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，系統(tǒng)所測(cè)位移數(shù)據(jù)的最大誤差為1.91%，最小誤差為1.15%，平均誤差僅為1.5%；系統(tǒng)傾角測(cè)量的最大誤差為2.6%，最小誤差為0.89%，平均誤差僅為1.4%；表明系統(tǒng)對(duì)于位移和傾角測(cè)量均具有較高的準(zhǔn)確度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

表1 位移和傾角測(cè)試結(jié)果Tab.1 Displacement and inclination test results

4.3 濕度測(cè)試

利用系統(tǒng)采集終端和電子濕度計(jì)2 種方式對(duì)含水率為15%、20%和30%的土壤進(jìn)行濕度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2 中可知，采用電子濕度計(jì)的檢測(cè)精度要比系統(tǒng)采集終端精確，但系統(tǒng)采集終端的平均檢測(cè)誤差率僅為2.22%，控制在3%以?xún)?nèi)，滿足一般地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)要求。

表2 濕度檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Humidity test results

4.4 整體系統(tǒng)應(yīng)用效果

將系統(tǒng)應(yīng)用到某邊坡工程的安全監(jiān)測(cè)中，將各模塊和組件連接安裝完成后，通過(guò)監(jiān)控界面可以觀察到X、Y、Z 軸的加速度信號(hào)波形，并可通過(guò)界面直接了解到邊坡位移、傾角、溫濕度的監(jiān)測(cè)值。系統(tǒng)還可以設(shè)置監(jiān)測(cè)各級(jí)預(yù)警閾值，如一級(jí)預(yù)警位移閾值設(shè)置為80 mm，溫濕度閾值設(shè)置為50%，傾角閾值設(shè)置為15°，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)值超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)向?qū)崿F(xiàn)輸入系統(tǒng)的手機(jī)聯(lián)系方式發(fā)送短信消息，以方便工作人員第一時(shí)間掌握邊坡?tīng)顟B(tài)。工作人員還可以通過(guò)調(diào)取和導(dǎo)出歷史數(shù)據(jù)，對(duì)邊坡變化規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合相應(yīng)的地質(zhì)模型對(duì)邊坡的情況進(jìn)行綜合預(yù)判，及時(shí)制定預(yù)防和應(yīng)急預(yù)案。系統(tǒng)應(yīng)用效果見(jiàn)圖7。

5 結(jié)語(yǔ)

基于MEMS 加速度傳感器和ZigBee 無(wú)線通信技術(shù)，構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)以CC2530 為核心處理器，采用LabVIEW 進(jìn)行平臺(tái)設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)位移、傾角、溫濕度等信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)的平均丟包率僅為0.83%，平均信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到35.5 dBm，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和準(zhǔn)確性，建議將ZigBee 節(jié)點(diǎn)距離控制在50 m 以?xún)?nèi)。同時(shí)該系統(tǒng)的位移、傾角、濕度監(jiān)測(cè)平均誤差分別僅為1.5%、1.4%和2.22%，監(jiān)測(cè)精度滿足一般地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)要求。本系統(tǒng)可對(duì)各級(jí)預(yù)警值進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)監(jiān)測(cè)預(yù)警值可實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警目的，在第一時(shí)間將預(yù)警信息發(fā)送給工作人員，工作人員還能通過(guò)系統(tǒng)調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行綜合預(yù)判。

圖7 系統(tǒng)應(yīng)用效果Fig.7 System application effect