基于物聯網技術的山體滑坡監測及預警系統設計*

陳煒峰，席萬強，周 峰，劉云平

(1.南京信息工程大學信息與控制學院，南京210044;2.南京易周能源科技有限公司，南京210015)

基于物聯網技術的山體滑坡監測及預警系統設計*

陳煒峰1*，席萬強1，周 峰2，劉云平1

(1.南京信息工程大學信息與控制學院，南京210044;2.南京易周能源科技有限公司，南京210015)

為了有效解決傳統山體滑坡監測預警系統有線傳輸、人工播報的弊端，利用單片機采集滑坡位移、加速度信息，解析后將數據通過GPRS網絡傳送至監控系統控制站，控制站負責數據的分析及指令發送。當預警平臺接收到控制站發送的報警指令后，將會啟動警報器，并向相關人員發送一條預警短信。實踐表明:該系統采用無線傳輸、智能播報的方式，成功實現了控制站對監控地區的遠程實時監測及預警，保證了該設計的可行性。

山體滑坡;監測;預警;無線傳輸;智能播報

山體滑坡是山區最常見的地質災害之一，它嚴重威脅人民的生命財產安全，破壞工程設施，影響正常的生產和生活，給國民經濟和人民生命財產帶來重大損失。據不完全統計，近年來，由于山體滑坡造成的直接經濟損失已達百億元［1］。

傳統的山體滑坡監測主要是在易發地區布置各類水文、氣象傳感器，通過有線傳輸的方式把數據傳送至監控終端，經人工推斷出滑坡的安全狀況，以電話或人員口頭通知的方式告知民眾，做好防范工作［2-3］。由于山體滑坡監測區域的地理條件復雜，線路架設困難、電源供給等限制，使得有線系統的部署非常困難;此外，還存在一些無人值守的設備或監測點，不適合搭建有線通訊網絡，維護不便，費用昂貴。因此，很難及時、可靠地捕捉到山體滑坡災害數據，容易受到人工干擾的影響［4-5］。

本設計基于當前的傳感器采集技術、無線傳輸等技術，建立了基于物聯網技術的山體滑坡實時監測及預警系統，可以實時得到滑坡監測數據，據此確定出現滑坡的可能性，發布預警信息，具有很高的智能性。相比于前人的設計，主要是加入了加速度數據的采集，添加了預警平臺的設計，以及采用了GPRS無線傳輸方式。

1 系統設計

山體滑坡監測及預警系統主要包括預警系統終端機、預警平臺、監控系統控制站三大部分，總體示意圖如圖1所示。

圖1 系統總體示意圖

山體在滑坡前期都有一個波動的過程。基于此，本設計采用三軸加數度陀螺儀采集山體細微晃動的線、角加速度數據，GPS全球定位系統對山體滑坡位移進行實時監測［6-7］，這樣保證了山體滑坡數據的準確性。將數據經過單片機處理，并在LCD液晶屏上顯示處理過的數據，通過GPRS通信網絡將數據傳送到監測系統控制站，及時與系統門限值相比較，如果達到門限值時就會發送一條指令給預警平臺，報警器就會啟動且相關人員會收到一條預警短信。

1.1 預警系統終端機

山體滑坡預警監測系統的終端機由各種水文、氣象傳感器模塊(三軸加數度陀螺儀，GPS模塊)、無線通信模塊、電源模塊和主控制器模塊組成。圖2為線、角加速度采集傳輸模塊連接框圖，圖3為位移采集傳輸模塊連接框圖。

圖2 線、角加速度采集傳輸模塊連接框圖

圖3 位移采集傳輸模塊連接框圖

1.1.1 線、角加速度采集傳輸模塊

主要用到的模塊有:主控制模塊(STC12C5A60S2)、三軸加速度陀螺儀模塊(MPU-6050)、無線傳輸模塊(SIM300)。

(1)主控制模塊

所采用的主控制芯片是STC12C5A60S2。它是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機［7］，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8倍～12倍。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10 bit A/D轉換(250 ksample/s，即25萬次/s)，兩個串口。在對線、角加速度采集傳輸設計中只是把它作為普通的51單片機來使用(單串口)。

(2)三軸加數度陀螺儀模塊

采用的芯片是MPU-6050，MPU-60X0系列是全球首例9軸運動處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器DMP(Digital Motion Processor)。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為±250°/s、± 500°/s、±1 000°/s、±2 000°/s(%dps)，加速度計可測范圍為±2，±4，±8，±16 gn(重力加速度)。

(3)無線傳輸模塊

本設計采用的 GPRS通信模塊為 SIM300。SIM300是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS雙頻模塊，支持TCP/IP協議、三頻/四頻/GSM/GPRS，支持PDU模式和文本模式的短消息傳送，支持數據和傳真信息的高速傳輸，使用時更加方便靈活。GPRS通訊適用于間斷的、突發性的或少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸，且具有實時在線，按量收費等優點［8］。

在該設計中，GPRS模塊的接口信號端GRX、GXD分別與STC12C5A60S2的RxD、TxD連接，如圖2所示。當主控制模塊和GPRS模塊啟動后，MCU通過串口直接向GPRS模塊發送AT指令使其接入GPRS網絡并進行參數設置。其內容包括波特率、網關、GPRS模塊的類別、測試GPRS服務是否開通等。

1.1.2 位移采集傳輸模塊

主要用到的模塊有主控制模塊(STC12C5A60S2)、全球定位系統(GPS)模塊、無線傳輸模塊(SIM300)。

在對位移采集傳輸設計中使用了STC12C5A60S2的雙串口功能。MCU將從串口1傳輸的GPS數據解析后，經過串口2數據傳給SIM300。該設計中，GPRS模塊的接口信號端GRX、GXD分別與STC12C5A60S2的RxD(2)、TxD(2)連接。全球定位系統(GPS)模塊采用的芯片為u-blox公司生產的NEO-6M-0-001。捕獲冷啟動29 s，溫啟動27 s，輔助啟動＜3 s，熱啟動＜1 s，靈敏度:捕獲-162 dBm，跟蹤-147 dBm，冷啟動-146 dBm。GPS模塊的Tx、Rx端分別與STC12C5A60S2的RxD、TxD相連，如圖3所示。

1.1.3 電源模塊

由于監測系統終端機分布在野外，供電較困難，終端機采用蓄電池供電，蓄電池容量大、自放電率低，并采用太陽能板對其進行涓流充電，可以保證系統長期穩定地工作。

本設計中采用的是9 V2.3 W的太陽能板，6 V 4 A的蓄電池，以及AMS1117-5.0電源穩壓模塊，連接圖如圖4所示。圖中的二極管是防止蓄電池對太陽能板進行反充電。蓄電池的實際電壓為6.7V，經過AMS1117-5.0電源穩壓模塊后在OUT+-端輸出5V電壓，可以為單片機、GPRS模塊、GPS模塊供電。

圖4 太陽能供電系統連接圖

1.2 預警平臺

本設計中，預警平臺是通過短信和報警器的播報方式通知相關人員的。用到的硬件有:單片機STC89C52、無線傳輸模塊(SIM300)、報警器ES-626、手機。其中STC89C52與SIM300模塊的連接方式與圖2一樣。選用的報警器可工作在6 V～12 V之間，在12 V時，可達到120 dB的聲音。它是由繼電器對其進行控制的，繼電器是通過達林頓管(ULN2003)來驅動的。繼電器的‘1’為常開端口，‘3’為常閉端口。原理圖如圖5所示。通過MCU(STC89C52)對LED1、LED2、繼電器進行控制。在報警前，LED2(綠燈)亮，LED1(紅燈)滅，繼電器處于常閉狀態，報警器不工作;當接收到監控系統控制站的報警指令后，LED2滅，LED1亮，繼電器處于常開狀態，報警器工作，且手機會收到一條預警短信。本設計選擇的實驗滑坡采集點有三處，標記為1、2、3號地區。短信內容如圖6所示，提醒相關人員做好防范。

圖5 報警平臺原理圖

圖6 警報短信圖

1.3 監控系統控制站

監控系統控制站，主要負責將終端機傳送過來的加速度、位移數據存儲、顯示，判斷數據是否達到預警門限值，如果達到門限值時就會發送一條指令給預警平臺，預警平臺將會啟動報警裝置。本設計的上位機軟件是借助于網絡調試助手這款軟件。它支持UDP，TCP協議，集成TCP服務器和客戶端;可以自動發送校驗位，支持多種校驗格式;支持間隔發送，循環發送，批處理發送等功能。

圖7為監控終端接收到的放大256倍的線、角加速度數據。其中A后面的3個數據分別表示X、Y、Z軸的線加速度，單位為gn(重力加速度)，G后面的3個數據分別表示X、Y、Z三軸旋轉方向的角加速度，單位為°/s。

圖7 監控終端顯示三軸加數度陀螺儀數據圖

圖8為監控終端收到的GPS位移數據。例如圖8中第1行數據，設為A點“h:36.6 N:32 52 49 E:119 48 21 t:33”，它表示該滑坡采集地處于高度36.6，北緯32°52'49″，東經119°48'21″的位置。t為北京時間的秒，前后t相減就得到了采集間隔時間Δt=21 s。如果數據變為B點，處于高度5.2，北緯32°52'51″，東經119°48'19″的位置。那么A、B兩處距離將通過下面方法進行計算。

圖8 監控終端顯示GPS位移數據圖

設地球為一正圓，半徑R=6.371 229×106m，π= 3.141 592 6，任意兩點距離計算公式為(不考慮海):

其中ΦA、λA為A點緯度和經度，ΦB、λB為B點緯度和精度。

代入公式得d=805.9 m，考慮海拔高度h，兩點的距離計算公式為:

則A、B兩點的距離為806.5 m。

2 結論

本設計對山體位移、加速度信息進行監測，確保了預警的準確性;預警平臺的設計大大方便了預警的播報;采用GPRS無線網絡傳輸數據保證了監控站可以在無限遠處設立，利于遠程監控。本設計在經過實地驗證后，能夠及時、可靠地對滑坡災害的發生進行預警，有效地解決了有線傳輸及人工播報方式的缺陷。

［1］ 梁山，胡穎，王可之，等.基于無線傳感器網絡的山體滑坡預警系統設計［J］.傳感技術學報，2010，23(8):1184-1187.

［2］ 陳鐵軍，陳華方，胡揚超，等.基于CC2480的山體滑坡檢測系［J］.計算機工程與設計，2010，31(20):4512-4515.

［3］ 劉東旗，劉新中，卜令俊，等.基于無線傳感網絡的遠程抄表系統信息智能傳輸的實現［J］.電測與儀表，2009，46(12A):46-50.

［4］ Riki Ohbayashi，Yasutaka Nakajima，Hideto Nishikado，et al.Monitoring System for Landslide Disaster by Wireless Sensing Node Network［C］//SICE Annual Conference，2008:1704-1710.

［5］ 鄧大偉，祝武，欒佰霖，等.基于ARM的山體滑坡遠程無人監測［J］.儀表技術與傳感器，2012，(2):88-90.

［6］ 邱健壯，孫克強，趙立中，等.GPS監測山體滑坡方法的研究［J］.山東農業大學學報(自然科學版)，2008，39(4):577-582.

［7］ 魏雄，王仁波，李躍忠，等.基于GPS/GPRS的滑坡監測系統［J］.儀器儀表學報，2008，29(11):2456-2460.

［8］ 黃強，陶正蘇，宋浩，等.基于ARM的GPRS遠程數據傳輸模塊設計［J］.電子器件，2008，31(4):1214-1218.

陳煒峰(1964- )，男，漢，江蘇泰州人，南京信息工程大學信息與控制學院教授，碩士生導師，主要研究方向為電磁脈沖、檢測技術等，cwf6426@163.com;

席萬強(1989- )，男，漢，江蘇泰州人，南京信息工程大學信息與控制學院碩士研究生，主要研究方向為物聯網應用、氣象儀器，1161330474@qq.com。

Landslide Monitoring and Warning System Based on IOT Technology*

CHEN Weifeng1*，XI Wanqiang1，ZHOU Feng2，LIU Yunping1

(1.College of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 2.Nanjing Yizhou Energy Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210015，China)

In order to solve the drawbacks of the traditional landslide monitoring and warning system in the wired transmission and artificial broadcasing，the acquisition of landslide displacement and acceleration information by using SCM，after resolving the date through the GPRS network transmission to the monitoring system control station，control station is responsible for the date analysis and the instruction sended.After the warning platform receives an instruction which is from the control station，it will start the alarm and send a warning message to the relevant personnel.Practice shows that the system uses wireless transmission and intelligent broadcasting，the successful implementation of the control station for monitoring area of remote real-time monitoring and early warning，to ensure the feasibility of the design.

landslide;monitoring;warning;wireless transmission;intelligent broadcasting

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.024

TP277

A

1005－9490(2014)02－0279－04

項目來源:江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室開放課題項目(KDX1102)

2013-05-23修改日期:2013-06-17

EEACC:7200