基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李妍

摘要：在汛期，降雨引發(fā)的邊坡滑坡的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害愈加頻繁，為盡可能的避免或減少滑坡給人們生命財(cái)產(chǎn)造成重大損失，尋求能夠?qū)涤晷突卢F(xiàn)場監(jiān)測和安全預(yù)警的技術(shù)方法，成為目前迫切需要解決的問題。這里在已有滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和極限平衡分析方法，設(shè)計(jì)出了一種以數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、傳輸、分析、預(yù)警為一體的監(jiān)測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 監(jiān)測 安全預(yù)警

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0174-02

1 引言

據(jù)國土資源部公布，2015年我國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害8224起，涉及28個(gè)?。▍^(qū)、市），死亡及傷亡人數(shù)較多，直接經(jīng)濟(jì)損失慘重。在這些地質(zhì)災(zāi)害中，以滑坡和泥石流災(zāi)害發(fā)生的最多。我國十分重視對滑坡災(zāi)害的預(yù)警防護(hù)技術(shù)和方法的研究，投入了大量的人力物力。在2015年，全國共成功預(yù)報(bào)地災(zāi)452起，避免人員傷亡20465人，避免直接經(jīng)濟(jì)損失5.0億元[1]。由此可見，對于滑坡的監(jiān)測和預(yù)警不僅是必要的，且是完全可行的，采用科學(xué)合理的監(jiān)測和預(yù)警方法，可防患于未然，盡可能避免或減少滑坡造成的重大損失。本文介紹了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可對潛在滑坡實(shí)現(xiàn)多區(qū)域、無線、遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2 邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)簡介

邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程信息監(jiān)控中心三大部分組成。如圖1所示。

降雨是邊坡失穩(wěn)主要誘因，同時(shí)導(dǎo)致孔隙水壓力變化，因而這兩個(gè)指標(biāo)都是評價(jià)邊坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)，數(shù)據(jù)采集終端包含雨量和滲壓計(jì)傳感器。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)發(fā)起建立網(wǎng)絡(luò)、管理和無線傳輸功能，這里采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。終端節(jié)點(diǎn)接收采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給與Internet相連的遠(yuǎn)程信息監(jiān)測中心。遠(yuǎn)程監(jiān)測中心由無限邊坡穩(wěn)定計(jì)算模型、數(shù)據(jù)庫和顯示界面組成，實(shí)現(xiàn)對降雨閾值、穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算和對現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示、存儲和報(bào)警顯示。

3 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)兩部分。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件組成

傳感器節(jié)點(diǎn)以微控制器MSP430F2618為核心，控制傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過ZigBee模塊與匯聚節(jié)點(diǎn)

進(jìn)行無線通信。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊、存儲模塊、顯示屏和一些接口電路組成。節(jié)點(diǎn)一般使用電池供電，但傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)需耗能，電池供電無法滿足需要，故選擇太陽能供電。MSP430處理器通過串口讀取傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過UART接口發(fā)送給ZigBee模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。按鍵復(fù)位和JTAG接口用于單片機(jī)程序調(diào)試，EEPROM對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

3.1.1 處理器模塊

MSP430F2618作為傳感器節(jié)點(diǎn)的主控芯片[2]，需對傳感器信息的處理和與CC2530連接。主要設(shè)計(jì)MSP430F2618芯片的外圍電路，包括復(fù)位電路、參考電壓電路、晶振電路、與CC2530芯片接口，RS485的接口，JTAG測試接口。

3.1.2 無線通信模塊

通信模塊要完成與MSP430和節(jié)點(diǎn)間通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)傳遞的功能，選用CC2530作為無線通信芯片[3-4]。 CC2530與MSP430F2618連接通過SPI口，MSP430F2618中STE、SIMO、SOMI、UCLK四個(gè)引腳與CC2530進(jìn)行同步模式串口通信。其中SIMO和SOMI引腳是數(shù)據(jù)輸入輸出線，UCLK是共享時(shí)鐘信號線，STE為器件選通信號引腳。當(dāng)STE為低電平時(shí)，器件選通，SIMO和SOMI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.1.3 電源模塊

電源模塊為節(jié)點(diǎn)內(nèi)各模塊提供驅(qū)動(dòng)能源，是保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池板、蓄電池和控制器組成，輸出電壓為12V。系統(tǒng)需要提供12V、5V和3.3V電源，通過LM2596將12V轉(zhuǎn)變成5V輸出，通過AMS117-3.3將5V轉(zhuǎn)變成3.3V。

3.2 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件組成

匯聚節(jié)點(diǎn)連接傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)通信。匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件組成與傳感器節(jié)點(diǎn)相似，只是匯聚節(jié)點(diǎn)中MSP430F2618通過UART接口與GPRS模塊的串口相連。GPRS模塊選用BenQ的M23A，該模塊帶有GPRS移動(dòng)數(shù)據(jù)以及GSM短消息功能。MSP430F2618與M23A連接，除自身電路外，只需將TXD腳與單片機(jī)的RXD1相連，RXD腳與單片機(jī)TXD1相連，通過發(fā)送AT指令控制GPRS模塊完成數(shù)據(jù)傳輸功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括傳感器節(jié)點(diǎn)程序、匯聚節(jié)點(diǎn)程序和上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體軟件功能設(shè)計(jì)如圖3所示。

其中CC2530在IAR軟件開發(fā)平臺上，利用Z-Stack協(xié)議棧的程序?qū)崿F(xiàn)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸。GPRS模塊根據(jù)AT指令集編寫程序，控制整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸流程。上位機(jī)程序在VS2010的.NET平臺上實(shí)現(xiàn)Web應(yīng)用服務(wù)器和Web瀏覽器的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)SQL數(shù)據(jù)庫，利用ADO.Net訪問數(shù)據(jù)庫。

5 結(jié)語

在滑坡災(zāi)害中，邊坡安全監(jiān)測系統(tǒng)扮演著重要角色，采用科學(xué)合理的監(jiān)測和預(yù)警方法，可以防患于未然，盡可能將滑坡災(zāi)害帶來的人員傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失減小到最低。本設(shè)計(jì)結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，使系統(tǒng)成本降低，布設(shè)更加靈活，監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性更高。

參考文獻(xiàn)

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