一種地質災害無線監測裝置設計

李躍鵬，雷 霖

(成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

我國是一個地質災害多發的國家，滑坡、泥石流等地質災害頻繁發生，對人民的生命財產安全構成了嚴重的威脅［1］.目前，針對地質災害易發、地質結構復雜地區，氣象部門的監測往往停留在一個大的區域范圍內，對具體的監測點缺乏針對性;而人為的監控效率低，已經不能滿足對地質災害的監測預報［2］.對此，本研究利用ZigBee 和GSM(Global System of Mobile Communication)技術來對某一個地區的山體環境進行監測，實現對山體的狀態實時跟蹤，隨時掌握山體的位移、傾角的變化情況，以及監測點的溫度濕度等環境狀態信息，并通過數據傳輸到上位機端，該裝置對于地質災害的預警可起到積極的意義.

1 硬件設計

在裝置的硬件設計上，設計方案采用CC2431模塊為主控制器，CC2431 是一款集合有加強型8051 微控制器和ZigBee 通信的高性能低成本的TI芯片［3］，其數據分析處理能力完全能夠滿足節點數據采集的需要.無線監測節點的主要功能包括有采集監測區域環境的溫度、濕度、傾角變化、節點位移變化等信息，其主要由傳感器模塊、電源模塊、處理器模塊和GSM 通信的MC37I 模塊幾個部分組成(見圖1).

圖1 無線監測裝置設計框圖

在本無線監測裝置中，傳感器負責采集環境的信息，經過信號處理電路處理以后送入到CC2431 中進行分析處理，CC2431 有21 個通用I/O 口，傾角模擬信號通過具有A/D 轉換口進入控制器，超聲波、溫濕度信號通過數字I/O 口進入控制器，CC2431 與GSM 通信串口，這些數據不僅可以通過CC2431 外設射頻電路發送出去，也可以用GSM 遠程發送，當作路由終端裝置時可去掉MC37I 模塊.

1.1 傳感器模塊設計

在無線傳感器網絡的設計中，由于節點眾多，因此在考慮系統性能的同時也要考慮降低節點的設計成本，滿足整個系統的建設和維護.

溫度傳感器采用DS18B20，其電壓范圍為3.0 ～5.5 V，采用單線接口方式實現處理器與DS18B20 的雙向通信，其溫度范圍在－55 ℃～+125 ℃，精度可達到0.0625 ℃，滿足監測節點所處的環境要求［4］.

濕度傳感器采用HS1101 型電容型傳感器，其電容值隨著濕度的變化而變化，相對濕度在0% ～100%RH 范圍內;HS1101 是一種濕敏電容，將其應用在555 振蕩電路，讓電容的變化轉化為頻率的變化［5］.在CC2431 中，應用定時器1 來做1 s 的定時，同時通過頻率信號產生外部中斷.

傾角傳感器采用MMA7361 三軸傾角加速度芯片，其能夠同時監測3 個角度變化，每個軸隨著角度的變化輸出模擬電壓信號，其工作電壓范圍為2.2～3.6 V，響應時間為0.5 ms，具有休眠控制功能，并擁有低功耗模式，工作溫度在－40 ℃～+85 ℃，測量精度為800 mv/g，每個軸在－90° ～+90°范圍內產生0.85 ～2.45 V 電壓變化［6］.

節點位移變化采用US-100 超聲波測距模塊，可實現0.02 ～4.5 m 的非接觸測距功能，其擁有2.4～5.5 V 的寬電壓輸入范圍，靜態功耗低于2 mA，自帶溫度傳感器對測距結果進行校正，同時具有GPIO、串口等多種通信方式，工作穩定可靠，工作溫度范圍在－20 ℃～+70 ℃.

傳感器模塊的電路設計圖如圖2 所示.

圖2 傳感器模塊電路圖

1.2 電源模塊電路設計

電源模塊主要為裝置提供通用5 V 和3.3 V 的電壓，電路設計如圖3 所示.電路設計中，電壓采用AMS1117 系列穩壓芯片來控制，因MC37I 模塊的電流必須大于2 A，電壓的波動范圍不能超過400 mV，故采用LM2596 系列來進行穩定電壓的輸出，其輸出電流可以達到3 A，輸入電壓可達40 V.為了能夠得到穩定的電壓，在MC37I 電壓接口放置大的電解電容，并提供瞬間大電流.圖3 中BATTY 為2 個3.7 V 鋰電池供電.

1.3 處理器和GSM 通信模塊電路設計

圖3 電源電路圖

本裝置的MCU 采用CC2431 芯片，它內置有加強型8051 控制器，工作效率是常規8051 的8 倍，并伴有AD 轉換、DMA 存儲、ZigBee 協議的射頻收發、電源管理等功能，具有良好的收發靈敏度和抗干擾性能.

本裝置節點中的GSM 通信模塊為MC37I，其溫度范圍為－45 ℃～+80 ℃［7］，適合野外的惡劣環境，其擁有的2 個串口，可以同時實現AT 指令控制和GPRS 通訊，雙排列252 接口可提高通信的穩定性和可靠性.MC37I 結合SIM 卡與CC2431 的串口相連接，天線接口共同實現信息的遠程短信傳輸.當MC37I 上電以后，需給IGT 引腳提供大于200 ms 的低電平信號以啟動模塊，CC2431 通過串口來控制MC37I，進行AT 指令的控制［8］，SYNC 引腳外接LED，用以顯示模塊的運行狀態.

處理器與GSM 通信模塊電路設計圖如圖4 所示.

圖4 MCU 與GSM 通信模塊電路設計圖

2 軟件設計

本裝置的節點需要自身定時或者有突發情況或接收到來至上位機采集命令的時候，對環境的信息值進行采集并傳輸，其中，突發情況通過接觸性振動傳感器來產生外部中斷來判斷.因此，本裝置的軟件設計流程如圖5 所示.

圖5 采集程序主流程圖

本裝置的軟件設計基于ZigBee2006 協議棧編程.在程序設計中，傾斜角傳感器的輸出為模擬信號，故只需啟動CC2431 的AD 轉換功能，溫濕度傳感器和超聲波傳感器的輸出均為數字信號和準數字信號，其中CC2431 的定時1 用于超聲波信號的計時，定時器3 用于濕度傳感器頻率采集定時.在Zig-Bee 數據傳輸的過程中，系統通過Cluster-Tree +AODV 路由來實現組網通信.ZigBee 路由協議中，網絡層的控制分組包括路由請求分組(RREQ)、路由應答分組(RREP)和路由出錯分組(RERR)［9］.

在ZigBee 路由協議中，RN－ 節點需要發送分組到網絡中的某個節點時，采用Cluster-Tree 路由發送分組.RN+節點需要發送分組到網絡中的某個節點，當目標節點沒有路由表的情況下，RN +節點發起建立路由表的過程.首先，源節點創建并向附近節點廣播一個RREQ 分組，如果收到RREQ 的是一個RN-節點，則Cluster-Tree 路由轉發此數據，如果收到RREQ 的節點是一個RN+，則根據RREQ 中的信息來建立相應的路由發現表條目和路由表條目(在路由表中建立一個指向RREQ 中的反向路由)并繼續廣播此分組.然后，數據反向傳輸匯集到源節點，并通過GSM 遠程發送至上位監控端.

3 實 驗

本無線監測試驗裝置為多功能復用裝置，可獨立作為數據采集裝置，也可做傳輸中繼和接收裝置.當裝置需要做數據終端時，將傳感器接入到數據接口上，當需要實現ZigBee 與GSM 的網關轉換時，接上MC37I 就可以實現從ZigBee 與GSM 網絡協議轉換.裝置如圖6 所示.

圖6 無線監測裝置示意圖

在實驗過程中，應用3 個以上該裝置有效地進行組網和數據采集通信，通過串口將采集到的數據傳輸Visual Basic 6.0 設計的監控界面中動態顯示出來，將歷史數據記錄在上位機數據庫中生成動態曲線，系統從動態曲線中可以得出裝置監測到的數據變化，如圖7 所示.

圖7 裝置測試界面

對監測數據進行提取并做平滑處理，其動態曲線如圖8 所示.從圖8 可見，在1 ～12 d，本裝置監測到的位移呈現出一種穩定變化的趨勢;在12 ～15 d，裝置監測的傾角與位移變化突然加大，此表明在這期間監測點周邊環境變化明顯;在15 d 以后，節點監測數據的變化再次趨于平緩.

圖8 數據動態記錄圖

4 結 論

基于ZigBee 和GSM 通信技術設計了一種地質災害無線監測裝置，該裝置在正常情況下處于休眠狀態.當有中斷請求時，節點被啟動，并通過相應的程序發送數據給遠程上位機端.在不同的環境下對監測節點進行測試，實驗測試結果表明，本裝置能夠得到所需要的監測點環境參數值，并遠程發送給控制中心上位機端，能夠較好地實現監測的功能，在地質災害預警中本裝置可起到實際的作用.

［1］傅鶴林，周中，卜翠松，等.地質災害預測預報國內外現狀［J］.湘南學院學報，2006，27(2):43－47.

［2］馬力，崔鵬，周國兵，等.地質氣象災害［M］.北京:氣象出版社，2009.

［3］郭淵博.ZigBee 技術與應用——CC2430 設計、開發與實踐［M］.北京:國防工業出版社，2010.

［4］常喜茂，孔英會，付小寧.C51 基礎與應用舉例［M］.北京:電子工業出版社，2009.

［5］王學文，張志勇.傳感器原理及應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

［6］龍丘智能科技中心.龍丘MMA7361 模塊V1.0 實用手冊［EB/OL］.［2010－10－12］.http://www.lqist.cn.

［7］李明明，何通能.基于MC37I 的數傳終端設計［J］.機電工程，2011，41(4):482－485.

［8］蘆盛，李正岱.基于AT89S52 與GSM 的短消息收發系統［J］.山西農業大學學報，2009，29(5):461－465.

［9］李剛，陳俊杰，葛文濤.一種改進的Cluster-Tree 路由算法［J］.測控技術，2009，28(9):52－55.