基于无线传感器网络的边坡安全监测系统设计

李妍

摘要：在汛期，降雨引发的边坡滑坡的突发性地质灾害愈加频繁，为尽可能的避免或减少滑坡给人们生命财产造成重大损失，寻求能够对降雨型滑坡现场监测和安全预警的技术方法，成为目前迫切需要解决的问题。这里在已有滑坡监测系统的基础上，利用无线传感器网络和极限平衡分析方法，设计出了一种以数据采集、处理、存储、传输、分析、预警为一体的监测系统。

关键词：无线传感器网络 监测 安全预警

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）07-0174-02

1 引言

据国土资源部公布，2015年我国共发生地质灾害8224起，涉及28个省（区、市），死亡及伤亡人数较多，直接经济损失惨重。在这些地质灾害中，以滑坡和泥石流灾害发生的最多。我国十分重视对滑坡灾害的预警防护技术和方法的研究，投入了大量的人力物力。在2015年，全国共成功预报地灾452起，避免人员伤亡20465人，避免直接经济损失5.0亿元[1]。由此可见，对于滑坡的监测和预警不仅是必要的，且是完全可行的，采用科学合理的监测和预警方法，可防患于未然，尽可能避免或减少滑坡造成的重大损失。本文介绍了基于无线传感器网络的边坡安全监测系统设计，可对潜在滑坡实现多区域、无线、远程、实时监测。

2 边坡安全监测系统简介

边坡安全监测系统由数据采集终端、数据传输网络和远程信息监控中心三大部分组成。如图1所示。

降雨是边坡失稳主要诱因，同时导致孔隙水压力变化，因而这两个指标都是评价边坡稳定性的重要参数，数据采集终端包含雨量和渗压计传感器。数据传输网络由终端节点和协调器节点构成。协调器节点在网络中负责发起建立网络、管理和无线传输功能，这里采用星型拓扑结构。终端节点接收采集到的数据发送给协调器节点，协调器节点通过GPRS网络发送给与Internet相连的远程信息监测中心。远程监测中心由无限边坡稳定计算模型、数据库和显示界面组成，实现对降雨阈值、稳定系数的计算和对现场监测结果显示、存储和报警显示。

3 系统硬件组成

系统硬件主要包括传感器节点和汇聚节点两部分。

3.1 传感器节点硬件组成

传感器节点以微控制器MSP430F2618为核心，控制传感器实时数据采集，通过ZigBee模块与汇聚节点

进行无线通信。节点结构如图2所示。

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块、电源模块、存储模块、显示屏和一些接口电路组成。节点一般使用电池供电，但传感器进行数据采集时需耗能，电池供电无法满足需要，故选择太阳能供电。MSP430处理器通过串口读取传感器采集的数据，通过UART接口发送给ZigBee模块，实现数据无线传输。按键复位和JTAG接口用于单片机程序调试，EEPROM对数据进行存储。

3.1.1 处理器模块

MSP430F2618作为传感器节点的主控芯片[2]，需对传感器信息的处理和与CC2530连接。主要设计MSP430F2618芯片的外围电路，包括复位电路、参考电压电路、晶振电路、与CC2530芯片接口，RS485的接口，JTAG测试接口。

3.1.2 无线通信模块

通信模块要完成与MSP430和节点间通信，每个节点应具备网络接入和数据传递的功能，选用CC2530作为无线通信芯片[3-4]。 CC2530与MSP430F2618连接通过SPI口，MSP430F2618中STE、SIMO、SOMI、UCLK四个引脚与CC2530进行同步模式串口通信。其中SIMO和SOMI引脚是数据输入输出线，UCLK是共享时钟信号线，STE为器件选通信号引脚。当STE为低电平时，器件选通，SIMO和SOMI进行数据传输。

3.1.3 电源模块

电源模块为节点内各模块提供驱动能源，是保证系统高效稳定运行的关键。太阳能供电系统由太阳能电池板、蓄电池和控制器组成，输出电压为12V。系统需要提供12V、5V和3.3V电源，通过LM2596将12V转变成5V输出，通过AMS117-3.3将5V转变成3.3V。

3.2 汇聚节点硬件组成

汇聚节点连接传感器监测网络和外部网络，通过协议转换实现通信。汇聚节点的硬件组成与传感器节点相似，只是汇聚节点中MSP430F2618通过UART接口与GPRS模块的串口相连。GPRS模块选用BenQ的M23A，该模块带有GPRS移动数据以及GSM短消息功能。MSP430F2618与M23A连接，除自身电路外，只需将TXD脚与单片机的RXD1相连，RXD脚与单片机TXD1相连，通过发送AT指令控制GPRS模块完成数据传输功能。

4 系统软件设计

设计系统软件设计包括传感器节点程序、汇聚节点程序和上位机软件程序设计。系统整体软件功能设计如图3所示。

其中CC2530在IAR软件开发平台上，利用Z-Stack协议栈的程序实现组网和数据传输。GPRS模块根据AT指令集编写程序，控制整个数据传输流程。上位机程序在VS2010的.NET平台上实现Web应用服务器和Web浏览器的设计。设计SQL数据库，利用ADO.Net访问数据库。

5 结语

在滑坡灾害中，边坡安全监测系统扮演着重要角色，采用科学合理的监测和预警方法，可以防患于未然，尽可能将滑坡灾害带来的人员伤亡和直接经济损失减小到最低。本设计结合无线传感器网络技术和数据库应用，使系统成本降低，布设更加灵活，监测数据实时性和准确性更高。

参考文献

[1]华政.国土资源部公布2015年全国地质灾害情况[N].中国气象报社，2016-01-05.

[2]洪利，章扬，李世宝.MSP430单片机原理与应用实例[M].北京：北京航天航空大学出版社，2010.

[3]彭力.无线传感器网络原理与应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.

[4]程霄.基于边坡监测系统的无线传感器网络关键技术研究[D].重庆：重庆大学，2014.