我國的地質(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，因此對地質(zhì)災(zāi)害進行實時在線監(jiān)測，可以降低地質(zhì)災(zāi)害的危害性和破壞性，有效地減少和保護人民生命財產(chǎn)。傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測手段已經(jīng)不能滿足當(dāng)前監(jiān)測技術(shù)手段的要求，因此本文將傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中,結(jié)合ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以32位高性能微處理器PIC32單片機作為協(xié)調(diào)器和數(shù)據(jù)采集器，實現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點的數(shù)據(jù)實時采集和分布式管理,極大地提高了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的實時性和可靠性。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    地質(zhì)災(zāi)害無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(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)點及傳感器節(jié)點，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示[1]。地質(zhì)災(zāi)害無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的任務(wù)主要是負責(zé)實時監(jiān)控地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過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)控中心通過一系列的數(shù)據(jù)解析和分析來自動判斷地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場所發(fā)生的情況，給監(jiān)測人員提供可靠的決策依據(jù)。

    地質(zhì)災(zāi)害無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的前端是傳感器節(jié)點，它負責(zé)實時采集地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場數(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)點將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器節(jié)點，路由器節(jié)點再將現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器（或者是通過其他的路由器節(jié)點轉(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GPRS網(wǎng)絡(luò)或者北斗網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)實時發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點以及協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)相互進行數(shù)據(jù)傳輸[2]。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
2.1 PIC32MX795F512L簡介
    PIC32MX795F512L是Microchip新推出的超低功耗32位單片機系列產(chǎn)品，該器件具有豐富的外設(shè)功能部件和增強的計算性能，它還為高性能應(yīng)用提供了新的移植選項，能夠在數(shù)據(jù)和存儲空間之間傳送信息，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顯著降低功耗的功能，主要包含動態(tài)時鐘切換、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)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，其特點是近距離、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到1 km～3 km。ZigBee支持自組網(wǎng)模式，不同節(jié)點之間可以根據(jù)自身優(yōu)化算法自動尋找相近的節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，而且某些節(jié)點的丟失不會影響傳輸效率，不同節(jié)點之間可以重新尋找新的通信鏈路進行數(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。
2.3 數(shù)據(jù)采集電路
    本設(shè)計采用的是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)換器時鐘下，最大轉(zhuǎn)換速率可達到500 kS/s。地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場的位移、含水率、泥水位、傾斜等數(shù)據(jù)都可以通過A/D采集電路傳送到PIC32單片機中。雨量傳感器可以產(chǎn)生一個脈沖信號，將脈沖信號送到PIC32MX795F512L的INT2，通過對中斷INT2編程進而計算出單位時間內(nèi)的降雨量。
2.4 電源電路設(shè)計
    系統(tǒng)電源模塊通過太陽能供電方式解決。因為PIC32MX795F512L、ADS1256以及每個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。太陽能電池板所采集到的太陽能通過太陽能控制盒給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和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點使用。
3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)
3.1 協(xié)調(diào)器實現(xiàn)
    協(xié)調(diào)器由數(shù)據(jù)處理模塊PIC32MX795F512L、無線網(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)點結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。協(xié)調(diào)器主要完成ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立。協(xié)調(diào)器上電后，接收路由器節(jié)點發(fā)送過來的請求和數(shù)據(jù)，負責(zé)路由器的入網(wǎng)管理和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的維護，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組織功能。當(dāng)接收到節(jié)點網(wǎng)絡(luò)請求后，協(xié)調(diào)器會分配網(wǎng)絡(luò)地址給請求節(jié)點。協(xié)調(diào)器同時包含GPRS模塊(或北斗模塊)，將接收到的現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)全部發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心[3]。

3.2 傳感器節(jié)點實現(xiàn)
    傳感器節(jié)點負責(zé)采集地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場數(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負責(zé)整個傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集，它具有低功耗和低成本的特點，內(nèi)置8通道A/D轉(zhuǎn)換器，它可以對傳感器節(jié)點進行集中管理和控制，并將采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理和存儲。傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖3所示。
3.3 路由器節(jié)點實現(xiàn)
    路由器節(jié)點在整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要起數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)作用，完成各個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、轉(zhuǎn)發(fā)功能。無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊選用TI公司的STM32W108，它負責(zé)對傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。路由器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    根據(jù)功能設(shè)計要求，地質(zhì)災(zāi)害無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計分別包括協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計、路由器節(jié)點軟件設(shè)計以及傳感器節(jié)點軟件設(shè)計。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要參考Tiny OS操作系統(tǒng)，確定地質(zhì)災(zāi)害無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于任務(wù)和硬件事件處理的并發(fā)模型，每個任務(wù)之間的優(yōu)先級不同，按照相應(yīng)的優(yōu)先級先后來執(zhí)行各個任務(wù)，這樣可以減輕任務(wù)量，降低系統(tǒng)運行復(fù)雜度，各個節(jié)點實現(xiàn)模塊化編程，通過操作系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同節(jié)點之間的合理分配和調(diào)度工作，較好地完成各個節(jié)點的并行管理控制。因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點都是太陽能供電模式，功耗問題要重點考慮，所以地質(zhì)災(zāi)害無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用定時喚醒的模式來管理各級節(jié)點，當(dāng)需要采集地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)時，由數(shù)據(jù)監(jiān)控中心下發(fā)命令到協(xié)調(diào)器節(jié)點，然后協(xié)調(diào)器節(jié)點逐級喚醒各個路由器節(jié)點，開始現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送[4]。
4.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點的程序設(shè)計
    協(xié)調(diào)器節(jié)點各功能模塊上電初始化后，首先要建立無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)，實時偵測是否有路由器節(jié)點發(fā)出入網(wǎng)請求，如有則判斷路由器節(jié)點地址并將其加入到剛建立的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。協(xié)調(diào)器的主要任務(wù)是建立ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，接收路由器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，通過GPRS模塊或者是北斗衛(wèi)星將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。協(xié)調(diào)器需要實時監(jiān)控ZigBee網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心保持實時連接狀態(tài)，隨時等待監(jiān)控中心下發(fā)命令來判斷是否發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。當(dāng)收到發(fā)送數(shù)據(jù)命令時就會喚醒路由器節(jié)點， 將路由器節(jié)點發(fā)送過來的采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心[5]。協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程圖如圖5所示。

4.2 傳感器節(jié)點和路由器節(jié)點的程序設(shè)計
    傳感器節(jié)點上電后，完成PIC32MX795F512L軟硬件初始化，PIC32MX795F512L通過加載SPI驅(qū)動來完成對無線通信模塊STM32W108的初始化，各個傳感器節(jié)點與終端節(jié)點之間以及中心節(jié)點之間會完成ZigBee自動組網(wǎng)[6]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)以簇狀樹形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)架構(gòu)，在各個節(jié)點之間自動選擇最優(yōu)傳輸路徑，簇成員節(jié)點采集到的雨量、位移、傾斜含水率、泥水位等數(shù)據(jù)經(jīng)過簇首節(jié)點將相關(guān)數(shù)據(jù)進行融合，融合后經(jīng)路由器將傳感器節(jié)點采集的數(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。傳感器節(jié)點程序流程圖如圖6所示。

4.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件設(shè)計
    遠程數(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，通過Internet網(wǎng)絡(luò)接收程序來接收無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器從現(xiàn)場發(fā)送來的數(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SQL Server中，這樣數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢和實時查看。可以在監(jiān)控軟件中設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警值，當(dāng)現(xiàn)場某一點采集的數(shù)據(jù)超過預(yù)警值時就會發(fā)出報警消息，引起監(jiān)測人員的注意。
    本文以低功耗單片機PIC32作為硬件基礎(chǔ)，采用ZigBee無線傳感器技術(shù)，通過無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸，對數(shù)據(jù)進行分析、存儲、查詢等操作，可以通過遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心直觀分析地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場信息，實現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)采集和在線監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，維護方便，具有很強的實用價值。
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