基于RFID技術的山體滑坡監控系統的設計與實現

蔣祖航 王艷杉 史東冬

（桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

基于RFID技術的山體滑坡監控系統的設計與實現

蔣祖航 王艷杉 史東冬

（桂林電子科技大學信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

鑒于傳統的山體滑坡系統成本高、結構復雜、功耗高、不利于大范圍推廣等缺點，文章介紹一種基于RFID技術的山體滑坡監控系統，該系統具有低成本、低功耗、結構簡單、24小時不間斷監控等特點，可以滿足數據傳輸的實時性要求，適合野外長期監控，具有推廣價值。

RFID；CC2510；低功耗

（一）前言

山體滑坡是我國地質災害中最為嚴重的一類。滑坡監控就是通過各種技術手段，對山體滑坡進行監控和預警，減少滑坡災害帶來的損失。目前比較先進的遠程監測方法主要有GSM監測、遙感地質、探地雷達等。但這些方法都存在著設備復雜，成本高，功耗高等問題，不利于長期野外工作和大范圍推廣。

針對國內滑坡檢測系統的現狀，筆者設計了一種基于RFID技術的滑坡監測監控系統。系統由 RFID無線檢測傳感器、無線數據中繼站、無線數據接收處理中心三個部分組成。在系統的設計中，充分考慮到各部分低功耗的設計，采用RFID傳感器對突發崩塌進行監測和報警，RFID技術發送和接收信息，數傳電臺對信息遠距離轉發和接收，實現了系統的低成本、低功耗、自動化、模塊化。

（二）RFID理論概述

RFID技術，又稱為電子標簽或者無線標簽，是一種利用無線通信的方式來實現的非接觸式自動識別技術。RFID作為無線通信和自動識別技術的一種完美結合，被認為是21世紀最有前途的IT技術之一[1]。

一般來說，RFID系統包含射頻標簽、讀寫器和數據管理系統三個部分。如圖1所示

圖1 射頻設別系統結構

其中，標簽是由天線及芯片組成，每個芯片都含有唯一的識別碼，一般保存有預先設定好的電子數據，在實際的應用中，標簽粘貼在待識別物體表面；讀寫器是可非接觸地讀取和寫入標簽信息的設備，它通過網絡與其他計算機系統進行通信，從而完成對標簽信息的獲取、解碼、識別和數據管理；數據管理系統主要是完成數據信息的存儲和管理，并可以對標簽進行讀寫和控制。

RFID技術是利用無線電波或者微波能量進行非接觸式雙向通信，來實現識別和數據交換功能的自動識別系統。其中，標簽與讀寫器之間通過耦合元件實現射頻信號的空間耦合。在耦合通道內，根據時序關系，實現能量的傳遞和數據的交換[2]。

當電子標簽具有感知能力時，RFID和無線傳感器網絡的界限就變得模糊不清了。現有很多主動式和半主動式電子標簽結合傳感器進行設計，使得傳感器可以發送數據給讀寫器，而這些電子標簽并不完全是無線傳感器網絡節點，因為它們之間缺乏通過相互協同構成的自組織（Ad-Hoc）網絡進行通信，但是它們超越了一般的電子標簽。按照這個方式，RFID技術將同無線傳感器網絡技術相結合。在另一方面，一些傳感器節點正使用RFID讀寫器作為他們感知能力的一部分。溫度標簽，震動傳感器，化學傳感器等能大大提高RFID技術的功能。

（三）系統總體結構

與傳統山體滑坡監控系統不同的是本課題研究的基于RFID技術的山體滑坡監測監控系統是由RF無線傳感器、無線數據中繼站以及無線數據接收處理中心三部分組成。如圖 2所示：

2 基于RFID技術的山體滑坡監測監控系統結構圖圖

其工作原理是：當監控節點有山體滑坡發生時，崩塌傳感器觸發RFID無線監測傳感器使其上電工作，RFID傳感器把儲存在標簽里的地址信息發送到無線數據中繼站，中繼站接收到信息后再通過無線通信模塊把信息轉發到無線數據處理中心。無線數據中繼站和無線數據處理中心所處在的位置是穩定的，處于不會發生山體滑坡的地方，通過對各個傳感器節點的長期監測對易發生山體滑坡的地點進行監控。

（四）系統硬件設計

1.RF芯片的選擇

考慮到方案僅需要進行簡單的RFID數據交換，而不需復雜的協議標準；同時，對于山體滑坡監控系統來說主要運用于長期野外監測，低功耗成為芯片選擇中非常重要的一個標準。因此，對于本系統來說，低功耗、低成本、集成度高、穩定性好、數據傳輸率高、睡眠喚醒時間短、接口簡單、軟件開發方便等指標成為RF芯片選擇的重要依據。

綜合以上考慮，本設計選用了Chipcon公司的CC2510收發芯片作為RFID無線監測傳感器與無線中繼站的主控芯片。CC2510是一種低成本的無線 SoC，是專門為低功耗無線無線通信而設計的。它具有的四種低功耗模式，特別適用于要求功耗低的場合；同時它把 MCU和射頻模塊集成在一起，大大降低了設計的復雜性，性能也更穩定；CC2510硬件支持CSMA/CA功能，對于多對點通信防信息碰撞具有很大的意義。以下對CC2510芯片做一下簡要的介紹。

CC2510是真正的系統芯片 CMOS解決方案，能夠滿足2.4Ghz ISM波段對低成本，低功耗的要求。CC2510集成了一個高性能的射頻收發器核心和一個增強型的8051內核。具有32KB Flash 和4KB RAM,還包含ADC、看門狗、32 KHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳[3]。

CC2510的 RF收發部分的工作原理是:天線接收到信號后，將信號通過低噪聲放大器和 I/O下變頻處理，中頻信號只有2MHz，接著將混合I/O信號濾波、放大、AD變換、自動增益控制、數字調制和解調，最后回復出傳輸的正確數據。CC2510的發射部分是基于RF頻率的直接合成，其頻率合成器包括一個片上LC壓控振蕩器和一個90°相位移器，產生接收模式時下變頻器作為合成器、AD時鐘和數字部分時鐘的參考頻率，系統使用SFR（特殊功能寄存器）作為接口對來自CPU的數據進行緩沖，寄存器的配置和狀態可以從寄存器映射存儲器XDATA中查詢。

2.RFID無線監測傳感器硬件設計

由于CC2510主芯片屬于典型的System-on-chip(SoC)芯片，片內集成了高性能、低功耗的增強型8051單片機作為處理器，也集成了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器, 僅需少量的外圍器件構成時鐘電路、射頻(RF)偏置電路即可運行，因此，RFID無線監測傳感器的硬件設計主要包RF接收單元、LED電路、崩塌傳感器電路等。為了系統能正常工作，還需要系統時鐘電路、電源電路等。其設計圖如3所示。

圖3 RFID無線監測傳感器硬件設計圖

山體滑坡的發生具有突發性，很難通過監測的方法準確地判斷滑坡發生的時間。因此本系統的傳感器是針對將有滑坡趨向或者正在發生的滑坡來設計的。通過對將有滑坡趨向或者正發生的滑坡的監控進行檢測，使其及時地發出警報，以避免大面積山體滑坡造成嚴重的損失。

同時在設計時要充分考慮到傳感器要在野外長期工作，因此設計時，低功耗設計是考慮的重中之重。

針對上面的分析，本方案設計采用水銀傳感器來作為崩塌傳感器。其原理圖如圖 4所示：崩塌傳感器是由水銀、金屬外殼、電極、絕緣體構成，其原理是：如圖4a當傳感器正立時，水銀只接觸金屬殼，沒有接觸電極，此時是斷開狀態；如圖4b所示，當傳感器有一定的傾斜度時，水銀分別接觸到了電極和金屬殼，此時是閉合狀態。

圖4

其電路設計圖如圖5所示。

圖5 崩塌傳感器電路設計電路圖

如上圖所示，在即將有上體滑坡發生或者正在發生時，埋在坡體的崩塌傳感器會發生傾斜，觸動開關，整個RFID無線監測傳感器上電，把儲存在寄存器中的位置信息發送出去，發出警報。此無源開關傳感器的設計有著一個突出的優點必須要指出的是，當沒有滑坡發生時，整個RFID無線監測傳感器處于關閉狀態，這時系統完全不耗電，這對于要求長期處于野外24小時工作的系統來說具有相當重大的意義。這也成為本設計中十分突出的一點。

3.無線數據中繼站的硬件設計

本文是采用科易連公司生產的 KYL-320無線數傳電臺作為無線通信收發模塊，與微功耗嵌入式控制器配合完成低功耗無線中繼站的硬件設計。

在這里微功耗嵌入式控制器采用的也是CC2510芯片，其硬件設計與RFID無線檢測傳感器的類似，如圖3所示，在此也不詳細介紹。在這里要介紹的是微功耗嵌入式控制器的UART接口。其原理圖如圖6所示。

圖6 UART

UART接口是用來與 KYL-320無線數傳電臺相連接的接口。由于RFID的識別距離有限，不符合山體滑坡監控系統遠程監控的要求，因此，需要用無線收發模塊對信息進行轉發，提高系統的實用性。

KYL-320L 中功率無線數傳模塊，是一種遠距離無線數據傳輸產品，它體積小，金屬外殼，屏蔽性能好，抗干擾性強，穩定性及可靠性極高，能方便為用戶提供雙向的數據信號傳輸、檢測和控制。它具有以下特點：

（1）ISM頻段工作頻率，無需申請頻點。

（2）高抗干擾能力和低誤碼率。

（3）傳輸距離遠。

（4）智能數據控制，用戶無需編制多余程序。

（5）低功耗，可以有三種休眠模式。

（6）高可靠性、體積小、重量輕。

有鑒于其其低功耗、傳輸距離遠、低誤碼率、抗干擾能力強等特點，比較符合系統設計的要求。因此采用此電臺進行數據的轉發。

科易連公司生產的KYL-320無線數傳電臺用的是TTL接口，供電電源3.3V，因此只要使用UART接口把微功耗嵌入式控制器的和 KYL-320無線數傳電臺連接起來就構成了無線數據中繼站的硬件平臺。

4.無線數據接收處理中心的硬件設計

無線數據接收處理中心硬件平臺其實就是無線數傳電臺接收機通過竄口轉換與PC機相連接即可，在此也不多加敘述。

（五）系統軟件設計

由于數傳電臺具有智能控制，用戶無需編制多余程序的特點。本系統的軟件設計主要是考慮的是RFID無線監測傳感器的軟件設計和無線數據中繼站的軟件設計。RFID無線監測傳感器和無線數據中繼站之間的通信時多對點的RFID通信。在通信的過程中會有兩個節點的信息同時到達中繼站，這就引發了信息的碰撞，造成信息接收失敗。因此，在進行軟件設計前首先要考慮這兩者間的通信協議。

在本系統中使用的是 CSMA/CD協議，其中文名稱為載波監聽多路訪問/沖突監測，其工作原理如下：

1.有媒體空閑，則傳輸。

2.若媒體忙，則一直監聽，知道信道空閑，然后立即傳輸。

3.若在傳輸中監聽到干擾，則發送干擾信號通知所有站點。等候一段時間，在此發送。

通過 CSMA/CD協議能有效地防止信息碰撞。提高系統的可靠性。其發送流程圖如圖7所示。

圖7 CSMA發送流程圖

軟件的編寫要根據CC2510芯片的特點，利用其低功耗模式，設計出降低功耗的軟件。節約系統能量，延長使用壽命，使系統符合設計要求。

RFID無線監測傳感器軟件流程圖與無線數據接收處理中心流程圖分別為圖8與9所示。

圖8 RFID無線監測傳感器軟件流程圖

圖9 無線數據接收處理中心流程圖

根據上述流程圖在IAR平臺上編寫系統軟件。

（六）測試結果及分析

設計好系統的硬件和軟件后，把軟件下載到芯片中，連接號系統，開始測試系統，在PC端，使用監控軟件對系統進行測試，測試結果如圖10、圖11所示：

圖10 1號節點測試結果

圖11 2號節點測試結果

從測試結果，可以分析出本文所設計的系統能準確、及時地接收信息，基本符合系統符合設計要求。

系統具有結構簡單、無布線、安全可靠、低成本、低功耗等特點。其低功耗的特性，尤其是無緣開關傳感器的設計，使本系統的節能優勢在同類體滑坡系統中具有絕對的優勢，應用前景極好。

[1] 趙軍輝.射頻識別技術與應用[M].北京:機械工業出版社,2008(5).

[2] 郎為民．射頻識別(RFID)技術原理與應用[M].北京:機械工業出版社,2006(6).

[3] 李文仲,段朝玉.CC1110/CC2510無線單片機和無線自組織網絡入門與實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008(6).

P642.22

A

1008-1151(2011)05-0066-03

2011-02-18

蔣祖航（1983－），男，廣西桂林人，桂林電子科技大學信息與通信學院碩士研究生，研究方向為移動通信與個人通信；王艷杉（1983－），女，內蒙古赤峰人（蒙古族），桂林電子科技大學信息與通信學院碩士研究生，研究方向為移動通信與個人通信；史東冬（1985－），男，吉林四平人，桂林電子科技大學信息與通信學院碩士研究生，研究方向為移動通信與個人通信。