基于無(wú)線技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

摘 要：為了降低山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害對(duì)鐵路運(yùn)行的安全危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了利用zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)的山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括了激光傳感器無(wú)線數(shù)據(jù)采集終端層、無(wú)線數(shù)據(jù)匯聚層、4G傳輸網(wǎng)絡(luò)層和地面監(jiān)控中心。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)主要包括了主控CC2530電路連接設(shè)計(jì)、激光測(cè)距傳感器電路連接設(shè)計(jì)和RS484通信總線電路連接設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件主要包括了協(xié)調(diào)器軟件流程、終端節(jié)點(diǎn)軟件流程和Modbus RTU數(shù)據(jù)包格式設(shè)計(jì)。系統(tǒng)測(cè)試表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署在70m之內(nèi)，系統(tǒng)丟包率可以控制在5%以內(nèi)進(jìn)行平穩(wěn)運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：終端節(jié)點(diǎn)；激光傳感器；協(xié)調(diào)器；監(jiān)測(cè)預(yù)警

山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)采用了zibgee傳感網(wǎng)與4G網(wǎng)絡(luò)組成無(wú)線傳輸，完成通信網(wǎng)絡(luò)的搭建。采用激光傳感器實(shí)現(xiàn)山體滑坡位移數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與上傳，通過(guò)zigbee終端節(jié)點(diǎn)與zigbee協(xié)調(diào)器完成zigbee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)?shù)孛姹O(jiān)控中心上位機(jī)完成傳感數(shù)據(jù)包的接收、分析處理與顯示后，將處理結(jié)果與預(yù)設(shè)山體滑坡預(yù)警閾值進(jìn)行對(duì)比后，得出地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等級(jí)并完成預(yù)警信號(hào)的提示功能。

一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

（一）預(yù)警系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)了：（1）數(shù)據(jù)采集終端：每個(gè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)點(diǎn)部署數(shù)個(gè)激光傳感器，用于實(shí)時(shí)完成山體滑坡地表位移量的數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)根據(jù)位移量情況來(lái)判斷滑坡預(yù)警等級(jí)。（2）數(shù)據(jù)匯聚終端：激光傳感器將所采集數(shù)據(jù)利用Zigbee網(wǎng)絡(luò)通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)匯聚傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。（3）4G無(wú)線傳輸：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將收到的實(shí)時(shí)傳感采集數(shù)據(jù)通過(guò)RS485接口和4G模塊完成傳輸網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，最終將傳感采集數(shù)據(jù)包傳輸至監(jiān)控中心。（4）監(jiān)控中心：監(jiān)控中心將傳感數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析處理、實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)后，根據(jù)滑坡位移值來(lái)判斷聲光預(yù)警等級(jí)。

（二）ZigBee終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)主要包括了激光傳感器、組網(wǎng)指示燈、CH340G（USB轉(zhuǎn)TTL）、RF天線電路和系統(tǒng)復(fù)位電路。該節(jié)點(diǎn)電路只負(fù)責(zé)傳感數(shù)據(jù)采集和無(wú)線zigbee通信功能。當(dāng)鐵路沿線出現(xiàn)山體滑坡時(shí)，激光傳感器可以采集到滑坡位移數(shù)據(jù)。當(dāng)每個(gè)采集周期結(jié)束后，終端節(jié)點(diǎn)將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行打包通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至zigbee匯聚節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器上。

（三）Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的匯聚層主要由終端協(xié)調(diào)器和4G通信模塊組成，該層主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)控制指令的上傳下發(fā)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與維護(hù)，同時(shí)協(xié)助系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集層與監(jiān)控中心之間數(shù)據(jù)傳輸樞紐功能[7]。協(xié)調(diào)器的電路結(jié)構(gòu)主要包括了復(fù)位電路、電源模塊、CH340G（USB轉(zhuǎn)TTL）、RF天線和組網(wǎng)指示燈等。

二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

（一）CC2530電路連接設(shè)計(jì)

為了系統(tǒng)更加適應(yīng)野外環(huán)境，主控制器采用了高通公司CC2530芯片，它具備了功耗低、抗干擾和靈敏度高等特點(diǎn)。CC2530主要高度集成了RF信號(hào)收發(fā)裝置、高性能8051MCU、16KB存儲(chǔ)和USART接口等。

（二）激光傳感器電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集單元采用了具備位移測(cè)距功能的L2S型號(hào)傳感器，傳感器與zigbee終端節(jié)點(diǎn)之間采用分布式部署方式。為了保障數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)鏈路采用了RS485總線互聯(lián)模式。

（三）RS485電路連接設(shè)計(jì)

RS485連接電路采用了友達(dá)光電的RS3485芯片，其中RO引腳連接主控芯片的P0_2/RX，RE引腳連接主控芯片的P0_7/EN，DE引腳連接主控芯片的P0_3/TX，P4引腳連接激光傳感器。為了適應(yīng)野外環(huán)境，RS485總線電路中引入了TVS、熱敏電阻和放電管組成了端口保護(hù)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）Zigbee協(xié)調(diào)器軟件流程設(shè)計(jì)

Zigbee協(xié)調(diào)器的主要功能是完成無(wú)線傳感網(wǎng)的創(chuàng)建與管理。無(wú)線傳感網(wǎng)建立完畢后，通過(guò)輪詢函數(shù)NLME_PermitJoiningRequest（）判斷節(jié)點(diǎn)是否符合加入zigbee網(wǎng)絡(luò)。若符合入網(wǎng)條件，提取傳感器的64為長(zhǎng)地址碼與16位短地址碼，通過(guò)廣播方式完成采集數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。若協(xié)調(diào)器需要接收傳感數(shù)據(jù)，則利用Sample_App_MessageMSGCBD（）函數(shù)完成轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的接收存儲(chǔ)功能。

（二）zigbee終端節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計(jì)

zigbee終端節(jié)點(diǎn)加入無(wú)線傳感網(wǎng)后，執(zhí)行osal_start_system（）輪詢函數(shù)。終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)數(shù)據(jù)采集指令下發(fā)至激光傳感器，通知傳感器完成滑坡位移數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)包上傳。若上位機(jī)發(fā)出控制指令，終端節(jié)點(diǎn)則執(zhí)行AF_DataRequest（）函數(shù)完成傳感數(shù)據(jù)包上傳。若上位機(jī)未發(fā)送控制指令，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠模式。當(dāng)上位機(jī)再次發(fā)送控制指令，則終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入喚醒模式繼續(xù)工作。

（三）Modbus RTU報(bào)文格式設(shè)計(jì)

Zigbee終端節(jié)點(diǎn)與激光傳感器之間實(shí)現(xiàn)了一對(duì)多的網(wǎng)絡(luò)連接，RS485總線模式之間采用了Modbus協(xié)議（終端查詢與傳感節(jié)點(diǎn)響應(yīng)）完成最終通信功能。終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)硬件地址匹配的采集指令周期性進(jìn)行傳感數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)包封裝成RTU格式后利用zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸至終端匯聚節(jié)點(diǎn)。每完成1個(gè)周期的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，Zigbee終端節(jié)點(diǎn)將所有數(shù)據(jù)打包，通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)與4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)解析處理與預(yù)警。

四、系統(tǒng)測(cè)試

為了最大程度的驗(yàn)證無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)性能，將通信設(shè)備安置在野外山坡樹林中。將1個(gè)Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)固定部署完成后，開啟zibgee終端節(jié)點(diǎn)和激光傳感器并實(shí)時(shí)移動(dòng)二者的位置。在不同測(cè)試距離位置完成100個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送任務(wù)。無(wú)線傳感網(wǎng)的性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1可知，在0-70m傳輸范圍內(nèi)系統(tǒng)丟包率在5%以內(nèi)。在110m-180m范圍之內(nèi)，系統(tǒng)丟包率在10%以上。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署中，終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的距離部署控制在70m以內(nèi)可以滿足通信要求。