基于ＷＳＮ与ＭＥＭＳ器件的山体滑坡监测系统设计

王健 盛庆元

摘要：针对目前山体滑坡监测难度大、设备成本高、测量精度低、实时性差等问题，提出了WSN技术与MEMS器件在山体滑坡监测系统中的应用。采用低成本的MPU-9150（集成三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计）代替传统的倾角传感器，在保证精度的基础上，大大减小了传感器体积，便于安装施工;利用CC2530控制器组建ZigBee网络，将各传感器节点的数据进行汇总融合传递给GPRS网关，最终将数据送给远程监控中心。系统上位机能够对实时传感器信息进行分析、处理和存储，能够显示各节点的空气温湿度信息、降雨量、不同深度土壤倾斜角、加速度等基础信息，还能够为不同参数设置报警阈值，操作简单便捷。应用结果表明，基于WSN与MEMS器件的山体滑坡监测系统具有易于扩展、覆盖范围广、节点生存周期长等特点，有较强的实用价值。

关键词：WSN;ZigBee;GPRS;山体滑坡

中图分类号：TP277         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）21-0138-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.21.036           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Design of Landslide Monitoring System Based on WSN and MEMS Devices

WANG Jian，SHENG Qing-yuan

（Shaoxing Vocational & Technical College，Shaoxing 312000，Zhejiang，China）

Abstract： In view of the difficulties in monitoring the current landslide， the high cost of equipment， low measurement accuracy and poor real-time performance， the application of WSN technology and MEMS devices in landslide monitoring system is put forward. Using low-cost MPU-9150（integrated three axis gyroscope， triaxial accelerometer and triaxial magnetometer） instead of traditional tilt sensor， it greatly reduces the volume of the sensor and facilitates the installation and construction on the basis of ensuring the accuracy; Meanwhile， ZigBee network is established with CC2530 controller， it integrates the data of each sensor node into the GPRS gateway. And finally the data is sent to the remote monitoring center. Computer system can analyze， process and store real-time sensor information， and it can show the information of air temperature and humidity of each node， rainfall， soil inclination angle， acceleration and other basic information of different depths. At the same time， the alarm threshold can be set for different parameters， the operation is simple and convenient. The application shows that the landslide monitoring system based on WSN and MEMS devices has the characteristics of easy expansion， wide coverage and long life cycle of nodes. It has strong practical value.

Key words： WSN; ZigBee; GPRS; landslide

山體滑坡是中国较为常见的地质灾害之一，严重威胁着山区人民的生命财产安全，一旦发生就会严重阻碍人民的正常生产生活，造成巨大的人员伤亡和财产损失[1]。近年来，中国对于山体滑坡的监测力度逐步加大，监测手段也逐步增多，常用的监测方法有卫星遥感监测法、近景取景摄影法、GPS以及GIS等多种方式，但是这些方法都具有成本高、实时性差、覆盖面受限等问题，远不能满足现实监测需要。

山体滑坡的主要诱因有地震、降雨和融雪、地表水的冲刷、浸泡以及不合理的人类工程活动等，要想较好地预防和监测山体滑坡情况就需要实时获取待测区域的环境温湿度信息、降雨量、地下水位以及各层土壤的倾斜角度。基于测量的实际需求，并充分借鉴了传统测量方法，本文提出了一种基于WSN（Wireless Sensor Network）和MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）器件的山体滑坡监测系统[2，3]，利用CC2530控制器搭建无线传感器网络，传感器节点利用MEMS器件获取各层土壤的倾斜角度[4];利用雨量计得到该点的降雨量;搭配温湿度传感器获取该点的环境温湿度，采集完成后将信息发送到ZigBee协调器[5，6]，通过GPRS模块将数据发送到远程控制中心[7]，从而实现对滑坡的实时监测[8]。

1  系统总体设计

山体滑坡监测系统由WSN监测网络、通信网关以及监控终端三部分组成。其中WSN监测网络使用ZigBee网络进行通信;网关部分主要由GPRS模块构成，ZigBee网络的协调器节点与GPRS网络模块通过串口连接[9];系统监控终端主要由上位机监控软件组成，通过监控终端能够实时查询WSN各节点的传感器信息[10]。

系统整体框图如图1所示。系统运行过程如下：由于山体滑坡监测具有范围广、节点多、实时性强等特点，所以系统设计利用ZigBee节点组成WSN网络覆盖整个待测区域[11]。如图1所示，ZigBee节点可以分为终端节点、路由器节点以及协调器节点，终端节点实时采集山体不同深度土壤的位移值和加速度值、节点所在位置的降雨量、温湿度值等信息[12，13]，并将测量信息经路由器节点转发到协调器节点，协调器节点通过串口与GPRS网关模块进行连接，网关最后通过GPRS网络将测量信息传递给远端的监控终端。系统监控终端可以提供直观的数据显示存储、节点切换、数据分析以及预警值设置等服务。

2  系统硬件设计

系统硬件设计主要包括ZigBee节点设计、网关设计、传感器模组以及电源设计[14]。由于ZigBee网络是系统工作的基础，所以ZigBee节点的设计至关重要，虽然ZigBee节点可以分为协调器、路由器以及终端节点，但是其核心硬件基本一致，仅在接口部分存在细微差异。此外，由于山体滑坡监测的特殊性，在传感器设计时也要充分考虑其防水与安装因素[15]。由于系统待测区域为野外容易发生山体滑坡区域，所以系统的传感器模组、ZigBee终端节点、ZigBee路由节点采用电池供电，ZigBee协调器与GPRS网关采用5 V直流电源供电。

2.1  ZigBee节点设计

系统采用低功耗CC2530芯片作为ZigBee节点的主控器，虽然系统所涉及的节点有协调器、路由器以及终端节点3种，但是3种节点硬件基本一致，仅终端节点需要外置一些传感器接口。CC2530芯片作为TI（德州仪器）公司低功耗的典型代表，其内置一个增强型8051单片机，具有18个中断源、8路ADC以及丰富的I/O口，完全能够满足系统设计需求。特别是该单片机通过不同工作模式的合理设置，在两节5号电池驱动下可以工作2～3年[16]。

系统所设计CC2530核心板电路图如图2所示，CC2530核心板上连接了32 MHz与32.768 kHz 2个晶振，能够满足系统在不同工作模式下的需求。通过电路图可知，核心板电路较为简洁，外围器件较少，模块体积可设计得较小，为部署带来较大便利。

2.2  传感器模组设计

系统要采集的环境信息有空气温湿度信息、降雨量、山体不同深度的土壤、岩层的倾斜角、加速度等，由于系统设计的ZigBee终端节点的接口较为丰富，能够满足不同模拟、数字传感器的接入，为传感器选型带来了极大的便利。

地下水位深度是监测山体滑坡的重要指标，因此水位深度测量是传感器模组设计的重要部分，水位傳感器在具体安装时需要现场打孔，并在孔洞最下方进行部署，能够实时监测孔洞下方的液位变化。为保证液位测量的准确性，系统选取投入式液位传感器SIN-P260，其测量范围为0～10 m，测量精度为0.5%左右，输出信号为4～20 mA电流信号，通过采样电阻即可以转换为0～3.3 V电压信号直接与单片机AD端口连接。

为测量不同层次土壤与岩层的倾斜角与加速度，系统利用MEMS器件（MPU-9150）来代替传统的倾角传感器，在保持测量精度的基础上，能够大大减小传感器的体积，便于安装实施。MPU9250是一款9轴运动跟踪装置，它在小小的3 mm×3 mm×1 mm的封装中融合了3轴加速度，3轴陀螺仪以及数字运动处理器（DMP）并且兼容 MPU6515。MPU-9150提供I2C和SPI两种总线通信方式，系统在具体使用时，为节省成本同一总线上需要挂载多个设备，MPU-9150的I2C总线最多只支持挂载两个设备，不能够满足具体需求。MPU9250的SPI有4根线（CS，SDO，SCLK，SDI），2根作为控制线，2根作为数据线，MPU9250作为SPI Slave角色，可以在同一个总线上挂载多个MPU9250，能够实现不同深度土壤、岩层的倾斜与位移监测，简单便捷。图3为CC2530与MPU9250通过SPI总线连接的图示。

由于降雨的地域覆盖面较广，在对待测区域进行降雨量测量时，不需要每个节点都布置雨量计，仅需在整个待测区域平均布置即可。系统选取的雨量计为常规翻斗式雨量计，其测量范围≤4 mm/min，测量误差在4%左右，输出信号同样是4～20 mA电流信号，经过采样电阻即可转换为0～3.3 V电压信号。

在低功耗要求下，系统的环境温湿度传感器选用TI公司的HDC1050型数字温湿度传感器，它能够以极低的功耗实现出色的测量精度，能适应较宽的电压范围，工作电压低至2.7 V。

系统传感器模组与主控芯片连接框图如图4所示。

2.3  GPRS网关

GPRS网关主要实现与ZigBee协调器进行数据交互，将ZigBee网络采集的传感器信息传递给远程监控平台。系统选择了SIMCOM公司的工业级四频芯片SIM800设计了GPRS网关模块，可以低功耗实现语音、数据以及传真等信息传输。此模块使用简单便捷，通过串口与CC2530连接，使用AT指令就能够对模块进行编程，经测试该模块通信较为稳定。

3  系统软件设计

系统软件设计主要包括CC2530程序开发和上位机监控软件两部分。其中CC2530程序开发还包括传感器信息采集程序和ZigBee组网程序，CC2530程序开发主要在IAR平台上进行。系统上位机监控软件利用C#进行开发，数据库使用SQL Server进行维护管理，具有较强的可迁移性和可扩展性，为系统的后续扩展开发提供了基础。

3.1  传感器信息采集程序设计

传感器信息采集是实现系统功能最为重要的部分，由上文可知系统所使用的传感器种类较多，涉及液位、温湿度、角度、加速度以及降雨量等多种环境信息，其中液位传感器以及降雨量传感器是利用AD（模数转换）连接的，两种传感器返回的均是4～20 mA电流信号，经过采样电阻后转换成0～3.3 V的电压接入单片机管脚。由于两路信号的模拟量需要同时进行采集，所以设置CC2530进行序列ADC转换，可以通过将两个传感器的模拟量信号转换成数字信息，并能够把结果通过DMA传送到存储器，而不需要CPU任何参与。通过序列转换的方式能够在保证ADC转换效率的同时减少CPU资源的消耗，在一定程度上降低了系统功耗。

由于MPU9250内部实际集成的是一个MPU6500和一个三轴磁力计AK8963。虽然MPU6500支持SPI通信，但是AK8963仅支持I2C读写，所以单片机读取磁力计的数据首先要通过MPU9250内部自带的I2C将磁力计数据读取暂存，再通过SPI总线将数据传给单片机。利用MEMS器件得到最终的姿态信息，首先要获取MPU9250器件的九轴数据，然后对原始数据进行滤波去噪，使数据变得准确，接着利用四元数对姿态进行解算，最后利用卡尔曼滤波算法对数据进行融合，得到姿态信息，具体过程如图5所示。

3.2  ZigBee网络程序设计

系统中ZigBee网络是构建WSN网络的基础，系统的ZigBee节点可以分为协调器、路由器以及终端节点。终端节点负责采集传感器信息、路由节点负责接收转发、协调器节点负责汇总信息并通过网关将数据统一发送出去，3种类型的节点均搭载ZigBee协议栈，由于ZigBee网络具有自组织、多跳的特性，所以组网简单方便。

在具体部署时，为节约能源提高节点生存周期，ZigBee终端节点将采用定时唤醒模式进行工作，此模式下节点具有两种工作状态，一种为休眠模式，另外一种为唤醒模式。在休眠模式下节点仅保留低速时钟，降低功耗，待到定时时间到时MCU被唤醒，打开RF，采集完传感器信息后将信息通过路由节点发送到协调器，发送完成后又关闭RF，进入到休眠状态。

以SIM800为核心的GPRS网关与ZigBee协调器连接较为简单，直接利用串口相连即可。数据发送均可通过串口AT指令来完成，稳定便捷。

3.3  远程监控软件设计

系统远程监控软件采用C#进行开发，主要分为实时监控、数据分析、数据记录以及报警信息4个部分。在实时监控界面中可以查看网络中ZigBee节点的状态，对在线的节点可以点击查看其挂载的传感器，并在图表框中查看到实时的传感器监测数据;在数据分析界面下可以对当前的数据进行图表统计分析，设置不同的图表结构;在数据记录界面可以查看已存储在数据库的传感器信息，并提供数据的导出服务;在报警信息界面可以对不同节点传感器的报警阈值进行设置，并且能够查看到最近24 h传感器所触发的报警信息。图6为实时监控界面的運行效果图。

4  试验结果与分析

系统设计完成后进行了试验测试，测试场地选择沿河斜坡，并在测试场地进行组网测试。共布置终端节点12个、路由器节点5个、协调器节点1个以及1个GPRS网关。测试数据包括环境温湿度、液位、加速度以及倾角值等。

考虑到山体滑坡监测的特殊性，在试验时网关以6 s为周期上传，远程监控上位机仅在用户选定时显示相应的测试数据，如用户没有选择具体要显示的信息则自动存储在数据库。为验证系统准确性，选用商用液位计及手持式温湿度测量仪作为测试工具，与系统所测数据进行对比。由于环境温湿度信息与液位信息所得数据较为直观，并具有参考对象，所以本文仅对这部分进行分析。

4.1  液位信息测试

在测试场地进行打孔安装液位传感器，为验证系统的准确性，利用海源HY-136型一体液位变送器先测量孔内的液位高度，并加水将液位提高到   1 m（以HY-136测量结果为准），每隔10 min测量一次数据并分别记录两种设备测量值，两种设备测量结果如图7所示。从图7中能够看出，系统所选用的液位传感器得到的值与HY-136型液位变送器所测结果基本一致，误差在0.5%以内，能够满足实际需求。

4.2  空气温湿度参数测试

空气温湿度值作为常用的环境参数，其准确性也不容忽视。为提供较好的比较，选择工业用VC231温湿度计在节点附件进行温湿度测量，间隔5 min测量一次与系统传感器所得到的值进行比较。图8为两种方法所得温度值的对比曲线，图9为两种方法所得湿度值的对比曲线。通过曲线能够得到系统传感器所得到的温湿度值与VC231温湿度计所测结果基本一致，且变化趋势相同。

5  小结

基于WSN与MEMS器件山体滑坡监测系统，创新地采用MEMS器件作为倾斜角的测量传感器，在保证精度的基础上大大降低了测量成本。利用ZigBee节点组建WSN网络，搭配GPRS模块作为网关，解决了测量面积大、部署困难以及所测区域偏远通信困难的问题，系统设计的远程监控上位机能够实现实时监测、数据分析、数据存储、报警提醒等多种功能，界面美观实用。通过实验测试，系统各项传感器数据准确稳定，误差较小，能够满足山体滑坡监控的实际需求，同时系统的解决方案能够为其他远程环境监测系统提供参考。

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