一種地質(zhì)災害無線監(jiān)測裝置設計

李躍鵬，雷 霖

(成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

我國是一個地質(zhì)災害多發(fā)的國家，滑坡、泥石流等地質(zhì)災害頻繁發(fā)生，對人民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴重的威脅［1］.目前，針對地質(zhì)災害易發(fā)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜地區(qū)，氣象部門的監(jiān)測往往停留在一個大的區(qū)域范圍內(nèi)，對具體的監(jiān)測點缺乏針對性;而人為的監(jiān)控效率低，已經(jīng)不能滿足對地質(zhì)災害的監(jiān)測預報［2］.對此，本研究利用ZigBee 和GSM(Global System of Mobile Communication)技術(shù)來對某一個地區(qū)的山體環(huán)境進行監(jiān)測，實現(xiàn)對山體的狀態(tài)實時跟蹤，隨時掌握山體的位移、傾角的變化情況，以及監(jiān)測點的溫度濕度等環(huán)境狀態(tài)信息，并通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C端，該裝置對于地質(zhì)災害的預警可起到積極的意義.

1 硬件設計

在裝置的硬件設計上，設計方案采用CC2431模塊為主控制器，CC2431 是一款集合有加強型8051 微控制器和ZigBee 通信的高性能低成本的TI芯片［3］，其數(shù)據(jù)分析處理能力完全能夠滿足節(jié)點數(shù)據(jù)采集的需要.無線監(jiān)測節(jié)點的主要功能包括有采集監(jiān)測區(qū)域環(huán)境的溫度、濕度、傾角變化、節(jié)點位移變化等信息，其主要由傳感器模塊、電源模塊、處理器模塊和GSM 通信的MC37I 模塊幾個部分組成(見圖1).

圖1 無線監(jiān)測裝置設計框圖

在本無線監(jiān)測裝置中，傳感器負責采集環(huán)境的信息，經(jīng)過信號處理電路處理以后送入到CC2431 中進行分析處理，CC2431 有21 個通用I/O 口，傾角模擬信號通過具有A/D 轉(zhuǎn)換口進入控制器，超聲波、溫濕度信號通過數(shù)字I/O 口進入控制器，CC2431 與GSM 通信串口，這些數(shù)據(jù)不僅可以通過CC2431 外設射頻電路發(fā)送出去，也可以用GSM 遠程發(fā)送，當作路由終端裝置時可去掉MC37I 模塊.

1.1 傳感器模塊設計

在無線傳感器網(wǎng)絡的設計中，由于節(jié)點眾多，因此在考慮系統(tǒng)性能的同時也要考慮降低節(jié)點的設計成本，滿足整個系統(tǒng)的建設和維護.

溫度傳感器采用DS18B20，其電壓范圍為3.0 ～5.5 V，采用單線接口方式實現(xiàn)處理器與DS18B20 的雙向通信，其溫度范圍在－55 ℃～+125 ℃，精度可達到0.0625 ℃，滿足監(jiān)測節(jié)點所處的環(huán)境要求［4］.

濕度傳感器采用HS1101 型電容型傳感器，其電容值隨著濕度的變化而變化，相對濕度在0% ～100%RH 范圍內(nèi);HS1101 是一種濕敏電容，將其應用在555 振蕩電路，讓電容的變化轉(zhuǎn)化為頻率的變化［5］.在CC2431 中，應用定時器1 來做1 s 的定時，同時通過頻率信號產(chǎn)生外部中斷.

傾角傳感器采用MMA7361 三軸傾角加速度芯片，其能夠同時監(jiān)測3 個角度變化，每個軸隨著角度的變化輸出模擬電壓信號，其工作電壓范圍為2.2～3.6 V，響應時間為0.5 ms，具有休眠控制功能，并擁有低功耗模式，工作溫度在－40 ℃～+85 ℃，測量精度為800 mv/g，每個軸在－90° ～+90°范圍內(nèi)產(chǎn)生0.85 ～2.45 V 電壓變化［6］.

節(jié)點位移變化采用US-100 超聲波測距模塊，可實現(xiàn)0.02 ～4.5 m 的非接觸測距功能，其擁有2.4～5.5 V 的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2 mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進行校正，同時具有GPIO、串口等多種通信方式，工作穩(wěn)定可靠，工作溫度范圍在－20 ℃～+70 ℃.

傳感器模塊的電路設計圖如圖2 所示.

圖2 傳感器模塊電路圖

1.2 電源模塊電路設計

電源模塊主要為裝置提供通用5 V 和3.3 V 的電壓，電路設計如圖3 所示.電路設計中，電壓采用AMS1117 系列穩(wěn)壓芯片來控制，因MC37I 模塊的電流必須大于2 A，電壓的波動范圍不能超過400 mV，故采用LM2596 系列來進行穩(wěn)定電壓的輸出，其輸出電流可以達到3 A，輸入電壓可達40 V.為了能夠得到穩(wěn)定的電壓，在MC37I 電壓接口放置大的電解電容，并提供瞬間大電流.圖3 中BATTY 為2 個3.7 V 鋰電池供電.

1.3 處理器和GSM 通信模塊電路設計

圖3 電源電路圖

本裝置的MCU 采用CC2431 芯片，它內(nèi)置有加強型8051 控制器，工作效率是常規(guī)8051 的8 倍，并伴有AD 轉(zhuǎn)換、DMA 存儲、ZigBee 協(xié)議的射頻收發(fā)、電源管理等功能，具有良好的收發(fā)靈敏度和抗干擾性能.

本裝置節(jié)點中的GSM 通信模塊為MC37I，其溫度范圍為－45 ℃～+80 ℃［7］，適合野外的惡劣環(huán)境，其擁有的2 個串口，可以同時實現(xiàn)AT 指令控制和GPRS 通訊，雙排列252 接口可提高通信的穩(wěn)定性和可靠性.MC37I 結(jié)合SIM 卡與CC2431 的串口相連接，天線接口共同實現(xiàn)信息的遠程短信傳輸.當MC37I 上電以后，需給IGT 引腳提供大于200 ms 的低電平信號以啟動模塊，CC2431 通過串口來控制MC37I，進行AT 指令的控制［8］，SYNC 引腳外接LED，用以顯示模塊的運行狀態(tài).

處理器與GSM 通信模塊電路設計圖如圖4 所示.

圖4 MCU 與GSM 通信模塊電路設計圖

2 軟件設計

本裝置的節(jié)點需要自身定時或者有突發(fā)情況或接收到來至上位機采集命令的時候，對環(huán)境的信息值進行采集并傳輸，其中，突發(fā)情況通過接觸性振動傳感器來產(chǎn)生外部中斷來判斷.因此，本裝置的軟件設計流程如圖5 所示.

圖5 采集程序主流程圖

本裝置的軟件設計基于ZigBee2006 協(xié)議棧編程.在程序設計中，傾斜角傳感器的輸出為模擬信號，故只需啟動CC2431 的AD 轉(zhuǎn)換功能，溫濕度傳感器和超聲波傳感器的輸出均為數(shù)字信號和準數(shù)字信號，其中CC2431 的定時1 用于超聲波信號的計時，定時器3 用于濕度傳感器頻率采集定時.在Zig-Bee 數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，系統(tǒng)通過Cluster-Tree +AODV 路由來實現(xiàn)組網(wǎng)通信.ZigBee 路由協(xié)議中，網(wǎng)絡層的控制分組包括路由請求分組(RREQ)、路由應答分組(RREP)和路由出錯分組(RERR)［9］.

在ZigBee 路由協(xié)議中，RN－ 節(jié)點需要發(fā)送分組到網(wǎng)絡中的某個節(jié)點時，采用Cluster-Tree 路由發(fā)送分組.RN+節(jié)點需要發(fā)送分組到網(wǎng)絡中的某個節(jié)點，當目標節(jié)點沒有路由表的情況下，RN +節(jié)點發(fā)起建立路由表的過程.首先，源節(jié)點創(chuàng)建并向附近節(jié)點廣播一個RREQ 分組，如果收到RREQ 的是一個RN-節(jié)點，則Cluster-Tree 路由轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)，如果收到RREQ 的節(jié)點是一個RN+，則根據(jù)RREQ 中的信息來建立相應的路由發(fā)現(xiàn)表條目和路由表條目(在路由表中建立一個指向RREQ 中的反向路由)并繼續(xù)廣播此分組.然后，數(shù)據(jù)反向傳輸匯集到源節(jié)點，并通過GSM 遠程發(fā)送至上位監(jiān)控端.

3 實 驗

本無線監(jiān)測試驗裝置為多功能復用裝置，可獨立作為數(shù)據(jù)采集裝置，也可做傳輸中繼和接收裝置.當裝置需要做數(shù)據(jù)終端時，將傳感器接入到數(shù)據(jù)接口上，當需要實現(xiàn)ZigBee 與GSM 的網(wǎng)關轉(zhuǎn)換時，接上MC37I 就可以實現(xiàn)從ZigBee 與GSM 網(wǎng)絡協(xié)議轉(zhuǎn)換.裝置如圖6 所示.

圖6 無線監(jiān)測裝置示意圖

在實驗過程中，應用3 個以上該裝置有效地進行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集通信，通過串口將采集到的數(shù)據(jù)傳輸Visual Basic 6.0 設計的監(jiān)控界面中動態(tài)顯示出來，將歷史數(shù)據(jù)記錄在上位機數(shù)據(jù)庫中生成動態(tài)曲線，系統(tǒng)從動態(tài)曲線中可以得出裝置監(jiān)測到的數(shù)據(jù)變化，如圖7 所示.

圖7 裝置測試界面

對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行提取并做平滑處理，其動態(tài)曲線如圖8 所示.從圖8 可見，在1 ～12 d，本裝置監(jiān)測到的位移呈現(xiàn)出一種穩(wěn)定變化的趨勢;在12 ～15 d，裝置監(jiān)測的傾角與位移變化突然加大，此表明在這期間監(jiān)測點周邊環(huán)境變化明顯;在15 d 以后，節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化再次趨于平緩.

圖8 數(shù)據(jù)動態(tài)記錄圖

4 結(jié) 論

基于ZigBee 和GSM 通信技術(shù)設計了一種地質(zhì)災害無線監(jiān)測裝置，該裝置在正常情況下處于休眠狀態(tài).當有中斷請求時，節(jié)點被啟動，并通過相應的程序發(fā)送數(shù)據(jù)給遠程上位機端.在不同的環(huán)境下對監(jiān)測節(jié)點進行測試，實驗測試結(jié)果表明，本裝置能夠得到所需要的監(jiān)測點環(huán)境參數(shù)值，并遠程發(fā)送給控制中心上位機端，能夠較好地實現(xiàn)監(jiān)測的功能，在地質(zhì)災害預警中本裝置可起到實際的作用.

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