基于無線技術的地質災害監測預警系統

摘 要：為了降低山體滑坡地質災害對鐵路運行的安全危險，設計了利用zigbee無線傳感網的山體滑坡地質災害監測與預警系統。該系統主要包括了激光傳感器無線數據采集終端層、無線數據匯聚層、4G傳輸網絡層和地面監控中心。系統硬件電路設計主要包括了主控CC2530電路連接設計、激光測距傳感器電路連接設計和RS484通信總線電路連接設計。系統軟件主要包括了協調器軟件流程、終端節點軟件流程和Modbus RTU數據包格式設計。系統測試表明，當網絡節點部署在70m之內，系統丟包率可以控制在5%以內進行平穩運行。

關鍵詞：終端節點；激光傳感器；協調器；監測預警

山體滑坡地質災害監測與預警系統采用了zibgee傳感網與4G網絡組成無線傳輸，完成通信網絡的搭建。采用激光傳感器實現山體滑坡位移數據的實時采集與上傳，通過zigbee終端節點與zigbee協調器完成zigbee無線數據傳輸功能實現。當地面監控中心上位機完成傳感數據包的接收、分析處理與顯示后，將處理結果與預設山體滑坡預警閾值進行對比后，得出地質災害預警等級并完成預警信號的提示功能。

一、系統總體方案設計

（一）預警系統總體架構設計

地質災害監測預警系統主要設計了：（1）數據采集終端：每個地質災害監測點部署數個激光傳感器，用于實時完成山體滑坡地表位移量的數據采集，系統根據位移量情況來判斷滑坡預警等級。（2）數據匯聚終端：激光傳感器將所采集數據利用Zigbee網絡通過終端節點匯聚傳輸至協調器節點。（3）4G無線傳輸：協調器節點將收到的實時傳感采集數據通過RS485接口和4G模塊完成傳輸網絡對接，最終將傳感采集數據包傳輸至監控中心。（4）監控中心：監控中心將傳感數據包進行分析處理、實時顯示和存儲后，根據滑坡位移值來判斷聲光預警等級。

（二）ZigBee終端節點結構設計

終端節點電路結構主要包括了激光傳感器、組網指示燈、CH340G（USB轉TTL）、RF天線電路和系統復位電路。該節點電路只負責傳感數據采集和無線zigbee通信功能。當鐵路沿線出現山體滑坡時，激光傳感器可以采集到滑坡位移數據。當每個采集周期結束后，終端節點將采集數據進行打包通過網絡傳輸至zigbee匯聚節點協調器上。

（三）Zigbee協調器節點結構設計

系統的匯聚層主要由終端協調器和4G通信模塊組成，該層主要實現了數據控制指令的上傳下發和無線網絡組網與維護，同時協助系統將數據采集層與監控中心之間數據傳輸樞紐功能[7]。協調器的電路結構主要包括了復位電路、電源模塊、CH340G（USB轉TTL）、RF天線和組網指示燈等。

二、系統硬件電路設計

（一）CC2530電路連接設計

為了系統更加適應野外環境，主控制器采用了高通公司CC2530芯片，它具備了功耗低、抗干擾和靈敏度高等特點。CC2530主要高度集成了RF信號收發裝置、高性能8051MCU、16KB存儲和USART接口等。

（二）激光傳感器電路設計

數據采集單元采用了具備位移測距功能的L2S型號傳感器，傳感器與zigbee終端節點之間采用分布式部署方式。為了保障數據采集的穩定性，網絡鏈路采用了RS485總線互聯模式。

（三）RS485電路連接設計

RS485連接電路采用了友達光電的RS3485芯片，其中RO引腳連接主控芯片的P0_2/RX，RE引腳連接主控芯片的P0_7/EN，DE引腳連接主控芯片的P0_3/TX，P4引腳連接激光傳感器。為了適應野外環境，RS485總線電路中引入了TVS、熱敏電阻和放電管組成了端口保護。

三、系統軟件設計

（一）Zigbee協調器軟件流程設計

Zigbee協調器的主要功能是完成無線傳感網的創建與管理。無線傳感網建立完畢后，通過輪詢函數NLME_PermitJoiningRequest（）判斷節點是否符合加入zigbee網絡。若符合入網條件，提取傳感器的64為長地址碼與16位短地址碼，通過廣播方式完成采集數據包的轉發。若協調器需要接收傳感數據，則利用Sample_App_MessageMSGCBD（）函數完成轉發數據包的接收存儲功能。

（二）zigbee終端節點軟件流程設計

zigbee終端節點加入無線傳感網后，執行osal_start_system（）輪詢函數。終端節點通過數據采集指令下發至激光傳感器，通知傳感器完成滑坡位移數據采集與數據包上傳。若上位機發出控制指令，終端節點則執行AF_DataRequest（）函數完成傳感數據包上傳。若上位機未發送控制指令，終端節點進入休眠模式。當上位機再次發送控制指令，則終端節點進入喚醒模式繼續工作。

（三）Modbus RTU報文格式設計

Zigbee終端節點與激光傳感器之間實現了一對多的網絡連接，RS485總線模式之間采用了Modbus協議（終端查詢與傳感節點響應）完成最終通信功能。終端節點通過硬件地址匹配的采集指令周期性進行傳感數據采集，并將數據包封裝成RTU格式后利用zigbee網絡傳輸至終端匯聚節點。每完成1個周期的數據采集任務，Zigbee終端節點將所有數據打包，通過匯聚節點與4G網絡傳輸至監控中心進行數據解析處理與預警。

四、系統測試

為了最大程度的驗證無線傳感網絡性能，將通信設備安置在野外山坡樹林中。將1個Zigbee協調器節點固定部署完成后，開啟zibgee終端節點和激光傳感器并實時移動二者的位置。在不同測試距離位置完成100個數據包的發送任務。無線傳感網的性能測試結果如表1所示。

從表1可知，在0-70m傳輸范圍內系統丟包率在5%以內。在110m-180m范圍之內，系統丟包率在10%以上。在實際網絡部署中，終端節點與協調器之間的距離部署控制在70m以內可以滿足通信要求。