基于ＷＳＮ與ＭＥＭＳ器件的山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王健 盛慶元

摘要：針對目前山體滑坡監(jiān)測難度大、設(shè)備成本高、測量精度低、實(shí)時性差等問題，提出了WSN技術(shù)與MEMS器件在山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。采用低成本的MPU-9150（集成三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁強(qiáng)計）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傾角傳感器，在保證精度的基礎(chǔ)上，大大減小了傳感器體積，便于安裝施工;利用CC2530控制器組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，將各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總?cè)诤蟼鬟f給GPRS網(wǎng)關(guān)，最終將數(shù)據(jù)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。系統(tǒng)上位機(jī)能夠?qū)?shí)時傳感器信息進(jìn)行分析、處理和存儲，能夠顯示各節(jié)點(diǎn)的空氣溫濕度信息、降雨量、不同深度土壤傾斜角、加速度等基礎(chǔ)信息，還能夠?yàn)椴煌瑓?shù)設(shè)置報警閾值，操作簡單便捷。應(yīng)用結(jié)果表明，基于WSN與MEMS器件的山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)具有易于擴(kuò)展、覆蓋范圍廣、節(jié)點(diǎn)生存周期長等特點(diǎn)，有較強(qiáng)的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：WSN;ZigBee;GPRS;山體滑坡

中圖分類號：TP277? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）21-0138-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.21.036? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Design of Landslide Monitoring System Based on WSN and MEMS Devices

WANG Jian，SHENG Qing-yuan

（Shaoxing Vocational & Technical College，Shaoxing 312000，Zhejiang，China）

Abstract： In view of the difficulties in monitoring the current landslide， the high cost of equipment， low measurement accuracy and poor real-time performance， the application of WSN technology and MEMS devices in landslide monitoring system is put forward. Using low-cost MPU-9150（integrated three axis gyroscope， triaxial accelerometer and triaxial magnetometer） instead of traditional tilt sensor， it greatly reduces the volume of the sensor and facilitates the installation and construction on the basis of ensuring the accuracy; Meanwhile， ZigBee network is established with CC2530 controller， it integrates the data of each sensor node into the GPRS gateway. And finally the data is sent to the remote monitoring center. Computer system can analyze， process and store real-time sensor information， and it can show the information of air temperature and humidity of each node， rainfall， soil inclination angle， acceleration and other basic information of different depths. At the same time， the alarm threshold can be set for different parameters， the operation is simple and convenient. The application shows that the landslide monitoring system based on WSN and MEMS devices has the characteristics of easy expansion， wide coverage and long life cycle of nodes. It has strong practical value.

Key words： WSN; ZigBee; GPRS; landslide

山體滑坡是中國較為常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著山區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全，一旦發(fā)生就會嚴(yán)重阻礙人民的正常生產(chǎn)生活，造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失[1]。近年來，中國對于山體滑坡的監(jiān)測力度逐步加大，監(jiān)測手段也逐步增多，常用的監(jiān)測方法有衛(wèi)星遙感監(jiān)測法、近景取景攝影法、GPS以及GIS等多種方式，但是這些方法都具有成本高、實(shí)時性差、覆蓋面受限等問題，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)實(shí)監(jiān)測需要。

山體滑坡的主要誘因有地震、降雨和融雪、地表水的沖刷、浸泡以及不合理的人類工程活動等，要想較好地預(yù)防和監(jiān)測山體滑坡情況就需要實(shí)時獲取待測區(qū)域的環(huán)境溫濕度信息、降雨量、地下水位以及各層土壤的傾斜角度?；跍y量的實(shí)際需求，并充分借鑒了傳統(tǒng)測量方法，本文提出了一種基于WSN（Wireless Sensor Network）和MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）器件的山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)[2，3]，利用CC2530控制器搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)利用MEMS器件獲取各層土壤的傾斜角度[4];利用雨量計得到該點(diǎn)的降雨量;搭配溫濕度傳感器獲取該點(diǎn)的環(huán)境溫濕度，采集完成后將信息發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器[5，6]，通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心[7]，從而實(shí)現(xiàn)對滑坡的實(shí)時監(jiān)測[8]。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)由WSN監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)關(guān)以及監(jiān)控終端三部分組成。其中WSN監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信;網(wǎng)關(guān)部分主要由GPRS模塊構(gòu)成，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊通過串口連接[9];系統(tǒng)監(jiān)控終端主要由上位機(jī)監(jiān)控軟件組成，通過監(jiān)控終端能夠?qū)崟r查詢WSN各節(jié)點(diǎn)的傳感器信息[10]。

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。系統(tǒng)運(yùn)行過程如下：由于山體滑坡監(jiān)測具有范圍廣、節(jié)點(diǎn)多、實(shí)時性強(qiáng)等特點(diǎn)，所以系統(tǒng)設(shè)計利用ZigBee節(jié)點(diǎn)組成WSN網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個待測區(qū)域[11]。如圖1所示，ZigBee節(jié)點(diǎn)可以分為終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時采集山體不同深度土壤的位移值和加速度值、節(jié)點(diǎn)所在位置的降雨量、溫濕度值等信息[12，13]，并將測量信息經(jīng)路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口與GPRS網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行連接，網(wǎng)關(guān)最后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將測量信息傳遞給遠(yuǎn)端的監(jiān)控終端。系統(tǒng)監(jiān)控終端可以提供直觀的數(shù)據(jù)顯示存儲、節(jié)點(diǎn)切換、數(shù)據(jù)分析以及預(yù)警值設(shè)置等服務(wù)。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計、網(wǎng)關(guān)設(shè)計、傳感器模組以及電源設(shè)計[14]。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，所以ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計至關(guān)重要，雖然ZigBee節(jié)點(diǎn)可以分為協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點(diǎn)，但是其核心硬件基本一致，僅在接口部分存在細(xì)微差異。此外，由于山體滑坡監(jiān)測的特殊性，在傳感器設(shè)計時也要充分考慮其防水與安裝因素[15]。由于系統(tǒng)待測區(qū)域?yàn)橐巴馊菀装l(fā)生山體滑坡區(qū)域，所以系統(tǒng)的傳感器模組、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)采用電池供電，ZigBee協(xié)調(diào)器與GPRS網(wǎng)關(guān)采用5 V直流電源供電。

2.1? ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)計

系統(tǒng)采用低功耗CC2530芯片作為ZigBee節(jié)點(diǎn)的主控器，雖然系統(tǒng)所涉及的節(jié)點(diǎn)有協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點(diǎn)3種，但是3種節(jié)點(diǎn)硬件基本一致，僅終端節(jié)點(diǎn)需要外置一些傳感器接口。CC2530芯片作為TI（德州儀器）公司低功耗的典型代表，其內(nèi)置一個增強(qiáng)型8051單片機(jī)，具有18個中斷源、8路ADC以及豐富的I/O口，完全能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。特別是該單片機(jī)通過不同工作模式的合理設(shè)置，在兩節(jié)5號電池驅(qū)動下可以工作2～3年[16]。

系統(tǒng)所設(shè)計CC2530核心板電路圖如圖2所示，CC2530核心板上連接了32 MHz與32.768 kHz 2個晶振，能夠滿足系統(tǒng)在不同工作模式下的需求。通過電路圖可知，核心板電路較為簡潔，外圍器件較少，模塊體積可設(shè)計得較小，為部署帶來較大便利。

2.2? 傳感器模組設(shè)計

系統(tǒng)要采集的環(huán)境信息有空氣溫濕度信息、降雨量、山體不同深度的土壤、巖層的傾斜角、加速度等，由于系統(tǒng)設(shè)計的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的接口較為豐富，能夠滿足不同模擬、數(shù)字傳感器的接入，為傳感器選型帶來了極大的便利。

地下水位深度是監(jiān)測山體滑坡的重要指標(biāo)，因此水位深度測量是傳感器模組設(shè)計的重要部分，水位傳感器在具體安裝時需要現(xiàn)場打孔，并在孔洞最下方進(jìn)行部署，能夠?qū)崟r監(jiān)測孔洞下方的液位變化。為保證液位測量的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)選取投入式液位傳感器SIN-P260，其測量范圍為0～10 m，測量精度為0.5%左右，輸出信號為4～20 mA電流信號，通過采樣電阻即可以轉(zhuǎn)換為0～3.3 V電壓信號直接與單片機(jī)AD端口連接。

為測量不同層次土壤與巖層的傾斜角與加速度，系統(tǒng)利用MEMS器件（MPU-9150）來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傾角傳感器，在保持測量精度的基礎(chǔ)上，能夠大大減小傳感器的體積，便于安裝實(shí)施。MPU9250是一款9軸運(yùn)動跟蹤裝置，它在小小的3 mm×3 mm×1 mm的封裝中融合了3軸加速度，3軸陀螺儀以及數(shù)字運(yùn)動處理器（DMP）并且兼容 MPU6515。MPU-9150提供I2C和SPI兩種總線通信方式，系統(tǒng)在具體使用時，為節(jié)省成本同一總線上需要掛載多個設(shè)備，MPU-9150的I2C總線最多只支持掛載兩個設(shè)備，不能夠滿足具體需求。MPU9250的SPI有4根線（CS，SDO，SCLK，SDI），2根作為控制線，2根作為數(shù)據(jù)線，MPU9250作為SPI Slave角色，可以在同一個總線上掛載多個MPU9250，能夠?qū)崿F(xiàn)不同深度土壤、巖層的傾斜與位移監(jiān)測，簡單便捷。圖3為CC2530與MPU9250通過SPI總線連接的圖示。

由于降雨的地域覆蓋面較廣，在對待測區(qū)域進(jìn)行降雨量測量時，不需要每個節(jié)點(diǎn)都布置雨量計，僅需在整個待測區(qū)域平均布置即可。系統(tǒng)選取的雨量計為常規(guī)翻斗式雨量計，其測量范圍≤4 mm/min，測量誤差在4%左右，輸出信號同樣是4～20 mA電流信號，經(jīng)過采樣電阻即可轉(zhuǎn)換為0～3.3 V電壓信號。

在低功耗要求下，系統(tǒng)的環(huán)境溫濕度傳感器選用TI公司的HDC1050型數(shù)字溫濕度傳感器，它能夠以極低的功耗實(shí)現(xiàn)出色的測量精度，能適應(yīng)較寬的電壓范圍，工作電壓低至2.7 V。

系統(tǒng)傳感器模組與主控芯片連接框圖如圖4所示。

2.3? GPRS網(wǎng)關(guān)

GPRS網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集的傳感器信息傳遞給遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。系統(tǒng)選擇了SIMCOM公司的工業(yè)級四頻芯片SIM800設(shè)計了GPRS網(wǎng)關(guān)模塊，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)以及傳真等信息傳輸。此模塊使用簡單便捷，通過串口與CC2530連接，使用AT指令就能夠?qū)δK進(jìn)行編程，經(jīng)測試該模塊通信較為穩(wěn)定。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括CC2530程序開發(fā)和上位機(jī)監(jiān)控軟件兩部分。其中CC2530程序開發(fā)還包括傳感器信息采集程序和ZigBee組網(wǎng)程序，CC2530程序開發(fā)主要在IAR平臺上進(jìn)行。系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件利用C#進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server進(jìn)行維護(hù)管理，具有較強(qiáng)的可遷移性和可擴(kuò)展性，為系統(tǒng)的后續(xù)擴(kuò)展開發(fā)提供了基礎(chǔ)。

3.1? 傳感器信息采集程序設(shè)計

傳感器信息采集是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能最為重要的部分，由上文可知系統(tǒng)所使用的傳感器種類較多，涉及液位、溫濕度、角度、加速度以及降雨量等多種環(huán)境信息，其中液位傳感器以及降雨量傳感器是利用AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換）連接的，兩種傳感器返回的均是4～20 mA電流信號，經(jīng)過采樣電阻后轉(zhuǎn)換成0～3.3 V的電壓接入單片機(jī)管腳。由于兩路信號的模擬量需要同時進(jìn)行采集，所以設(shè)置CC2530進(jìn)行序列ADC轉(zhuǎn)換，可以通過將兩個傳感器的模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，并能夠把結(jié)果通過DMA傳送到存儲器，而不需要CPU任何參與。通過序列轉(zhuǎn)換的方式能夠在保證ADC轉(zhuǎn)換效率的同時減少CPU資源的消耗，在一定程度上降低了系統(tǒng)功耗。

由于MPU9250內(nèi)部實(shí)際集成的是一個MPU6500和一個三軸磁力計AK8963。雖然MPU6500支持SPI通信，但是AK8963僅支持I2C讀寫，所以單片機(jī)讀取磁力計的數(shù)據(jù)首先要通過MPU9250內(nèi)部自帶的I2C將磁力計數(shù)據(jù)讀取暫存，再通過SPI總線將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)。利用MEMS器件得到最終的姿態(tài)信息，首先要獲取MPU9250器件的九軸數(shù)據(jù)，然后對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪，使數(shù)據(jù)變得準(zhǔn)確，接著利用四元數(shù)對姿態(tài)進(jìn)行解算，最后利用卡爾曼濾波算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到姿態(tài)信息，具體過程如圖5所示。

3.2? ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計

系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建WSN網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)可以分為協(xié)調(diào)器、路由器以及終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集傳感器信息、路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)匯總信息并通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送出去，3種類型的節(jié)點(diǎn)均搭載ZigBee協(xié)議棧，由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有自組織、多跳的特性，所以組網(wǎng)簡單方便。

在具體部署時，為節(jié)約能源提高節(jié)點(diǎn)生存周期，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將采用定時喚醒模式進(jìn)行工作，此模式下節(jié)點(diǎn)具有兩種工作狀態(tài)，一種為休眠模式，另外一種為喚醒模式。在休眠模式下節(jié)點(diǎn)僅保留低速時鐘，降低功耗，待到定時時間到時MCU被喚醒，打開RF，采集完傳感器信息后將信息通過路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，發(fā)送完成后又關(guān)閉RF，進(jìn)入到休眠狀態(tài)。

以SIM800為核心的GPRS網(wǎng)關(guān)與ZigBee協(xié)調(diào)器連接較為簡單，直接利用串口相連即可。數(shù)據(jù)發(fā)送均可通過串口AT指令來完成，穩(wěn)定便捷。

3.3? 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計

系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件采用C#進(jìn)行開發(fā)，主要分為實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)記錄以及報警信息4個部分。在實(shí)時監(jiān)控界面中可以查看網(wǎng)絡(luò)中ZigBee節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，對在線的節(jié)點(diǎn)可以點(diǎn)擊查看其掛載的傳感器，并在圖表框中查看到實(shí)時的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù);在數(shù)據(jù)分析界面下可以對當(dāng)前的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表統(tǒng)計分析，設(shè)置不同的圖表結(jié)構(gòu);在數(shù)據(jù)記錄界面可以查看已存儲在數(shù)據(jù)庫的傳感器信息，并提供數(shù)據(jù)的導(dǎo)出服務(wù);在報警信息界面可以對不同節(jié)點(diǎn)傳感器的報警閾值進(jìn)行設(shè)置，并且能夠查看到最近24 h傳感器所觸發(fā)的報警信息。圖6為實(shí)時監(jiān)控界面的運(yùn)行效果圖。

4? 試驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)設(shè)計完成后進(jìn)行了試驗(yàn)測試，測試場地選擇沿河斜坡，并在測試場地進(jìn)行組網(wǎng)測試。共布置終端節(jié)點(diǎn)12個、路由器節(jié)點(diǎn)5個、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)1個以及1個GPRS網(wǎng)關(guān)。測試數(shù)據(jù)包括環(huán)境溫濕度、液位、加速度以及傾角值等。

考慮到山體滑坡監(jiān)測的特殊性，在試驗(yàn)時網(wǎng)關(guān)以6 s為周期上傳，遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)僅在用戶選定時顯示相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)，如用戶沒有選擇具體要顯示的信息則自動存儲在數(shù)據(jù)庫。為驗(yàn)證系統(tǒng)準(zhǔn)確性，選用商用液位計及手持式溫濕度測量儀作為測試工具，與系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。由于環(huán)境溫濕度信息與液位信息所得數(shù)據(jù)較為直觀，并具有參考對象，所以本文僅對這部分進(jìn)行分析。

4.1? 液位信息測試

在測試場地進(jìn)行打孔安裝液位傳感器，為驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，利用海源HY-136型一體液位變送器先測量孔內(nèi)的液位高度，并加水將液位提高到? ?1 m（以HY-136測量結(jié)果為準(zhǔn)），每隔10 min測量一次數(shù)據(jù)并分別記錄兩種設(shè)備測量值，兩種設(shè)備測量結(jié)果如圖7所示。從圖7中能夠看出，系統(tǒng)所選用的液位傳感器得到的值與HY-136型液位變送器所測結(jié)果基本一致，誤差在0.5%以內(nèi)，能夠滿足實(shí)際需求。

4.2? 空氣溫濕度參數(shù)測試

空氣溫濕度值作為常用的環(huán)境參數(shù)，其準(zhǔn)確性也不容忽視。為提供較好的比較，選擇工業(yè)用VC231溫濕度計在節(jié)點(diǎn)附件進(jìn)行溫濕度測量，間隔5 min測量一次與系統(tǒng)傳感器所得到的值進(jìn)行比較。圖8為兩種方法所得溫度值的對比曲線，圖9為兩種方法所得濕度值的對比曲線。通過曲線能夠得到系統(tǒng)傳感器所得到的溫濕度值與VC231溫濕度計所測結(jié)果基本一致，且變化趨勢相同。

5? 小結(jié)

基于WSN與MEMS器件山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)，創(chuàng)新地采用MEMS器件作為傾斜角的測量傳感器，在保證精度的基礎(chǔ)上大大降低了測量成本。利用ZigBee節(jié)點(diǎn)組建WSN網(wǎng)絡(luò)，搭配GPRS模塊作為網(wǎng)關(guān)，解決了測量面積大、部署困難以及所測區(qū)域偏遠(yuǎn)通信困難的問題，系統(tǒng)設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、報警提醒等多種功能，界面美觀實(shí)用。通過實(shí)驗(yàn)測試，系統(tǒng)各項(xiàng)傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定，誤差較小，能夠滿足山體滑坡監(jiān)控的實(shí)際需求，同時系統(tǒng)的解決方案能夠?yàn)槠渌h(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供參考。

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