基于ZigBee技術的無線傳感器網絡在山體滑坡監(jiān)測中的應用

蘇國棟，王平，蔡碧麗，徐世武

（1.2.福建師范大學光電與信息工程學院，福建福州350007；3.福建省僑興輕工學校電子技術應用系，福建福清350301；4.福建師范大學協和學院信息技術系，福建福州350108）

基于ZigBee技術的無線傳感器網絡在山體滑坡監(jiān)測中的應用

蘇國棟1，王平2，蔡碧麗3，徐世武4

（1.2.福建師范大學光電與信息工程學院，福建福州350007；3.福建省僑興輕工學校電子技術應用系，福建福清350301；4.福建師范大學協和學院信息技術系，福建福州350108）

根據地質災害特點，通過在山體滑坡監(jiān)測區(qū)域布設無線傳感器網絡，并基于ZigBee技術自組網，采用無線多跳路由和多路徑數據傳輸方法，把采集的數據打包、分組，通過GPRS無線傳輸模塊傳送到遠端的監(jiān)控點或指揮中心，遠端的監(jiān)控中心把接收的數據經上位機的Labview軟件建模、分析，作出及時的預測、報警，或提供給專家作決策依據。

山體滑坡；無線傳感器網絡；ZigBee技術

1 引言

隨著經濟開發(fā)和地質環(huán)境條件的惡化加劇，近幾年來我國滑坡地質災害越來越嚴重，人們越來越重視滑坡等地質災害。這些年來每逢臺風或暴雨來臨之際，經常發(fā)生滑坡、崩塌等地質災害，而且危害越來越嚴重。它嚴重威脅人們的生命財產安全，破壞工程設施，影響正常的生產和生活，造成巨大經濟損失和人員傷亡。據統計，今年1～6月全國共發(fā)生地質災害4049起，造成250人死亡或失蹤，直接經濟損失10.2億元。與去年同期相比，今年上半年地質災害發(fā)生數量、造成死亡失蹤人數和直接經濟損失均有所增加。在已發(fā)生的地質災害中，有6起特大型地質災害，以降雨等自然因素造成的滑坡為主，造成132人死亡失蹤，直接經濟損失1.8億元[1]。八九月份期間，福建泉州莆田一帶連續(xù)發(fā)生多起地震，雖然沒有人員傷亡和財產損失，但是造成的潛在危害，將影響著人們的生活。還有，中國移動、中國電信、中國聯通興建了數千座通信基站（發(fā)射塔和機房），其中，山區(qū)的基站占大多數。受地形條件的限制和發(fā)射塔自身的特點，多數基站建在山脊、山腰或山頂上，山體滑坡、崩塌等地質災害的發(fā)生會給聯通、移動帶來巨大的影響[2]。綜上因素，山體滑坡、崩塌等地質災害的預警系統的設計具有重要作用，保護人民的生命財產安全，也有利益經濟的發(fā)展。

2 相關工作

2.1 ZigBee技術

ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術[3]。ZigBee技術是一種雙向無線通訊技術，這技術是一個無線數傳模塊組成的一個無線網絡平臺，無線數傳模塊最多可達65000個，在整個網絡范圍，每個ZigBee網絡數傳模塊之間可以相互通信[4]。ZigBee模塊采用TI公司的CC2430芯片，它支持TI的z—Stack協議棧，內部集成了低功耗的8051單片機，外圍包括通用10口、A/D轉換接口、SPI口、以及串口等，接口資源豐富。無線傳感器網絡基于ZigBee自組監(jiān)測網絡,具有組網靈活，自修復能力強等特點[3]。將其運用于滑坡，崩塌等地質災害的預警系統中，將為地質發(fā)災區(qū)監(jiān)測提供有力保障，為防災減災提供決策依據，保護人民的生命財產安全，以實現持久的經濟發(fā)展。

2.2 無線傳感器網絡技術

無線傳感器網絡（WSN，Wireless Sensor Net2works）是一種全新的網絡化信息獲取與處理技術，具有自組網、無線多跳路由和多路徑數據傳輸功能，結合數據融合技術，平衡網絡負載，延長網絡生命周期[5]；傳感器節(jié)點成本低，可實現對整個滑坡監(jiān)測區(qū)域進行大范圍的節(jié)點布置，保證數據采集的深度，為實現山體滑坡狀態(tài)監(jiān)測和預警提供巨量數據基礎[6]。論文針對山體滑坡監(jiān)測，提出以無線傳感器網絡技術為基礎，構建山體監(jiān)測區(qū)域無線傳感器監(jiān)測網絡，結合GPRS通信技術，實現對監(jiān)測區(qū)域的遠程實時監(jiān)護，并通過對采集數據的分析和處理，實現對山體滑坡的預警預報。

2.3 Labview簡介

LabView語言運用數據流編程方法來描述程序的執(zhí)行，使用圖標和連線替代文本的形式編寫程序，是一種別具特色的圖形化編程語言。

LabView是開放式的虛擬儀器開發(fā)系統應用軟件，這樣可以為使用者提供簡單、便捷的設計環(huán)境，用戶可以構建自己要求的控制系統和儀器面板，圖形化程序設計語言在很大程度上簡化程序的設計，可以不用考慮復雜繁瑣的程序代碼編寫。

Labview特點[7]：

1）圖形化的儀器編程環(huán)境；

2）內置的程序編譯器，使運行速度加快；

3）靈活的程序調試手段；

4）大量的儀器驅動程序；

5）支持多種系統平臺，平臺之間的程序可直接進行移植；

6）提供CLF功能和CIN功能，可以直接調用其他軟件平臺；

7）支持TCP/IP、DDE等功能。

在整個山體滑坡系統中，CC2430模塊通過各類傳感器對受測試環(huán)境中的水位、傾角、位移加速度等信息進行采集，處理。利用ZigBee技術自動組網功能，用無線多跳路由和多路徑數據傳輸方法，對數據進行打包處理，分組處理等，通過GPRS無線傳輸模塊傳送到遠端的控制中心或指揮中心，控制中心把接收的數據經上位機LabView軟件在界面上顯示，監(jiān)測中心工作人員利用相關專業(yè)知識對數據進行分析，建模預警，做出及時的預測、報警，或者提供給專家做出決策依據。

3 監(jiān)測系統結構

山體滑坡監(jiān)測系統主要包括無線傳感器網絡監(jiān)測系統、GPRS網關和遠程監(jiān)控中心。在山體滑坡檢測區(qū)布設無線傳感器節(jié)點：對受測場地的大巖石傾角變化的監(jiān)測是通過傾角傳感器對其進行測量；選定監(jiān)測對象的多個點，利用距離傳感器對這些點的距離變化情況進行測量；地下水侵蝕是山體滑坡發(fā)生的一個重要影響因素，因此，地下水位深度是顯示山體滑坡危險度的重要指標，利用水位傳感器對水位的深度變化進行監(jiān)測，在受測場地打孔，將水位傳感器部署在孔洞最下端，無線傳感器發(fā)送水位傳感器采集的數據（液位值）。應變傳感器用于斷層面的滑動變形。通過加速度傳感器對山體大巖石等固體物質的位置、方向、移動速度等因素進行監(jiān)測。

監(jiān)測系統的總體結構主要由協調器、簇節(jié)點、路由器/簇頭和GPRS網關組成。傳感器節(jié)點對坡體的各項信息進行采集，協調器和路由器節(jié)點構建信息傳輸網絡及其路由，基于ZigBee技術的自組網，采用無線多跳路由和多路徑數據傳輸方法，以網絡的終端路由節(jié)點為簇頭，與傳感器節(jié)點建立簇網絡，對數據進行傳輸和匯聚。簇頭節(jié)點對數據進行打包、分組，通過GPRS無線傳輸模塊傳送到遠端的監(jiān)控點或指揮中心[8]，遠端的監(jiān)控中心把收到的數據通過上位機Labview軟件建模、分析，提供給專家做預測的依據，最終發(fā)出預警信號[9,10]。

4 系統硬件設計

節(jié)點硬件主要由CC2430為核心的無線模塊，各類傳感器組成的環(huán)境采集模塊、GPRS網關和電源等組成。用CC2430為核心構造的傳感器網絡節(jié)點的方案滿足整個山體滑坡系統的數據采集，且具有功耗低、電路簡單、體積小和成本低等優(yōu)勢。本系統基于ZigBee技術，ZigBee技術是具有成本低、低功耗、組網能力強、可靠性高等優(yōu)勢的新興無線組網通信技術，適用于各種檢測領域[11-12]。ZigBee技術只靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，是其他很多無線設備無法達到的優(yōu)勢。

4.1 CC2430無線收發(fā)模塊

CC2430無線模塊采用德州儀器（TI）ZigBeeSoC射頻芯片CC2430F128，CC2430節(jié)點基于ZigBee技術，內核是優(yōu)化C8051，比標準8051快8倍，具有雙數據指針，功耗低，4個靈活的電源模式可以減少電源消耗。CC2430模塊具有較特殊的優(yōu)勢，具有強大的DMA控制器，有上電復位/掉電檢測，可配置的8通道ADC，21個可配置通用數字I/O引腳，數字引腳輸出簡單方便，減少軟件的處理，減輕CPU的負擔。CC2430節(jié)點重要的特點、也是我們用戶較關心的、符合我們需要的外圍設備特性，是它具有4個定時器，即1個通用的16位定時器、2個8位定時器、1個MAC定時器，定時器可以用于定時采集環(huán)境信息數據，定時對電源開啟與關閉的控制，節(jié)省不同時間段的電源消耗；定時器在編程中起著重要的作用。CC2430有兩個可編程的USART，可作為SPI主模式、SPI從模式或者UART，片內的UART1，CAN, SPI，I2C，UART2總線與各類傳感器結合對環(huán)境信息進行采集，再通過片內RF無線發(fā)射，通過GPRS網關傳送到遠端的控制中心或指揮中心。

4.2 各種傳感器的選擇

根據實際運用中的各種要求，傾角傳感器選用直川電子的ATC100AL-485單軸傾角傳感器對受測場地的大巖石等進行角度的測量，它是一類成本較低的數字信號輸出傳感器模塊，它減少硬件的開銷和軟件CPU的負擔，可進行零點設定，波特率可選（4800，9600，19200），這類型的傳感器使用于安裝坡體位置，因為它是帶鋁殼，有一定的防水、防空特點，工業(yè)器件性能穩(wěn)定，可靠抗擊、抗震動。距離傳感器選用SENST-200遠距離激光測距傳感器，測距200m，精度1mm。激光測距傳感器是新一代的測距設備，功能強大、堅固耐用，專為工業(yè)測量市場設計，通過發(fā)射激光束至目標物體，利用發(fā)射光束精確計算距離。此類激光測距傳感器是線式連續(xù)檢測，不像手持激光測距儀，需要人工點發(fā)，這樣可以在無人值守的情況下進行連續(xù)監(jiān)測。水位傳感器選用鴻泰順達科技公司的BJ216的液位傳感器，液位傳感器基于反射原理工作，產品反映速度快、可靠性高，并且經濟實惠。LI系列液位傳感器采用施密特觸發(fā)器，設備需要使用者提供外部保護電路，這種元件能以數字形式指示液體是否存在。數字輸出，可不用外接模數轉換，減少硬件開銷和軟件的負擔。該液位傳感器用于山體滑坡系統中對水位進行監(jiān)測，可以得到較精確的數據，作出及時的預警。應變傳感器選用FBGS系列的應變傳感器，具有不受電磁干擾、耐腐蝕、抗沖擊振動、抗疲勞、使用壽命長等優(yōu)點，適用于山體滑坡系統中對山體中土層環(huán)境信息的采集?？梢詫鞲衅髀袢肷襟w土層下面，監(jiān)測支撐的應變。從而將采集得到的信息通過無線傳輸，發(fā)送到遠程的監(jiān)控中心，及時作出預警。加速度傳感器選用飛思卡爾公司的MMA7260Q型號的傳感器，它可以在XYZ三軸全方位感知，是高靈敏度的單芯片三軸向的加速度傳感器，在XYZ三軸向上讀取低重力水平的墜落、傾斜、放置、震動、搖擺和移動。選擇這型號的加速度傳感器作為本系統對大巖石等的移位速度等參數進行監(jiān)測。

5 系統軟件設計

5.1 無線傳感器網絡的構建

無線傳感器網絡是由大量體積小、成本低，具有無線通信、傳感、數據處理能力的傳感器節(jié)點組成的。無線監(jiān)測系統的軟件設計平臺是IAR7.30B集成開發(fā)環(huán)境，基礎是以Ti-Chipon公司提供的無線點對點MAC協議，與自己的網絡層和應用層相結合，構成傳感器網絡的協議棧，基于ZigBee技術，運用無線多跳路路由和多路徑數據傳輸，對無線分成網絡的信息進行采集、傳輸、打包、分組與處理，通過GPRS無線傳輸模塊傳送到遠端的控制中心或指揮中心，實現受測場地的數據遠程傳輸和遠程監(jiān)控。

5.1.1 簇網絡的建立過程

ZigBee網絡結構主要有簇狀結構、網狀結構和星狀結構。簇結構網絡是由簇頭和若干簇節(jié)點組成，簇頭作用是構建簇網絡、管理網絡節(jié)點、匯聚簇節(jié)點和傳輸數據。網絡結構是由網絡協調器和若干終端節(jié)點組成，網絡協調器作用是建立網絡、管理網絡節(jié)點、接入路由和匯聚數據等。簇結構和網絡結構所要的節(jié)點較多，組成的網絡覆蓋的范圍較廣。系統可以采用洪泛方式、網狀網絡結構和簇網絡結構，對受測場地環(huán)境信息實時采集、傳輸和分析進行預測，提高對山體滑坡等地質災害的監(jiān)測和預警。

本文山體滑坡系統采用的網絡是以洪泛方式為基礎，結合簇結構，構建信息傳輸分成網絡結構和路由，構建網絡中，網絡協調器先向全網發(fā)送信標幀，該信標幀包括自身地址和幀編號，路由器節(jié)點接收到信標幀，把自己的自身地址添加到信標幀內的列表中，利用這個地址列表建立自己的路由表。這時，記錄幀的編號，這樣就可以避開同一幀的多次發(fā)送，接下發(fā)送修改后的信標幀。傳感器節(jié)點接收到信號幀，自動選定信號最強的節(jié)點，返回發(fā)送到終端節(jié)點以確認幀，讓路由節(jié)點確認自身作為終端節(jié)點的路由器節(jié)點，開始簇網絡的建立。終端節(jié)點路由節(jié)點簇網絡的建立流程如圖1所示：簇頭節(jié)點是自身，發(fā)送信號幀，傳感器節(jié)點接收到信號幀，并在所有的簇頭節(jié)點中，選擇信號強度最強的發(fā)揮發(fā)送確認幀且加入網絡。簇頭節(jié)點根據收到的確認幀，建立節(jié)點列表[9,13]。

圖1 網絡建立流程圖

5.1.2 傳感器節(jié)點數據傳輸過程[9]

傳感器節(jié)點數據傳輸過程簡述如下：傳感器節(jié)點對數據進行打包處理，傳送到簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點對收到的數據信息進行分析處理，查詢路由表，建立數據包，數據包應該包含協調器地址和下一目的節(jié)點的地址。由于可能發(fā)生的錯誤路由存在，為了解決這問題，要設置多跳路次數，轉發(fā)一次多跳路減1，當多跳路次數為0時，不發(fā)送。路由器節(jié)點接收到數據包，查找自身的路由表，修改包中下一目的節(jié)點的地址，把多跳路次數減1，檢測多跳路次數是否為0，為0時，放棄發(fā)送；非0時，轉發(fā)數據包。數據包傳送到協調器，就完成數據傳輸。傳感器節(jié)點數據傳輸過程如下頁圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點數據傳輸過程

5.2 傳感器數據采集設計

傳感器節(jié)點沒有一處于工作模式，而是采用中斷工作模式，為了降低功耗，平時工作在休眠模式，當到定時時間，進入中斷程序，喚醒核心CPU對傳感器的數據采集和傳輸工作，并對數據進行處理。當采集到的數據超過設定值（閾值），傳感器節(jié)點就向監(jiān)控中心發(fā)送信號，由控制中心作出相應的對策。如果采集得到的數據沒有超出閾值，則不發(fā)送信息，這樣可以大大降低功耗，延長傳感器的工作時間，節(jié)省能源，而且不用經常更換電池，經濟方便[14]。傳感器數據采集流程如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點數據采集流程

5.3 GPRS網絡連接過程設計

采用SIMCOM公司的SIM300GPRS模塊，以SIM300模塊為核心，通過AT指令編程進行網絡連接和數據發(fā)送。網絡連接過程如下：先查詢模塊的工作狀態(tài)，如果正常的狀態(tài)下，則設置APN、用戶名和密碼，返回OK設置網絡連接方式，返回OK后，再設置本地IP和端口，成功后開始UDP鏈接，連接成功后開始數據的傳送[15]。GPRP網絡連接流程圖如圖4所示。

圖4 GPRS網絡連接流程圖

6 結束語

隨著經濟的快速發(fā)展和自然資源的開發(fā)，環(huán)境地質條件的惡化，近幾年來，福建省沿海山區(qū)縣，山體滑坡等地質災害越來越嚴重，這也越來越引起人們的重視。本文針對山體滑坡監(jiān)測及預警系統，采用CC2430無線通信模塊結合傾角、位移，水位、加速度等傳感器對環(huán)境中信息進行采集，通過使用由大量互連的多種微型傳感器及其節(jié)點組成的無線傳感器網絡，可對重點監(jiān)測區(qū)域進行不間斷的高精度數據采集；通過對采集的山體斜坡數據進行分析、建模，可對有可能發(fā)生的滑坡災害作出預警，減少自然災害對人類的生命和物質財產造成巨大損失。

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（責任編輯：覃華巧）

The App lication ofW ireless Sensor Network Based on ZigBee in Landslide M onitoring

Su Guodong1，W ang Ping2，Cai Bili3，Xu Shiwu4
(1.2.College of Photonic and Electronic Engineering,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China；3.Department of Electronic Technology App lication,School of Fujian Qiaoxing Light Industry,Fuqing 350301,China；4.Information Technology Department of Concord College,Fujian Normal University, Fuzhou 350108,China)

According to the features of geological disasters,wireless sensor network is laid in landslide monitoring region. Consequently,based on ZigBee technology network,by usingwirelessmulti-hop routing andmulti-path data transmissionmethod,the collected data are packaged,grouped and sent to the remote monitoring point or commanding center through the GPRS wireless transmission module.Then,the remotemonitoring center will analyze the received data by means of the host computer's Labview software so as tomake timely forecasting and warning or provide the expertswith a basis for their decision-making.

landslide;wireless sensor network;ZigBee technology

TP79

A

1673-8535（2013）06-0027-09

蘇國棟（1989-），男，福建泉州人，福建師范大學光電與信息工程學院在讀碩士研究生，主要研究方向：傳感器網絡路由協議。

王平（1955-），男，福建福州人，福建師范大學光電與信息工程學院教授，主要研究方向：研究領域為通信網絡新技術、無線傳感器網絡、嵌入式系統。

蔡碧麗（1987-），女，福建漳州人，福建省僑興輕工學校電子技術應用系教師，主要研究方向：電子技術應用。

徐世武（1986-），男，福建莆田人，福建師范大學協和學院學院信息技術系教師，主要研究方向：無線傳感器網絡。

2013-09-06