一种地质灾害无线监测装置设计

李跃鹏，雷 霖

(成都大学 电子信息工程学院，四川 成都 610106)

0 引 言

我国是一个地质灾害多发的国家，滑坡、泥石流等地质灾害频繁发生，对人民的生命财产安全构成了严重的威胁［1］.目前，针对地质灾害易发、地质结构复杂地区，气象部门的监测往往停留在一个大的区域范围内，对具体的监测点缺乏针对性;而人为的监控效率低，已经不能满足对地质灾害的监测预报［2］.对此，本研究利用ZigBee 和GSM(Global System of Mobile Communication)技术来对某一个地区的山体环境进行监测，实现对山体的状态实时跟踪，随时掌握山体的位移、倾角的变化情况，以及监测点的温度湿度等环境状态信息，并通过数据传输到上位机端，该装置对于地质灾害的预警可起到积极的意义.

1 硬件设计

在装置的硬件设计上，设计方案采用CC2431模块为主控制器，CC2431 是一款集合有加强型8051 微控制器和ZigBee 通信的高性能低成本的TI芯片［3］，其数据分析处理能力完全能够满足节点数据采集的需要.无线监测节点的主要功能包括有采集监测区域环境的温度、湿度、倾角变化、节点位移变化等信息，其主要由传感器模块、电源模块、处理器模块和GSM 通信的MC37I 模块几个部分组成(见图1).

图1 无线监测装置设计框图

在本无线监测装置中，传感器负责采集环境的信息，经过信号处理电路处理以后送入到CC2431 中进行分析处理，CC2431 有21 个通用I/O 口，倾角模拟信号通过具有A/D 转换口进入控制器，超声波、温湿度信号通过数字I/O 口进入控制器，CC2431 与GSM 通信串口，这些数据不仅可以通过CC2431 外设射频电路发送出去，也可以用GSM 远程发送，当作路由终端装置时可去掉MC37I 模块.

1.1 传感器模块设计

在无线传感器网络的设计中，由于节点众多，因此在考虑系统性能的同时也要考虑降低节点的设计成本，满足整个系统的建设和维护.

温度传感器采用DS18B20，其电压范围为3.0 ～5.5 V，采用单线接口方式实现处理器与DS18B20 的双向通信，其温度范围在－55 ℃～+125 ℃，精度可达到0.0625 ℃，满足监测节点所处的环境要求［4］.

湿度传感器采用HS1101 型电容型传感器，其电容值随着湿度的变化而变化，相对湿度在0% ～100%RH 范围内;HS1101 是一种湿敏电容，将其应用在555 振荡电路，让电容的变化转化为频率的变化［5］.在CC2431 中，应用定时器1 来做1 s 的定时，同时通过频率信号产生外部中断.

倾角传感器采用MMA7361 三轴倾角加速度芯片，其能够同时监测3 个角度变化，每个轴随着角度的变化输出模拟电压信号，其工作电压范围为2.2～3.6 V，响应时间为0.5 ms，具有休眠控制功能，并拥有低功耗模式，工作温度在－40 ℃～+85 ℃，测量精度为800 mv/g，每个轴在－90° ～+90°范围内产生0.85 ～2.45 V 电压变化［6］.

节点位移变化采用US-100 超声波测距模块，可实现0.02 ～4.5 m 的非接触测距功能，其拥有2.4～5.5 V 的宽电压输入范围，静态功耗低于2 mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO、串口等多种通信方式，工作稳定可靠，工作温度范围在－20 ℃～+70 ℃.

传感器模块的电路设计图如图2 所示.

图2 传感器模块电路图

1.2 电源模块电路设计

电源模块主要为装置提供通用5 V 和3.3 V 的电压，电路设计如图3 所示.电路设计中，电压采用AMS1117 系列稳压芯片来控制，因MC37I 模块的电流必须大于2 A，电压的波动范围不能超过400 mV，故采用LM2596 系列来进行稳定电压的输出，其输出电流可以达到3 A，输入电压可达40 V.为了能够得到稳定的电压，在MC37I 电压接口放置大的电解电容，并提供瞬间大电流.图3 中BATTY 为2 个3.7 V 锂电池供电.

1.3 处理器和GSM 通信模块电路设计

图3 电源电路图

本装置的MCU 采用CC2431 芯片，它内置有加强型8051 控制器，工作效率是常规8051 的8 倍，并伴有AD 转换、DMA 存储、ZigBee 协议的射频收发、电源管理等功能，具有良好的收发灵敏度和抗干扰性能.

本装置节点中的GSM 通信模块为MC37I，其温度范围为－45 ℃～+80 ℃［7］，适合野外的恶劣环境，其拥有的2 个串口，可以同时实现AT 指令控制和GPRS 通讯，双排列252 接口可提高通信的稳定性和可靠性.MC37I 结合SIM 卡与CC2431 的串口相连接，天线接口共同实现信息的远程短信传输.当MC37I 上电以后，需给IGT 引脚提供大于200 ms 的低电平信号以启动模块，CC2431 通过串口来控制MC37I，进行AT 指令的控制［8］，SYNC 引脚外接LED，用以显示模块的运行状态.

处理器与GSM 通信模块电路设计图如图4 所示.

图4 MCU 与GSM 通信模块电路设计图

2 软件设计

本装置的节点需要自身定时或者有突发情况或接收到来至上位机采集命令的时候，对环境的信息值进行采集并传输，其中，突发情况通过接触性振动传感器来产生外部中断来判断.因此，本装置的软件设计流程如图5 所示.

图5 采集程序主流程图

本装置的软件设计基于ZigBee2006 协议栈编程.在程序设计中，倾斜角传感器的输出为模拟信号，故只需启动CC2431 的AD 转换功能，温湿度传感器和超声波传感器的输出均为数字信号和准数字信号，其中CC2431 的定时1 用于超声波信号的计时，定时器3 用于湿度传感器频率采集定时.在Zig-Bee 数据传输的过程中，系统通过Cluster-Tree +AODV 路由来实现组网通信.ZigBee 路由协议中，网络层的控制分组包括路由请求分组(RREQ)、路由应答分组(RREP)和路由出错分组(RERR)［9］.

在ZigBee 路由协议中，RN－ 节点需要发送分组到网络中的某个节点时，采用Cluster-Tree 路由发送分组.RN+节点需要发送分组到网络中的某个节点，当目标节点没有路由表的情况下，RN +节点发起建立路由表的过程.首先，源节点创建并向附近节点广播一个RREQ 分组，如果收到RREQ 的是一个RN-节点，则Cluster-Tree 路由转发此数据，如果收到RREQ 的节点是一个RN+，则根据RREQ 中的信息来建立相应的路由发现表条目和路由表条目(在路由表中建立一个指向RREQ 中的反向路由)并继续广播此分组.然后，数据反向传输汇集到源节点，并通过GSM 远程发送至上位监控端.

3 实 验

本无线监测试验装置为多功能复用装置，可独立作为数据采集装置，也可做传输中继和接收装置.当装置需要做数据终端时，将传感器接入到数据接口上，当需要实现ZigBee 与GSM 的网关转换时，接上MC37I 就可以实现从ZigBee 与GSM 网络协议转换.装置如图6 所示.

图6 无线监测装置示意图

在实验过程中，应用3 个以上该装置有效地进行组网和数据采集通信，通过串口将采集到的数据传输Visual Basic 6.0 设计的监控界面中动态显示出来，将历史数据记录在上位机数据库中生成动态曲线，系统从动态曲线中可以得出装置监测到的数据变化，如图7 所示.

图7 装置测试界面

对监测数据进行提取并做平滑处理，其动态曲线如图8 所示.从图8 可见，在1 ～12 d，本装置监测到的位移呈现出一种稳定变化的趋势;在12 ～15 d，装置监测的倾角与位移变化突然加大，此表明在这期间监测点周边环境变化明显;在15 d 以后，节点监测数据的变化再次趋于平缓.

图8 数据动态记录图

4 结 论

基于ZigBee 和GSM 通信技术设计了一种地质灾害无线监测装置，该装置在正常情况下处于休眠状态.当有中断请求时，节点被启动，并通过相应的程序发送数据给远程上位机端.在不同的环境下对监测节点进行测试，实验测试结果表明，本装置能够得到所需要的监测点环境参数值，并远程发送给控制中心上位机端，能够较好地实现监测的功能，在地质灾害预警中本装置可起到实际的作用.

［1］傅鹤林，周中，卜翠松，等.地质灾害预测预报国内外现状［J］.湘南学院学报，2006，27(2):43－47.

［2］马力，崔鹏，周国兵，等.地质气象灾害［M］.北京:气象出版社，2009.

［3］郭渊博.ZigBee 技术与应用——CC2430 设计、开发与实践［M］.北京:国防工业出版社，2010.

［4］常喜茂，孔英会，付小宁.C51 基础与应用举例［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［5］王学文，张志勇.传感器原理及应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2004.

［6］龙丘智能科技中心.龙丘MMA7361 模块V1.0 实用手册［EB/OL］.［2010－10－12］.http://www.lqist.cn.

［7］李明明，何通能.基于MC37I 的数传终端设计［J］.机电工程，2011，41(4):482－485.

［8］芦盛，李正岱.基于AT89S52 与GSM 的短消息收发系统［J］.山西农业大学学报，2009，29(5):461－465.

［9］李刚，陈俊杰，葛文涛.一种改进的Cluster-Tree 路由算法［J］.测控技术，2009，28(9):52－55.