基于MEMS+ZigBee 的地质灾害监测预警技术研究

陈 刚

（湖北省地质环境总站，武汉 430030）

我国是一个地质灾害频发的国家，每年因地质灾害都会带来巨大的人员财产损失，因此必须通过各种有效的技术手段来减少地质灾害的发生，提前做到预警预报，降低损失。常用的地质灾害监测包括人工定期全站仪监测、利用标桩位置变化的数值图像方法或者是利用卫星定位方式等多种方法，但是这些方法要么存在精度低、易受天气的影响，要么是存在监测动态性差、监测成本高等缺点，很多时候并不能大面积推广应用，因此有必要对现有的地质灾害监测技术进行改进[1-2]。

MEMS 是在微电子技术基础上发展而来的一种微机电系统，与其他传感器相比，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、智能和集成化程度高、适宜批量化生产等特点，如果能将其应用到地质灾害监测中，可以在提高监测自动化、可靠性的前提下，简化监测步骤[3-4]。ZigBee 是一种低速短距离传输的无线网上协议，与常见短距离通信技术（如Wi-Fi、Bluetooth、UWB）相比，有效传输距离最远，功耗最低，成本最低，且体积更小，组网更便捷，如果将其应用到地质灾害监测中，不仅可以降低监测成本，而且可以提高数据传输的安全性和可靠性[5-6]。

鉴于MEMS 和ZigBee 的技术优越性，本文利用MEMS 和ZigBee 构建地质灾害监测预警系统，可为地质灾害监测预警技术提供新的思路和方法。

1 MEMS 和ZigBee 基础理论

1.1 MEMS 技术

微机械与电子集成系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）受集成电路的启发发展而来，是一系列尺寸在毫米级别甚至以下的电子机械装置，以硅为主要材料，具有微型化、可批量生产、集成化、性能优良、方便扩展、多学科交叉等特点，在汽车、消费电子、航空航天、生物医疗等领域得到广泛应用。典型MEMS 主要由传感器、信息处理单元、执行器以及通讯/接口单元组成，可实现对光、电、声音、温湿度、压力等参数进行感知和监测，结构组成如图1 所示。

图1 典型MEMS 结构示意Fig.1 Schematic diagram of typical MEMS structure

1.2 ZigBee 技术

ZigBee 是一项新型无线通信技术，特别适用于传输范围短、数据传输速率低的电子元器件设备的相互联系，具有低耗能、低成本、短时延、高容量、简单便捷、可靠安全、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑等优点。ZigBee 网络协议自上而下划分为应用层（APL）、应用支持子层（APS）、网络层（NWK）、介质访问控制层（MAC）和物理层，网络拓扑结构分为星型、簇树型和网型三类。ZigBee 现已在仓储物流系统、智能家居领域得到广泛应用。

2 监测预警系统设计

2.1 总体结构

监测预警系统由MEMS 加速度传感器模块、液位传感器模块、GPS 模块、MCU 主控制模块、ZigBee无线传感网络模块和上位机组成[7-8]，结构组成如图2 所示。MEMS 加速度传感器体积小、精度高、集成度好、排布方便、适应野外的各种环境，主要负责对位移、角度、温湿度等进行数据采集，MEMS 加速度传感器采用SPI 方式与主控制器进行通信；ZigBee无线传感网络模块的主要作用是将采集到的数据传输至协调器节点，并接收协调器的指令信号，GPS模块主要目的是实现高精度的同步采集功能，Zig-Bee 无线传感网络模块和GPS 模块均通过UART通信方式进行传输；上位机与ZigBee 无线传感网络模块之间也通过UART 通信方式进行数据的相互传输。

图2 监测预警系统结构设计Fig.2 Structural design of monitoring and early warning system

2.2 数据采集模块

数据采集模块即是指以MEMS 加速度传感器为主要设备的数据采集装置，该装置是一种微型惯性传感器，集成了加速度计和陀螺仪，可以对加速度和偏转角度进行精确测量，然后再通过积分变换计算得到对应的位移变形和速度信息。在本系统中，采用MPU-6050 型MEMS 加速度传感器，该型号传感器包括6 轴处理芯片和3 轴加速度计与陀螺仪，加速度计可探测-16 g～16 g 的加速度，陀螺仪可探测-2000 dps～2000 dps。MPU-6050 通过MCU主控单元的I2C 接口进行控制，与SCL 和SDA 进行连接，分别为时钟线和数据线，能够实现对芯片数据的读取和写入。MPU-6050 型MEMS 加速度传感器如图3 所示。

图3 MPU-6050 型MEMS 加速度传感器Fig.3 MPU-6050 MEMS acceleration sensor

2.3 ZigBee 无线通信模块

当前能够生产ZigBee 芯片的厂商主要有Chipcon、Ember、Jennic、Microchip 4 家，考虑到地质灾害监测要求的精度和数据传输的稳定性要求，同时尽量降低预警监测成本，本系统选用Chipcon 公司生产的CC2530 作为ZigBee 传感网络模块的处理器，芯片集成了标准RF 收发器（2.4 GHz）和DSSS射频调制模式，采用UART 串口进行通信，使用簇树型网络拓扑结构，可支持8 种常用的波特率，最大可实现3300 Bps 的传输速度，接收灵敏度达到了±97 dBm，在点对点模式下的误比特率为0，在广播模式下的误比特率为5%。CC2530 结构示意如图4 所示。

图4 CC2530 结构示意Fig.4 Structure diagram of CC2530

图5 监测系统软件操作界面示意Fig.5 Schematic diagram of monitoring system software operation interface

2.4 温湿度和GPRS 模块

系统温湿度模块选用AM2301 型温湿度传感器，供电电压为3.3～5.2 V，分辨率为0.1%RH，湿度测量精度为±3%RH，衰减值<0.1 RH/y，湿度测量范围为0～99.9%RH，采样间隔周期为2 s。GPRS 模块主要负责现场与远程控制中心的数据传递，考虑到系统对数据传输的可靠性和实时性要求，选用SIM900A 作为GPRS 模块的主要硬件，可支持850 MHz、900 MHz、1800 MHz 和1900 MHz 4 个频段，正常工作电压3.3 V～5.5 V，正常工作电流值20 mA（在睡眠模式下的工作电流仅为3 mA），可以支持在-30℃～+85℃的环境下正常工作。

2.5 电源模块

由于监测系统采用了CC2530 核心处理器，而且各个模块均为低功耗设备，因此系统对于电量的需求不是很大，为了适应长时间的监测工作，系统采用了蓄电池+太阳能电池的复合供电模式，当光照充足时，系统由太阳能电池板供电，当光照不足时，系统转由蓄电池供电。在电源模块中，还需要将太阳能供电电压通过LM2575 降压控制器将电压先降为5 V，再通过AS1117 降压集成模块将电压从5 V 降至3 V，从而保证为CC2530 提供正常的工作电压。

3 软件方案设计

监测系统软件主要分为两大部分：一是上位机监测平台软件设计，主要包括数据的显示与保存、数据处理、历史数据查询以及设置阈值等功能；二是下位机中的传感器和网络节点软件设计，传感器软件包括位移倾角信息采集和温湿度信息采集，网络节点软件设计包括组建网络和与上位机通信。采用LabVIEW 对监控平台进行设计，整个监控平台由登录界面、用户管理、系统设置、数据查询、退出系统等组成，每项功能后可再设置对应的子功能，通过监控平台可随时查看轴不同方向的振动波形数据，方便使用人员对地质灾害信息做到及时掌握和判断。

4 系统测试和应用效果

为验证监测系统是否能够满足性能要求，对其进行了性能测试和试验，主要包括ZigBee 网络测试、位移和倾角测试、湿度测试和整体系统应用4个方面。

4.1 ZigBee 网络测试

利用4 个ZigBee 模块节点，其中1 个起协调器节点作用，1 个起路由器节点作用，另外2 个起终端节点作用。通过协调器节点以5 s 为时间间隔向另外3 个节点通过广播形式发送数据，发送数据内容为“Hello，2022”，其他3 个节点在成功接收到数据内容的同时，向协调器回应“End Device Received”信息，说明ZigBee 网络组建成功。然后，对其进行50 次数据包的收发测试，测得平均丢包率仅为0.83%，平均信号强度为35.5 dBm，表明ZigBee 在数据传输上具有较高的可靠性。

由于丢包率和信号强度与传输距离有关，试验还对不同传输距离下的丢包率和信号强度进行了测试，结果见图6。从图6 中可知，随着传输距离的增大，丢包率和信号强度均呈逐渐增大的变化特征，信号强度基本呈线性增长，而当传输距离大于50 m 后，丢包率的故障速率会显著增长，因此在满足覆盖面积的前提下，宜尽量将节点间的距离控制在50 m 以内，从而保证数据传输的稳定和准确性。

图6 丢包率、信号强度随传输距离变化规律Fig.6 Variation of packet loss rate and signal strength with transmission distance

4.2 位移和倾角测试

对系统进行位移和倾角测试，测试结果见表1。从表1 中可知，在忽略静止状态时，系统所测位移数据的最大误差为1.91%，最小误差为1.15%，平均误差仅为1.5%；系统倾角测量的最大误差为2.6%，最小误差为0.89%，平均误差仅为1.4%；表明系统对于位移和倾角测量均具有较高的准确度，能够实现对地质灾害的实时精准监测。

表1 位移和倾角测试结果Tab.1 Displacement and inclination test results

4.3 湿度测试

利用系统采集终端和电子湿度计2 种方式对含水率为15%、20%和30%的土壤进行湿度测试，结果见表2。从表2 中可知，采用电子湿度计的检测精度要比系统采集终端精确，但系统采集终端的平均检测误差率仅为2.22%，控制在3%以内，满足一般地质灾害稳定性的监测要求。

表2 湿度检测结果Tab.2 Humidity test results

4.4 整体系统应用效果

将系统应用到某边坡工程的安全监测中，将各模块和组件连接安装完成后，通过监控界面可以观察到X、Y、Z 轴的加速度信号波形，并可通过界面直接了解到边坡位移、倾角、温湿度的监测值。系统还可以设置监测各级预警阈值，如一级预警位移阈值设置为80 mm，温湿度阈值设置为50%，倾角阈值设置为15°，当监测到的数值超过阈值时，系统会向实现输入系统的手机联系方式发送短信消息，以方便工作人员第一时间掌握边坡状态。工作人员还可以通过调取和导出历史数据，对边坡变化规律进行统计分析，并结合相应的地质模型对边坡的情况进行综合预判，及时制定预防和应急预案。系统应用效果见图7。

5 结语

基于MEMS 加速度传感器和ZigBee 无线通信技术，构建地质灾害监测预警系统，系统以CC2530 为核心处理器，采用LabVIEW 进行平台设计，可实现位移、倾角、温湿度等信息数据的实时监测。经测试，该系统的平均丢包率仅为0.83%，平均信号强度达到35.5 dBm，具有较高的数据传输可靠性和准确性，建议将ZigBee 节点距离控制在50 m 以内。同时该系统的位移、倾角、湿度监测平均误差分别仅为1.5%、1.4%和2.22%，监测精度满足一般地质灾害稳定性的监测要求。本系统可对各级预警值进行设置，通过监测预警值可实现地质灾害的预警目的，在第一时间将预警信息发送给工作人员，工作人员还能通过系统调取历史数据，通过历史监测数据统计分析对地质灾害进行综合预判。

图7 系统应用效果Fig.7 System application effect