基于CC2530的滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蒿書(shū)利，庹先國(guó)，奚大順

（成都理工大學(xué) 四川 成都 610059）

地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重危害公民生命、財(cái)產(chǎn)和生存環(huán)境，嚴(yán)重威脅國(guó)家重大工程的建設(shè)與安全。我國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，尤其是汶川地震后，滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害影響嚴(yán)重。

近年來(lái)，關(guān)于滑坡、泥石流類(lèi)災(zāi)害的研究是行業(yè)研究的重點(diǎn)。地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)是地質(zhì)災(zāi)害防治的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對(duì)滑坡的監(jiān)測(cè)是一種常用的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)手段。滑坡監(jiān)測(cè)對(duì)減災(zāi)防災(zāi)意義重大。

對(duì)滑坡的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是滑坡本身的變形，其最大特點(diǎn)在于：一是滑坡變形緩慢，有的幾個(gè)小時(shí)、幾天、甚至幾個(gè)月才有變化[1]；二是滑坡與降水有密切關(guān)系；三是一般沒(méi)有市電接入；四是滑坡現(xiàn)場(chǎng)各采集節(jié)點(diǎn)之間，采集節(jié)點(diǎn)與基站之間有一定的距離，基站與監(jiān)控主機(jī)距離遙遠(yuǎn)。確定滑坡變形的手段很多，常用的有地質(zhì)鉆探調(diào)查分析法、利用遙感技術(shù)判釋對(duì)比法、大地測(cè)量法等[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在滑坡變形監(jiān)測(cè)中，Zigbee、GSM等先進(jìn)技術(shù)將發(fā)揮更大的作用[3]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

我國(guó)現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)主要為人工測(cè)試、記錄及資料處理，將幾種物理參數(shù)監(jiān)測(cè)儀與本監(jiān)測(cè)站微機(jī)有線相連，且須技術(shù)人員巡回值守，造成大量的人力資源及資金的浪費(fèi)，并且不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸與及時(shí)預(yù)報(bào)，更不便決策部門(mén)與專(zhuān)家及時(shí)了解地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，不能快速地制訂臨災(zāi)狀況的處理方案。

在發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，例如美國(guó)、日本等建立了地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中可以做到實(shí)時(shí)預(yù)警。如美國(guó)Crossbow公司利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組建的滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?；卢F(xiàn)場(chǎng)的每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)液位傳感器和一個(gè)傾斜度傳感器。采集節(jié)點(diǎn)內(nèi)部由單獨(dú)的微處理器和單獨(dú)的駐留了Zigbee協(xié)議的收發(fā)芯片組合而成。它的基站和一個(gè)網(wǎng)關(guān)無(wú)線連接，網(wǎng)關(guān)又和PC機(jī)相連，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將滑坡信息傳遞至遠(yuǎn)端。該滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然利用了先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，但僅限于監(jiān)測(cè)滑坡深部的液位和傾斜度，采集節(jié)點(diǎn)-基站-網(wǎng)關(guān)-GPRS也可以簡(jiǎn)化，最大的問(wèn)題是價(jià)格昂貴，難以大量使用，不便于推廣。

本項(xiàng)目系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，通過(guò)在潛在滑坡體的適當(dāng)位置布置數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，用來(lái)監(jiān)測(cè)滑坡體的表面裂縫、傾斜度、土壤溫度和土壤濕度等信息。各采集節(jié)點(diǎn)和基站基于Zigbee自組網(wǎng)絡(luò)[4]?；窘邮崭鞑杉?jié)點(diǎn)采集的滑坡信息再通過(guò)GSM無(wú)線傳輸方式[4]，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程的中心數(shù)據(jù)接收站，遠(yuǎn)程中心數(shù)據(jù)接收站只需要一臺(tái)PC機(jī)配合相應(yīng)的通訊模塊，通過(guò)配套的數(shù)據(jù)采集軟件即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控該滑坡體的實(shí)時(shí)狀況、動(dòng)態(tài)監(jiān)控滑坡體變形發(fā)展以及預(yù)測(cè)可能的破壞規(guī)模。在野外，環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域由于野外的特殊情況，如電源，長(zhǎng)距離布線等因素的存在使得該種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)難以有效部署。CC2530由于其低功耗，低價(jià)位，自組織路由，無(wú)需布線等特性，適合地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用[5]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of system design

2 硬件電路

2.1 采集節(jié)點(diǎn)

采集節(jié)點(diǎn)硬件電路由電源電路，傳感器，信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)的讀取與無(wú)線傳送模塊組成，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。溫度傳感器和濕度傳感器采用的是Crossbow公司的es1101傳感器套件[6]，它們埋在滑坡內(nèi)，以觀測(cè)降雨期間土壤溫度、土壤濕度，分別將土壤溫度、土壤濕度轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的電阻值。位移傳感器采用的是KPC-700 mm絞接式位移傳感器，將位移變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。信號(hào)調(diào)理電路將反映溫度和濕度以及位移的電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值并送到CC2530內(nèi)部的14位ADC輸入端口。傾角傳感器（型號(hào)：SCA100T）為微電子機(jī)械型傳感器，它將傾斜度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字量。CC2530讀取ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)信息，以及傾角傳感器的數(shù)據(jù)，將其打包發(fā)送到基站。電源電路由鋰離子電池組、DC-DC變換器組成。鋰離子電池組經(jīng)DC-DC變換器為CC2530芯片、和傳感器電路供電。

2.2 基站

基站由CC2530芯片、C8051F020芯片和GSM模塊（GC864）和電源電路組成，電源電路由鋰離子電池組、電源管理電路組成。CC2530芯片、C8051F020芯片、GSM模塊依次以串口連接，采用鋰離子電池組為CC2530芯片、GSM模塊供電，基站負(fù)責(zé)接收各采集節(jié)點(diǎn)的信息并經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)以短信的方式發(fā)送至監(jiān)控主機(jī)。采集節(jié)點(diǎn)電路原理圖如圖3所示。

圖2 采集節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of acquisition node

圖3 采集節(jié)點(diǎn)電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of acquisition node circuit

2.3 監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)

監(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)由GSM模塊、電平轉(zhuǎn)換電路、串口、監(jiān)控主機(jī)電源系統(tǒng)組成。GSM模塊、電平轉(zhuǎn)換電路、串口依次連接，監(jiān)控主機(jī)電源系統(tǒng)分別為GSM模塊、電平轉(zhuǎn)換電路供電。電平轉(zhuǎn)換電路將基站傳送來(lái)的滑坡信息經(jīng)串口、RS-232電纜送往PC機(jī)。

3 軟件部分

3.1 采集節(jié)點(diǎn)CC2530程序流程

為了降低采集節(jié)點(diǎn)的平均工作電流，延長(zhǎng)工作時(shí)間，采集節(jié)點(diǎn)CC2530采用了間歇式工作方式，即在需要某模塊工作時(shí)才開(kāi)啟電源為傳感器電路供電，否則關(guān)閉電源進(jìn)入休眠模式，CC2530在休眠時(shí)段的工作電流在μA級(jí)。采集節(jié)點(diǎn)CC2530的程序流程如圖4（a）所示。

3.2 基站CC2530程序流程

基站CC2530主要承擔(dān)定時(shí)向采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送喚醒信號(hào)，并接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)送回的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)串口傳送給C8051F020單片機(jī)。其程序流程如圖4（b）所示。

圖4 CC2530程序流程Fig.4 Flow chart of CC2530

4 功能測(cè)試與結(jié)論

4.1 Zigbee組網(wǎng)通信

本次設(shè)計(jì)制作采用多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和一個(gè)基站。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，各個(gè)節(jié)點(diǎn)和基站組成的網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能表1所示。

表1 功能測(cè)試結(jié)果Tab.1 Function test results

4.2 監(jiān)控主機(jī)

監(jiān)控主機(jī)的測(cè)試主要是接收檢測(cè)基站送來(lái)的信息并分別在PC上不同界面坐標(biāo)系中顯示4個(gè)傳感器傳輸過(guò)來(lái)的溫度、濕度等滑坡信息參數(shù)，PC機(jī)信息界面如圖5所示。

圖5 PC信息界面Fig.5 Information interface of PC

4.3 低功耗設(shè)計(jì)

由于檢測(cè)環(huán)境一般是在野外，本設(shè)計(jì)中采用的低功耗設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：1）間歇式工作模式；2）采集節(jié)點(diǎn)采用DCDC電源管理電路，可充電鋰電池供電。采集節(jié)點(diǎn)的低功耗測(cè)試：采用容量為1.6 Ah的鋰電池供電，電源電壓5 V，睡眠模式電源電流7 mA，工作時(shí)電源電流34 mA，工作時(shí)間2 s/h平均功耗35 mW電池供電可持續(xù)工作時(shí)間9天。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)方案設(shè)計(jì)、研究制作以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠完成以下幾項(xiàng)基本功能：

1）采集節(jié)點(diǎn)和基站遵守Zigbee協(xié)議能夠完成自動(dòng)組網(wǎng)功能。

2）基站將4個(gè)傳感器傳送來(lái)的滑坡土壤溫濕度、滑坡位移以及傾角等信息以短信的形式傳送到檢測(cè)主機(jī)。

3）檢測(cè)主機(jī)能夠接收檢測(cè)基站傳送來(lái)的信息，并通過(guò)RS-232傳送到PC機(jī)。

4）PC機(jī)上位機(jī)界面接收信息數(shù)據(jù)并在相應(yīng)參數(shù)界面顯示滑坡各項(xiàng)參數(shù)信息。

5）采集節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)鋰電池供電持續(xù)工作時(shí)間達(dá)到9天。

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