基于ZigBee的山體滑坡遠程監控系統①

劉 健, 陳浩宇, 黃 楷, 洪 瑋, 賴濱濱, 汪華斌, 黃 震

(惠州學院 計算機科學系, 惠州 516007)

基于ZigBee的山體滑坡遠程監控系統①

劉 健, 陳浩宇, 黃 楷, 洪 瑋, 賴濱濱, 汪華斌, 黃 震

(惠州學院 計算機科學系, 惠州 516007)

針對現有山體滑坡預警系統中有線傳輸、人工播報等弊端, 采用MPU6050三軸加速度傳感器設計一種低功耗、高精度的山體滑坡遠程監控系統. 系統通過ZigBee無線傳感器網絡采集數據, 并利用卡爾曼濾波算法修正測量中的誤差以提高數據精度. 通過物理原型測試, 系統運行順暢, 符合設計要求.

山體滑坡; ZigBee; 監控; 卡爾曼濾波算法

1 引言

我國是一個地質災害頻繁發生的國家. 主要災害包括洪澇、臺風、山體滑坡、干旱等. 其中山體滑坡災害的影響最為嚴重[1]. 近年來, 在預防山體滑坡工程方面, 主要以山區地質結合滑坡變形特征來獲取受監測滑坡體所處的變形階段[2]來建立評估和預警體系.

文獻[3]和文獻[4]對山體滑坡產生的原因提出: 滑坡形成的過程分3個大階段: 初始變化期, 穩定變化期, 劇烈變化期. 邊坡的形變是造成山體滑坡的直接因素. 根據系統需要, 采用MPU6050三軸加速度傳感器采集山體環境信息, 以網絡的終端路由器節點為簇頭構建傳感器網絡, 通過GPRS網關將傳感器數據發送給服務器并進行處理, 并通過前端顯示為控制站用戶提供預警判斷.

將無線傳感器網絡(WSN)應用于山體滑坡監測已成為各國研究開發的重點, 一些科研院所和公司在這方面進行了大量的工作, 做出了豐碩的科研成果和產品. 結合ZigBee通信技術, 實現對監測區域的遠程實時監控, 提高山體滑坡預警的準確性, 可以及時的發出警報, 爭取更多的應急時間[5].

文獻[6]認為, 采用低功耗的廉價無線傳感器, 能夠提高監測系統部署成本, 實現監測系統大范圍推廣.方案經過滑坡演變的理論分析, 得出較精確的滑坡預報時間, 以便有關部門能夠提前對將要發生的危機情況采取相應的處理措施, 能夠有效地保護國家和人民的生命財產.

本系統克服了山體監測區無人值守, 遠距離布線以及數據傳輸的問題, 通過ZigBee無線低功耗多傳感器網絡建立無線監測系統對山體狀態進行實時監測和預警, 方便了控制站工作人員遠程實時得到高可靠性的監測數據.

2 系統架構

山體滑坡監測系統由無線傳感器監測網絡、GPRS網關和遠程監控中心三部分組成. 硬件由ZigBee模塊、GPRS模塊、MPU6050三軸加速度傳感器、電源等組成. 實物模型如圖1所示, 具體系統架構如圖2所示.

圖1 模型實物圖

圖2 系統架構

2.1 ZigBee模塊

方案采用TI公司的CC2530芯片. 它能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點, 具有不同的運行模式, 使得它適應超低功耗要求的系統. 運行模式之間的轉換時間進一步確保了其低功耗的特點. 具體結構如表1所示[7].

表1 ZigBee模塊結構

圖3 GPRS模塊硬件框圖

系統終端是一個半功能節點, 主要功能是請求加入網絡, 接收來自主節點的信息數據. 節點通電后,會進行硬件和ZigBee協議棧初始化, 自動請求加入網絡, 一旦成功加入網絡, 終端節點按照其內部定時器控制, 按規定時間(設置每隔2秒)向協調器節點發送一次數據, 其他時間則處于休眠狀態[8].

2.2 GPRS模塊

系統采用華為 GTM900-C 無線模塊, 模塊硬件框圖如圖3所示, 這是一款兩頻段GSM/GPRS無線模塊. 它支持標準的AT命令及增強AT命令, 實現ZigBee網絡向以太網的轉換, 是高速數據傳輸等各種應用的理想解決方案.

2.3 MPU6050傳感器模塊

系統采用的MPU-6050三軸加速度傳感器為全球首例整合性6軸運動處理組件, 傳感器結構如圖4所示. 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. 相較于多組件方案, 免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題, 減少了大量的封裝空間.

圖4 MPU6050傳感器

3 系統設計

3.1 傳感器數據采集設計

無線傳感器網絡有星型結構, 簇結構和網狀結構.方案根據監測區域的實際情況布置終端節點組建監測網絡采集環境信息. 具體數據傳輸處理流程如圖5所示.

圖5 數據傳輸流程圖

3.2 PC上位機軟件設計

PC上位機采用C#開發, 上位機接收處理來自服務器傳送的數據并在前端顯示, 為控制站提供了直觀化、人性化的界面.

該軟件采用邊坡傾斜角Angle值作為預警依據,設定山體當前Z軸邊坡的傾斜角Angle值為正常狀態.文獻[2]指出, 滑坡學包含滑坡孕育、發展、變形破壞的過程、規律以及其影響因素. 需要采集大量的數據建立預警系統.

本實驗通過物理原型模擬山體邊坡發生斷裂的情況, 程序設置角度超過正常值范圍+2度(通過物理模型多次實驗, 發現角度超過正常值+2度預警效果最好,所以本系統設置閾值為+2度)為邊坡發生斷裂的異常情況, 加以x軸和y軸的加速度ACCEL值輔助判斷,標記記錄異常數據, 并提示聲音預警. 具體軟件功能流程如圖6所示.

圖6 PC軟件流程圖

4 系統的實現

4.1 傳感器數據處理

服務器接收處理來自網關的傳感器數據, 具體數據如圖7所示. 具體數據格式如下: AT%IPSEND= "0100C533FF601B4A000AFFDE0029"http://傳感器原始數據, 數據為28個字節,

圖7 傳感器原始數據測試界面

根據系統需要, 設置前4位為標志位, 標志不同傳感器發送的數據. 并將各個數據的高8位跟低8位結合成一個16進制數, 計算邊坡傾斜角角度Angle值和加速度ACCEL值.

4.2 服務器測試

啟動服務器, ZigBee協調器通過GPRS模塊發送AT指令與服務器進行通信. 文獻[9]和文獻[10]指出:由于環境干擾的同時易導致信號發散或丟失從而對信號產生影響. 因此, 方案利用卡爾曼濾波算法, 定義最大差值, 對比前后兩次數據來進行濾波處理以提高接收邊坡傾斜角Angle值的準確性. 處理結果如圖8所示.

圖8 服務器數據處理結果

4.3 上位機測試

打開PC上位機, 上位機獲取服務器數據, 并對獲取到的數據進行處理和判斷, 利用處理出來的Z軸數據畫出坐標圖, 另外顯示出相對應的數據, 同時將處理出來的X軸和Y軸數據記錄在文本框, 當抓取到異常數據時, 發出警報聲并將記錄該Z軸異常數據. 上位機測試界面如圖9所示.

圖9 上位機顯示界面

4.4 WEB軟件測試

在瀏覽器輸入遠程山體監測系統網址. WEB軟件如圖10所示. 獲取山體環境數據, 方便了監測人員能夠不受環境地點的影響, 實時地查看山體狀態.

圖10 WEB客戶端界面

5 結語

本系統實現在惡劣環境中多角度采集環境信息,遠距離傳輸數據, 并利用卡爾曼濾波算法修正測量過程中的隨機誤差. 采用PC上位機和WEB客戶端實時更新傳感器數據并判斷異常情況來建立安全預警模型,實現控制站對監控地區的實時遠程監測及預警. 通過物理原型測試實驗, 系統符合山體滑坡實時監控需要,具有重要的應用價值.

1 劉肖忠.基于圖像方式的山體滑坡實時遠程監測方法設計[碩士學位論文].南昌:南昌航空大學,2013.

2 邱健壯.GPS監測山體滑坡研究[碩士學位論文].北京:中國農業大學,2005.

3 王作成.基于ZigBee的山體滑坡預警系統研究與設計[碩士學位論文].蘭州:西北師范大學,2013.

4 朱望純,龐少東.一種基于Zigbee與GPS山體滑坡監測系統開發.計算機測量與控制,2014,9:2779-2780,2788.

5 洪新,吳珂,王波,盧鵬.基于ZigBee技術的山體滑坡預警系統設計.硅谷,2011,1:51,36.

6 胡穎.基于無線傳感器網絡的山體滑坡監測預警系統設計與研究[學位論文].重慶:重慶大學,2011.

7 王波,李文田,梅倩.滑坡監測的無線傳感器網絡定位系統設計.計算機應用,2012,7:1831–1835.

8 薛艷亮,胡建萍,王江柱.基于分布式編址機制的ZigBee組網技術研究.杭州電子科技大學學報,2008,28(2):33–36.

9 曹春萍,羅玲莉.基于卡爾曼濾波算法的室內無線定位系統.計算機系統應用,2011,20(11):76–79.

10 焦尚彬,宋丹,張青,唐金偉.基于ZigBee無線傳感器網絡的煤礦監測系統.電子測量與儀器學報,2013,14905(27): 436–442.

Mountain Landslide Remote Monitoring System Based on ZigBee

LIU Jian, CHEN Hao-Yu, HUANG Kai, HONG Wei, LAI Bin-Bin, WANG Hua-Bin, HUANG Zhen
(Department of Computer Science, Huizhou University, Huizhou 516007, China)

In order to overcome the disadvantages such as wired transmission and manual notification in conventional pre-warning systems for mountain landslide, this paper proposes a low-power and high-accuracy remote monitoring system for mountain landslide, which is designed with a three-axis acceleration sensor MPU6050. The system uses ZigBee wireless network to collect sensor data and utilizes Kalman filtering algorithm to reduce deviation in the result to improve higher accuracy. After being tested with physical prototype, the system runs stably and meets the design requirements well.

mountain landslide; ZigBee; monitoring; Kalman filtering algorithm

惠州市科技計劃(2015ZX023);惠州學院自然科學項目(hzuxl201417)

2016-04-04;收到修改稿時間:2016-05-16

10.15888/j.cnki.csa.005574