我國(guó)的地質(zhì)災(zāi)害種類繁多，而且地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害分布范圍廣，突發(fā)性和破壞性非常強(qiáng)，因此對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，可以降低地質(zhì)災(zāi)害的危害性和破壞性，有效地減少和保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)。傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)手段已經(jīng)不能滿足當(dāng)前監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的要求，因此本文將傳感器技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,結(jié)合ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以32位高性能微處理器PIC32單片機(jī)作為協(xié)調(diào)器和數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和分布式管理,極大地提高了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    地質(zhì)災(zāi)害無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)控中心、GPRS網(wǎng)絡(luò)(或北斗衛(wèi)星)、協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示[1]。地質(zhì)災(zāi)害無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的任務(wù)主要是負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS或者北斗網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶蠖藬?shù)據(jù)監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)監(jiān)控中心通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)解析和分析來(lái)自動(dòng)判斷地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)所發(fā)生的情況，給監(jiān)測(cè)人員提供可靠的決策依據(jù)。

    地質(zhì)災(zāi)害無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端是傳感器節(jié)點(diǎn)，它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，主要包括雨量、位移、傾斜、含水率、泥水位等，傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)再將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器（或者是通過(guò)其他的路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器），協(xié)調(diào)器分別包含GPRS網(wǎng)絡(luò)或北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連接的模塊，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)或者北斗網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相互進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 PIC32MX795F512L簡(jiǎn)介
    PIC32MX795F512L是Microchip新推出的超低功耗32位單片機(jī)系列產(chǎn)品，該器件具有豐富的外設(shè)功能部件和增強(qiáng)的計(jì)算性能，它還為高性能應(yīng)用提供了新的移植選項(xiàng)，能夠在數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)空間之間傳送信息，最大512 KB(程序空間)和128 KB(數(shù)據(jù)空間)的線性尋址，具有一系列能在工作時(shí)顯著降低功耗的功能，主要包含動(dòng)態(tài)時(shí)鐘切換、休眠模式工作、基于指令的節(jié)能模式等。
2.2 ZigBee模塊
    ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。它的傳輸距離根據(jù)不用的通信環(huán)境而各有差異，傳輸距離大約在10 m～100 m之間，在增加功放以后傳輸距離可以達(dá)到1 km～3 km。ZigBee支持自組網(wǎng)模式，不同節(jié)點(diǎn)之間可以根據(jù)自身優(yōu)化算法自動(dòng)尋找相近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而且某些節(jié)點(diǎn)的丟失不會(huì)影響傳輸效率，不同節(jié)點(diǎn)之間可以重新尋找新的通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
    系統(tǒng)所用的ZigBee模塊是ST公司的STM32W108。 STM32W108是高性能的IEEE802.15.4無(wú)線片上系統(tǒng)，它集成了2.4 GHz 且IEEE802.15.4兼容的收發(fā)器，STM32W108內(nèi)置128 KB Flash和8 KB SRAM, 具有高性能、 低功耗的特點(diǎn)。
2.3 數(shù)據(jù)采集電路
    本設(shè)計(jì)采用的是ADS1256內(nèi)部集成的8通道24位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，支持片上采樣和保持功能，并支持掉電模式，在2.5 MHz的A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘下，最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到500 kS/s。地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的位移、含水率、泥水位、傾斜等數(shù)據(jù)都可以通過(guò)A/D采集電路傳送到PIC32單片機(jī)中。雨量傳感器可以產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，將脈沖信號(hào)送到PIC32MX795F512L的INT2，通過(guò)對(duì)中斷INT2編程進(jìn)而計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)的降雨量。
2.4 電源電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)電源模塊通過(guò)太陽(yáng)能供電方式解決。因?yàn)镻IC32MX795F512L、ADS1256以及每個(gè)傳感器所需電源不盡相同，分別需要3.3 V、5 V、12 V電源供電，所以要給不同部分分別供電。太陽(yáng)能電池板所采集到的太陽(yáng)能通過(guò)太陽(yáng)能控制盒給12 V電瓶充電，供雨量傳感器、傾斜傳感器和含水率傳感器使用；12 V電源經(jīng)LM2596S轉(zhuǎn)換為5 V電源供位移傳感器使用；5 V電源經(jīng)LM117-3.3轉(zhuǎn)換為3.3 V供PIC32MX795F512L、ADS1256和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)使用。
3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)
3.1 協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)
    協(xié)調(diào)器由數(shù)據(jù)處理模塊PIC32MX795F512L、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊STM32W108、GPRS模塊(或北斗模塊)、供電模塊組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。協(xié)調(diào)器主要完成ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立。協(xié)調(diào)器上電后，接收路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的請(qǐng)求和數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)路由器的入網(wǎng)管理和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的維護(hù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組織功能。當(dāng)接收到節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求后，協(xié)調(diào)器會(huì)分配網(wǎng)絡(luò)地址給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器同時(shí)包含GPRS模塊(或北斗模塊)，將接收到的現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)全部發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心[3]。

3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)
    傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，主要包括雨量傳感器、位移傳感器、傾斜傳感器、含水率傳感器、泥水位傳感器。數(shù)據(jù)采集部分采用Microchip公司的PIC32MX795F512L負(fù)責(zé)整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，它具有低功耗和低成本的特點(diǎn)，內(nèi)置8通道A/D轉(zhuǎn)換器，它可以對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中管理和控制，并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
3.3 路由器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)
    路由器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要起數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)作用，完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)發(fā)功能。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信模塊選用TI公司的STM32W108，它負(fù)責(zé)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)功能設(shè)計(jì)要求，地質(zhì)災(zāi)害無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)分別包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)以及傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要參考Tiny OS操作系統(tǒng)，確定地質(zhì)災(zāi)害無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于任務(wù)和硬件事件處理的并發(fā)模型，每個(gè)任務(wù)之間的優(yōu)先級(jí)不同，按照相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)先后來(lái)執(zhí)行各個(gè)任務(wù)，這樣可以減輕任務(wù)量，降低系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜度，各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)模塊化編程，通過(guò)操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間的合理分配和調(diào)度工作，較好地完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)的并行管理控制。因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是太陽(yáng)能供電模式，功耗問(wèn)題要重點(diǎn)考慮，所以地質(zhì)災(zāi)害無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用定時(shí)喚醒的模式來(lái)管理各級(jí)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)需要采集地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，由數(shù)據(jù)監(jiān)控中心下發(fā)命令到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)逐級(jí)喚醒各個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)，開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送[4]。
4.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)
    協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)各功能模塊上電初始化后，首先要建立無(wú)線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)偵測(cè)是否有路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)出入網(wǎng)請(qǐng)求，如有則判斷路由器節(jié)點(diǎn)地址并將其加入到剛建立的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。協(xié)調(diào)器的主要任務(wù)是建立ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，接收路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS模塊或者是北斗衛(wèi)星將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。協(xié)調(diào)器需要實(shí)時(shí)監(jiān)控ZigBee網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心保持實(shí)時(shí)連接狀態(tài)，隨時(shí)等待監(jiān)控中心下發(fā)命令來(lái)判斷是否發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。當(dāng)收到發(fā)送數(shù)據(jù)命令時(shí)就會(huì)喚醒路由器節(jié)點(diǎn)， 將路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心[5]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖5所示。

4.2 傳感器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)
    傳感器節(jié)點(diǎn)上電后，完成PIC32MX795F512L軟硬件初始化，PIC32MX795F512L通過(guò)加載SPI驅(qū)動(dòng)來(lái)完成對(duì)無(wú)線通信模塊STM32W108的初始化，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)之間以及中心節(jié)點(diǎn)之間會(huì)完成ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)[6]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)以簇狀樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)架構(gòu)，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間自動(dòng)選擇最優(yōu)傳輸路徑，簇成員節(jié)點(diǎn)采集到的雨量、位移、傾斜含水率、泥水位等數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簇首節(jié)點(diǎn)將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，融合后經(jīng)路由器將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)以最優(yōu)、最短、最快方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖6所示。

4.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)
    遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件作為主要的數(shù)據(jù)接收、分析和處理平臺(tái)，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)接收程序來(lái)接收無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器從現(xiàn)場(chǎng)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心需要把接收到的采集數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server中，這樣數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢和實(shí)時(shí)查看。可以在監(jiān)控軟件中設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警值，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)某一點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)警值時(shí)就會(huì)發(fā)出報(bào)警消息，引起監(jiān)測(cè)人員的注意。
    本文以低功耗單片機(jī)PIC32作為硬件基礎(chǔ)，采用ZigBee無(wú)線傳感器技術(shù)，通過(guò)無(wú)線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、存儲(chǔ)、查詢等操作，可以通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心直觀分析地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)信息，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，維護(hù)方便，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
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