一種地質(zhì)災(zāi)害無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

李躍鵬，雷 霖

(成都大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅［1］.目前，針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜地區(qū)，氣象部門的監(jiān)測(cè)往往停留在一個(gè)大的區(qū)域范圍內(nèi)，對(duì)具體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)缺乏針對(duì)性;而人為的監(jiān)控效率低，已經(jīng)不能滿足對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)［2］.對(duì)此，本研究利用ZigBee 和GSM(Global System of Mobile Communication)技術(shù)來(lái)對(duì)某一個(gè)地區(qū)的山體環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)山體的狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤，隨時(shí)掌握山體的位移、傾角的變化情況，以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度濕度等環(huán)境狀態(tài)信息，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)端，該裝置對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警可起到積極的意義.

1 硬件設(shè)計(jì)

在裝置的硬件設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)方案采用CC2431模塊為主控制器，CC2431 是一款集合有加強(qiáng)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(diǎn)數(shù)據(jù)采集的需要.無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的主要功能包括有采集監(jiān)測(cè)區(qū)域環(huán)境的溫度、濕度、傾角變化、節(jié)點(diǎn)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(gè)部分組成(見圖1).

圖1 無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)框圖

在本無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置中，傳感器負(fù)責(zé)采集環(huán)境的信息，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路處理以后送入到CC2431 中進(jìn)行分析處理，CC2431 有21 個(gè)通用I/O 口，傾角模擬信號(hào)通過(guò)具有A/D 轉(zhuǎn)換口進(jìn)入控制器，超聲波、溫濕度信號(hào)通過(guò)數(shù)字I/O 口進(jìn)入控制器，CC2431 與GSM 通信串口，這些數(shù)據(jù)不僅可以通過(guò)CC2431 外設(shè)射頻電路發(fā)送出去，也可以用GSM 遠(yuǎn)程發(fā)送，當(dāng)作路由終端裝置時(shí)可去掉MC37I 模塊.

1.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，由于節(jié)點(diǎn)眾多，因此在考慮系統(tǒng)性能的同時(shí)也要考慮降低節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)成本，滿足整個(gè)系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù).

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(shí)現(xiàn)處理器與DS18B20 的雙向通信，其溫度范圍在－55 ℃～+125 ℃，精度可達(dá)到0.0625 ℃，滿足監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)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(duì)濕度在0% ～100%RH 范圍內(nèi);HS1101 是一種濕敏電容，將其應(yīng)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(yīng)用定時(shí)器1 來(lái)做1 s 的定時(shí)，同時(shí)通過(guò)頻率信號(hào)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(shí)監(jiān)測(cè)3 個(gè)角度變化，每個(gè)軸隨著角度的變化輸出模擬電壓信號(hào)，其工作電壓范圍為2.2～3.6 V，響應(yīng)時(shí)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(cè)量精度為800 mv/g，每個(gè)軸在－90° ～+90°范圍內(nèi)產(chǎn)生0.85 ～2.45 V 電壓變化［6］.

節(jié)點(diǎn)位移變化采用US-100 超聲波測(cè)距模塊，可實(shí)現(xiàn)0.02 ～4.5 m 的非接觸測(cè)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(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，同時(shí)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)如圖3 所示.電路設(shè)計(jì)中，電壓采用AMS1117 系列穩(wěn)壓芯片來(lái)控制，因MC37I 模塊的電流必須大于2 A，電壓的波動(dòng)范圍不能超過(guò)400 mV，故采用LM2596 系列來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定電壓的輸出，其輸出電流可以達(dá)到3 A，輸入電壓可達(dá)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(gè)3.7 V 鋰電池供電.

1.3 處理器和GSM 通信模塊電路設(shè)計(jì)

圖3 電源電路圖

本裝置的MCU 采用CC2431 芯片，它內(nèi)置有加強(qiáng)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(chǔ)、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(diǎn)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(gè)串口，可以同時(shí)實(shí)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(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程短信傳輸.當(dāng)MC37I 上電以后，需給IGT 引腳提供大于200 ms 的低電平信號(hào)以啟動(dòng)模塊，CC2431 通過(guò)串口來(lái)控制MC37I，進(jìn)行AT 指令的控制［8］，SYNC 引腳外接LED，用以顯示模塊的運(yùn)行狀態(tài).

處理器與GSM 通信模塊電路設(shè)計(jì)圖如圖4 所示.

圖4 MCU 與GSM 通信模塊電路設(shè)計(jì)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

本裝置的節(jié)點(diǎn)需要自身定時(shí)或者有突發(fā)情況或接收到來(lái)至上位機(jī)采集命令的時(shí)候，對(duì)環(huán)境的信息值進(jìn)行采集并傳輸，其中，突發(fā)情況通過(guò)接觸性振動(dòng)傳感器來(lái)產(chǎn)生外部中斷來(lái)判斷.因此，本裝置的軟件設(shè)計(jì)流程如圖5 所示.

圖5 采集程序主流程圖

本裝置的軟件設(shè)計(jì)基于ZigBee2006 協(xié)議棧編程.在程序設(shè)計(jì)中，傾斜角傳感器的輸出為模擬信號(hào)，故只需啟動(dòng)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(hào)和準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，其中CC2431 的定時(shí)1 用于超聲波信號(hào)的計(jì)時(shí)，定時(shí)器3 用于濕度傳感器頻率采集定時(shí).在Zig-Bee 數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)Cluster-Tree +AODV 路由來(lái)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信.ZigBee 路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)層的控制分組包括路由請(qǐng)求分組(RREQ)、路由應(yīng)答分組(RREP)和路由出錯(cuò)分組(RERR)［9］.

在ZigBee 路由協(xié)議中，RN－ 節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送分組到網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，采用Cluster-Tree 路由發(fā)送分組.RN+節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送分組到網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)沒有路由表的情況下，RN +節(jié)點(diǎn)發(fā)起建立路由表的過(guò)程.首先，源節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建并向附近節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)RREQ 分組，如果收到RREQ 的是一個(gè)RN-節(jié)點(diǎn)，則Cluster-Tree 路由轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)，如果收到RREQ 的節(jié)點(diǎn)是一個(gè)RN+，則根據(jù)RREQ 中的信息來(lái)建立相應(yīng)的路由發(fā)現(xiàn)表?xiàng)l目和路由表?xiàng)l目(在路由表中建立一個(gè)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(diǎn)，并通過(guò)GSM 遠(yuǎn)程發(fā)送至上位監(jiān)控端.

3 實(shí) 驗(yàn)

本無(wú)線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置為多功能復(fù)用裝置，可獨(dú)立作為數(shù)據(jù)采集裝置，也可做傳輸中繼和接收裝置.當(dāng)裝置需要做數(shù)據(jù)終端時(shí)，將傳感器接入到數(shù)據(jù)接口上，當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)ZigBee 與GSM 的網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，接上MC37I 就可以實(shí)現(xiàn)從ZigBee 與GSM 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換.裝置如圖6 所示.

圖6 無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置示意圖

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)用3 個(gè)以上該裝置有效地進(jìn)行組網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集通信，通過(guò)串口將采集到的數(shù)據(jù)傳輸Visual Basic 6.0 設(shè)計(jì)的監(jiān)控界面中動(dòng)態(tài)顯示出來(lái)，將歷史數(shù)據(jù)記錄在上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中生成動(dòng)態(tài)曲線，系統(tǒng)從動(dòng)態(tài)曲線中可以得出裝置監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)變化，如圖7 所示.

圖7 裝置測(cè)試界面

對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取并做平滑處理，其動(dòng)態(tài)曲線如圖8 所示.從圖8 可見，在1 ～12 d，本裝置監(jiān)測(cè)到的位移呈現(xiàn)出一種穩(wěn)定變化的趨勢(shì);在12 ～15 d，裝置監(jiān)測(cè)的傾角與位移變化突然加大，此表明在這期間監(jiān)測(cè)點(diǎn)周邊環(huán)境變化明顯;在15 d 以后，節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化再次趨于平緩.

圖8 數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)記錄圖

4 結(jié) 論

基于ZigBee 和GSM 通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種地質(zhì)災(zāi)害無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置，該裝置在正常情況下處于休眠狀態(tài).當(dāng)有中斷請(qǐng)求時(shí)，節(jié)點(diǎn)被啟動(dòng)，并通過(guò)相應(yīng)的程序發(fā)送數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)程上位機(jī)端.在不同的環(huán)境下對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，本裝置能夠得到所需要的監(jiān)測(cè)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)值，并遠(yuǎn)程發(fā)送給控制中心上位機(jī)端，能夠較好地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的功能，在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警中本裝置可起到實(shí)際的作用.

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