基于物聯網的地質災害監測系統

陳夢 孟宇 王繼東 劉明堂

摘 要：針對傳統的地質災害監測方法存在數據收集不及時、信息覆蓋面不足等缺點，設計了一種基于物聯網的地質災害監測系統，并構建了系統的總體架構，形成地質災害監測物聯網平臺，重點描述其中感知終端硬件及單片機驅動程序設計。該系統利用STC12C5A60S2單片機作為控制核心，對傳感器采集的降雨量、地下水位和山體移位等信息進行處理，并控制GPS定位模塊獲取監測點位置信息，然后將處理后的數據經GPRS模塊封裝成TCP/IP數據包，通過GPRS骨干網接入Internet網傳送至監控中心。實驗測試結果證明：該系統具有良好的可靠性、穩定性和通信實時性。

關鍵詞：地質災害 物聯網 信號調理模塊 GPRS模塊 GPS模塊

中圖分類號：P694 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（b）-0111-07

我國是世界上地質災害最嚴重的國家之一。近十年來，地質災害每年造成人員傷亡數以千計，經濟損失逾百億元，嚴重影響了我國社會經濟可持續發展[1-2]。為了避免人員傷亡和財產損失，我國采取了多種措施，如建立群測群防體系、開展汛期巡查、排查災害隱患點等措施[3]。但目前這些措施大多還主要靠人工方式，且監測技術也相對落后，存在數據采集和傳輸不及時、信息覆蓋面不足、自動化程度低等缺陷[4]，必須采用新的技術和方法對地質災害進行實時監測。近些年，物聯網的概念逐漸興起，并在很多領域內掀起探索和應用的熱潮，研究物聯網技術在地質災害監測中的應用對有效預警地質災害、極大程度地降低人民生命和財產損失具有重要意義。

1 系統總體架構

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，其定義是通過傳感器、射頻識別、全球定位系統等信息傳感設備，按照約定的協議連接到互聯網，在人與物、物與物之間進行信息交互，以實現對物體進行識別、定位、跟蹤、監控等功能的一種新型智能化網絡[5]。根據國際電信聯盟的建議，目前國際普遍將物聯網的體系架構自底向上分為感知層、網絡層和應用層。感知層包括傳感器等數據采集設備以及數據輸入網關前的傳感器網絡；網絡層主要負責網絡接入、網絡傳輸以及相應的管理與控制；應用層解決信息處理與人機界面的問題[6]。依此三層架構設計了如圖1所示的系統總體架構，主要由現場感知終端、通信網絡以及遠程監控中心三部分組成。

其中，現場感知終端通過雨量計、水位計、孔隙水壓力計、伸縮計、傾斜計等采集降雨量、地下水位和山體移位等信息，并由GPS定位模塊獲取監測點經緯度和海拔高度等地理信息，同時將這些信息顯示在液晶屏上，最后將信息打包交給GPRS模塊發送給遠程監控中心；考慮到GPRS通信方式具有實時在線、按量計費、快捷登錄、高速傳輸和不受地形和地域限制等特點[7]，系統在網絡層的通信網絡主要以Internet網絡與GPRS網絡互聯的方式為主，并輔以SMS短信息方式，根據通信網絡的質量情況，在兩種通信方式間自由切換，保證數據可靠傳輸；遠程監控中心一方面接收處理現場監測點傳回來的數據信息，另一方面向現場終端發送數據指令，如更改數據包傳輸頻率、監控中心手機號、傳感器預警值和開啟報警器等，當服務器IP地址需改動時可通過手機經GSM網絡以短信方式更改并建立新的網絡連接，同時遇到網絡連接錯誤時遠程終端會向監控中心手機發送短信息來提醒工作人員。

2 感知終端硬件設計

系統感知終端即現場監測終端的研究與設計是該文的研究重點，主要包括數據采集傳輸裝置的設計和傳感器的選取，這里主要介紹數據采集傳輸裝置。整個裝置采用模塊化設計，通過對所選芯片進行分析后給出合適的電路設計，使得裝置能夠穩定可靠運行。數據采集傳輸裝置包括分布式傳感器、信號調理模塊、微控制器（MCU）、GPS模塊、GPRS模塊、顯示報警模塊和電源模塊等，如圖2所示為該數據采集傳輸裝置結構圖。

2.1 信號調理模塊

由于系統所使用的傳感器多數都是輸出4～20 mA電流信號，必須轉換為0～5 V電壓信號才能輸入單片機，為此設計了4～20 mA轉0～5 V信號調理模塊。模塊選用了電流環接收器RCV420作為主芯片，RCV420是美國RURR-BROWN公司生產的精密電流環接收器芯片，用于將4～20 mA輸入信號轉換為0～5 V輸出信號。它包含一個高級運算放大器、一個片內精密電阻網絡和一個精密10 V電壓基準。其總轉換精度為0.1%，共模抑制比CMR達86 dB，共模輸入范圍達±40 V。在全量程范圍內輸入阻抗僅有1.5 V的壓降，對于環路電流具有很強的變換能力[8]。較之由分立器件設計的印制板電路，RCV420具有更低的開發成本、制造成本和現場維護費用，非常適用于在集成電路與便攜設備中實現工業微弱環電流的信號轉換。所選芯片需要雙電源供電，而系統所用電源只有12 V單電源，為此又選用了廣州金升陽公司生產的工業級隔離電源模塊A1212S模塊芯片，該模塊芯片體積小、性能穩定、可靠性高，能較好地將12 V電源轉換為正負12 V電源供RCV420芯片工作。

如圖3所示為信號調理模塊電路圖，可根據系統需要選擇RCV420芯片數量，這里共需要8個（圖中只顯示1個）。其中，L1和C2、L2和C1、L3和C3共同組成LC濾波網絡，大大減小了輸出紋波，能夠平穩地為RCV420供電。這樣設計的信號調理模塊，一方面可以節省電路板空間；另一方面還使得各信號相互獨立，避免了外界電路的干擾。

2.2 GPRS模塊

此系統選用的GPRS模塊是Siemens公司推出的MC55模塊。MC55模塊是市場上尺寸較小的三頻模塊，能夠在GPRS網絡中完成語音、數據呼叫、網絡連接、短信息以及傳真的傳送。MC55內置TCP/IP協議棧，由AT指令控制并使應用程序很容易地接入網絡。該協議棧支持在GPRS網絡中使用Internet中的TCP socket、UDP socket、FTP、HTTP、SMTP、POP3等服務[9]，該系統主要應用了TCP socket服務。該模塊有40個引腳，通過一個零阻力插座連接器引出，以實現電源、SIM卡、模塊控制口和串口等功能的引接以及數據、短信息的傳輸[10]。如圖4所示為GPRS模塊部分電路圖，包括單片機與MC55、MC55與SIM卡的連接等。啟動模塊時，模塊的引腳IGT上必須有一個低電平脈沖且至少需要延時100 ms，模塊才能正常啟動。

2.3 GPS模塊

該系統選用了一款外觀小巧的高性能GPS定位模塊，模塊核心采用U-BLOX公司的NEO-6M模組，定位精度2.5 m CEP，追蹤靈敏度高達-161 dBm，測量輸出頻率最高可達5 Hz。模塊自帶高性能無源陶瓷天線（無需再購買昂貴的有源天線了），并自帶可充電后備電池（在主電源斷電后還可以維持半小時左右的GPS數據接收保存）。模塊通過串口與外部系統連接，串口波特率支持4 800、9 600、38 400、57 600等不同速率，兼容5 V/3.3 V單片機系統，通過4個排針（分別代表VCC、TXD、RXD、GND）就可以方便地與外部連接[11]。GPS模塊實物圖如圖5所示。

2.4 電源模塊

為了使整個系統運行穩定，電源的設計也是一個很重要的部分。一方面，由于STC12C5A60S2單片機是5 V供電，內部有高精度A/D轉換器，需要基準電壓源，這就要求穩壓電源具有較高的工作效率和較低的輸出紋波電壓，這里采用開關型穩壓器件LM2576與線性穩壓器件L7805相結合的形式來設計電路輸出5 V電源，不僅可以提高穩壓電源的工作效率，減少能源損耗和熱損害，而且可減少外部的電壓波動干擾和高頻干擾，保證了系統的穩定可靠運行。另一方面，MC55模塊工作電壓為3.3～4.8 V（通常推薦值4.2 V），選用了MIC29302穩壓芯片將5 V電壓降低到4.2 V。如圖6所示為電源模塊電路圖。

3 單片機驅動程序設計

此系統的單片機驅動程序采用基于STC單片機的C語言編寫，開發環境為KEIL公司開發的KeilμVision4 C51編譯系統。程序設計采用模塊化思想，先將程序劃分成若干個功能相對獨立的模塊，再為每一個模塊制定流程圖，并按照流程圖編寫程序，最后再進行統一整合。采用這種方法編寫出來的程序結構簡單、可讀性強，且便于后期的調試、修改、擴展和完善。

主程序控制模塊：系統上電或復位后，首先要進行初始化設置，主要設置相關的定時器及串口工作模式等，并對液晶顯示、A/D轉換等進行初始化。系統初始化后會顯示開機界面，并啟動MC55模塊注冊GPRS網絡，注冊成功后初始化GPRS并創建Socket，然后定時發送數據，并通過串口1接收和處理GPRS數據和短信息；同時通過串口2接收和處理GPS數據，并顯示在液晶屏上。主程序流程如圖7所示。

GPRS通信模塊：GPRS網絡采用TCP/IP協議進行通信， MC55模塊的軟件部分對外提供了一個控制系統操作的AT命令集，模塊接收來自串口的AT命令，解釋并執行相應的操作，實現無線MODEM的對應功能。模塊根據AT命令來完成自身初始化、網絡連接、數據傳輸及短信息服務等[12]。此系統主要通過Socket和 SMS（短信息）兩種方式進行數據通信，Socket主要是完成現場監測數據和遠程控制命令的傳輸，短信息主要是遠程修改現場終端的參數，如IP地址和端口號等。其中，建立網絡連接的流程如下[13]：

AT^SICS=0，conType，gprs0 //選擇連接類型為gprs0，連接規范ID為0

AT^SICS=0，user，cm //設置用戶名

AT^SICS=0，passwd，gprs //設置密碼

AT^SICS=0，apn，cmnet //設置專用apn，cmnet為中國移動接入點域名

AT^SISS=1，srvType，socket //選擇服務類型為socket

AT^SISS=1，conId，0 //與之前建立的連接規范ID綁定，服務1按0號配置連接

AT^SISS=1，address，"socktcp：// 202.196.145.1：7010"

//設置連接的主機IP和監聽端口

AT^SISO=1 // 打開網絡服務1

GPS定位模塊：GPS模塊輸出的定位數據采用NMEA-0183協議，該協議是美國國家海洋電子協會為海用電子設備制定的標準格式，目前業已成了GPS導航設備統一的RTCM（Radio Technical Commission for Maritime services）標準協議。NMEA-0183協議采用ASCII碼（幀格式）來傳遞GPS定位信息，常用命令如表1所示[9]。由于GPS模塊每秒輸出一次$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC等數據，速度慢，因此必須采用中斷方式接收[14]。程序中主要通過串口2接收$GPGGA幀語句來獲取經度、緯度、海拔高度、大地水準面高度等信息，其幀格式如下（舉例）：

$GPGGA，023543.00，2308.28715，N，11322.09875，E，1，06，1.49，41.6，M，-5.3，M，，*7D

下劃線部分便是要獲取的數據，解析后結果為：北緯23°8.287 15′，東經113°22.098 75′，海拔41.6 m，大地水準面高度-5.3 m。

4 實驗測試與分析

實驗測試選用水位計和傾斜計與數據采集傳輸裝置相連，通過4個通道分別采集水位、X軸角度、Y軸角度和室溫對應的電壓值，然后將監測數據發送到監控主機。系統測試圖如圖8所示，當該終端與監控中心連接上后，每隔1 min發送一個 “OK”心跳包，防止網絡掉線。同時按照設定的時間（默認3 min）定時向監控中心發送監測數據，即4個通道電壓值和GPS定位信息，與終端上的液晶顯示數據一致，上位機數據接收界面如圖9所示。

為了驗證數據采集的準確性，實驗過程中用高精度的萬用表測量一組水位計電壓值作為實測值，同時與液晶屏上顯示的采集值進行比較，得到如圖10所示的數據誤差分析圖，從圖中可以看出誤差約0.02 V，完全滿足系統的精度要求。另外，從數據接收區選取部分數據，然后將各通道電壓值轉換為對應的監測值進行綜合分析，如圖11所示。從圖中可以看出，水位（約0.35 m）和溫度（約22 ℃）保持穩定，基本上與實際值相符。將傾斜計向一側不斷傾斜時，X、Y軸角度就會隨著發生變化（最大值15 °），第15分鐘后一直保持最大值不變，說明此刻開始有明顯地表變化，再結合雨量計、伸縮計等傳感器測量值綜合分析，就可以確定滑坡、泥石流等地質災害發生與否。經過長時間測試，系統運行穩定，數據傳送正常，較好地實現了預定的功能。

5 結語

該系統是針對地質災害監測進行設計的，數據的遠程傳送使用了GPRS接入Internet的方式，適合監測點比較分散、環境比較惡劣、人工檢測不方便的地區，同時通信成本也比較低。與現有的監測裝置相比，該系統性能穩定，能夠有效保證數據監測的準確性和實時性。在節省大量成本的同時還增加了傳感器通道，引出了部分功能接口，方便其他功能應用的擴展。因此，該系統的應用還可以推廣到水文監測、環境污染監測等自動化采集控制領域。

參考文獻

[1] 張旭陽.山洪災害防御體系關鍵技術研究與應用[J].河南水利與南水北調，2014（11）：32.

[2] 歐陽祖熙，師潔珊，王明全，等.RDA型滑坡變形無線遙測臺網[C]//中國土木工程學會第九屆土力學及巖土工程學術會議論文集（下冊）.2003.

[3] 周平根.地災監測預警傳感器網絡技術應用現狀及發展建議[J].南方國土資源，2011（10）：6.

[4] 胡維忠，葉秋萍，陳桂亞，等.構建科學的山洪災害監測預警系統[J].中國水利，2007（14）：34-37.

[5] 毛旭.基于物聯網技術的地質災害監測預警解決方案[J].物聯網技術，2013，3（4）：9-10.

[6] 陳立偉，楊建華，曹曉歡，等.物聯網架構下的室內環境監控系統[J].電子科技大學學報，2012，41（2）：265-268.

[7] 陳明金，歐陽祖熙，師潔珊，等.基于GPRS技術的地質災害無線遙測系統[J].自然災害學報，2004，13（3）：65-69.

[8] 司馬偉昌，張玉鈞，王志剛，等.多波長LED陣列光源葉綠素熒光探測儀電路的單片機實現[J].儀器儀表學報，2007，28（10）：1820-1825.

[9] 于彥偉，段世紅，王沁，等.基于無線傳感網的管道腐蝕遠程監測系統設計[J].小型微型計算機系統，2011，32（6）：1064-1070.

[10] 鄭萬溪，黃元慶，張鑫，等.基于GPRS通信技術的遠程檢測系統[J].傳感器與微系統，2008，27（2）：83-85.

[11] ALIENTEK.ATK-NEO-6M用戶手冊-V1.0[S].廣州：ALIENTEK，2013.

[12] 劉淑榮，滕召勝，嚴性平，等.基于MC55的電力負荷管理終端設計[J].儀表技術與傳感器，2008，31（12）：72-74.

[13] SiemensA G .MC55ATCommandSet-V4.0[M].Germany：SiemensAG，2006.

[14] 徐紅，范驍霄，王鵬，等.一種新型監獄使用的物聯網節點設計[J].Journalof Computer Researchand Development，2010（47）：317-320.