基于無線傳感器網絡的邊坡安全監測系統設計

李妍

摘要：在汛期，降雨引發的邊坡滑坡的突發性地質災害愈加頻繁，為盡可能的避免或減少滑坡給人們生命財產造成重大損失，尋求能夠對降雨型滑坡現場監測和安全預警的技術方法，成為目前迫切需要解決的問題。這里在已有滑坡監測系統的基礎上，利用無線傳感器網絡和極限平衡分析方法，設計出了一種以數據采集、處理、存儲、傳輸、分析、預警為一體的監測系統。

關鍵詞：無線傳感器網絡 監測 安全預警

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0174-02

1 引言

據國土資源部公布，2015年我國共發生地質災害8224起，涉及28個省（區、市），死亡及傷亡人數較多，直接經濟損失慘重。在這些地質災害中，以滑坡和泥石流災害發生的最多。我國十分重視對滑坡災害的預警防護技術和方法的研究，投入了大量的人力物力。在2015年，全國共成功預報地災452起，避免人員傷亡20465人，避免直接經濟損失5.0億元[1]。由此可見，對于滑坡的監測和預警不僅是必要的，且是完全可行的，采用科學合理的監測和預警方法，可防患于未然，盡可能避免或減少滑坡造成的重大損失。本文介紹了基于無線傳感器網絡的邊坡安全監測系統設計，可對潛在滑坡實現多區域、無線、遠程、實時監測。

2 邊坡安全監測系統簡介

邊坡安全監測系統由數據采集終端、數據傳輸網絡和遠程信息監控中心三大部分組成。如圖1所示。

降雨是邊坡失穩主要誘因，同時導致孔隙水壓力變化，因而這兩個指標都是評價邊坡穩定性的重要參數，數據采集終端包含雨量和滲壓計傳感器。數據傳輸網絡由終端節點和協調器節點構成。協調器節點在網絡中負責發起建立網絡、管理和無線傳輸功能，這里采用星型拓撲結構。終端節點接收采集到的數據發送給協調器節點，協調器節點通過GPRS網絡發送給與Internet相連的遠程信息監測中心。遠程監測中心由無限邊坡穩定計算模型、數據庫和顯示界面組成，實現對降雨閾值、穩定系數的計算和對現場監測結果顯示、存儲和報警顯示。

3 系統硬件組成

系統硬件主要包括傳感器節點和匯聚節點兩部分。

3.1 傳感器節點硬件組成

傳感器節點以微控制器MSP430F2618為核心，控制傳感器實時數據采集，通過ZigBee模塊與匯聚節點

進行無線通信。節點結構如圖2所示。

傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊、存儲模塊、顯示屏和一些接口電路組成。節點一般使用電池供電，但傳感器進行數據采集時需耗能，電池供電無法滿足需要，故選擇太陽能供電。MSP430處理器通過串口讀取傳感器采集的數據，通過UART接口發送給ZigBee模塊，實現數據無線傳輸。按鍵復位和JTAG接口用于單片機程序調試，EEPROM對數據進行存儲。

3.1.1 處理器模塊

MSP430F2618作為傳感器節點的主控芯片[2]，需對傳感器信息的處理和與CC2530連接。主要設計MSP430F2618芯片的外圍電路，包括復位電路、參考電壓電路、晶振電路、與CC2530芯片接口，RS485的接口，JTAG測試接口。

3.1.2 無線通信模塊

通信模塊要完成與MSP430和節點間通信，每個節點應具備網絡接入和數據傳遞的功能，選用CC2530作為無線通信芯片[3-4]。 CC2530與MSP430F2618連接通過SPI口，MSP430F2618中STE、SIMO、SOMI、UCLK四個引腳與CC2530進行同步模式串口通信。其中SIMO和SOMI引腳是數據輸入輸出線，UCLK是共享時鐘信號線，STE為器件選通信號引腳。當STE為低電平時，器件選通，SIMO和SOMI進行數據傳輸。

3.1.3 電源模塊

電源模塊為節點內各模塊提供驅動能源，是保證系統高效穩定運行的關鍵。太陽能供電系統由太陽能電池板、蓄電池和控制器組成，輸出電壓為12V。系統需要提供12V、5V和3.3V電源，通過LM2596將12V轉變成5V輸出，通過AMS117-3.3將5V轉變成3.3V。

3.2 匯聚節點硬件組成

匯聚節點連接傳感器監測網絡和外部網絡，通過協議轉換實現通信。匯聚節點的硬件組成與傳感器節點相似，只是匯聚節點中MSP430F2618通過UART接口與GPRS模塊的串口相連。GPRS模塊選用BenQ的M23A，該模塊帶有GPRS移動數據以及GSM短消息功能。MSP430F2618與M23A連接，除自身電路外，只需將TXD腳與單片機的RXD1相連，RXD腳與單片機TXD1相連，通過發送AT指令控制GPRS模塊完成數據傳輸功能。

4 系統軟件設計

設計系統軟件設計包括傳感器節點程序、匯聚節點程序和上位機軟件程序設計。系統整體軟件功能設計如圖3所示。

其中CC2530在IAR軟件開發平臺上，利用Z-Stack協議棧的程序實現組網和數據傳輸。GPRS模塊根據AT指令集編寫程序，控制整個數據傳輸流程。上位機程序在VS2010的.NET平臺上實現Web應用服務器和Web瀏覽器的設計。設計SQL數據庫，利用ADO.Net訪問數據庫。

5 結語

在滑坡災害中，邊坡安全監測系統扮演著重要角色，采用科學合理的監測和預警方法，可以防患于未然，盡可能將滑坡災害帶來的人員傷亡和直接經濟損失減小到最低。本設計結合無線傳感器網絡技術和數據庫應用，使系統成本降低，布設更加靈活，監測數據實時性和準確性更高。

參考文獻

[1]華政.國土資源部公布2015年全國地質災害情況[N].中國氣象報社，2016-01-05.

[2]洪利，章揚，李世寶.MSP430單片機原理與應用實例[M].北京：北京航天航空大學出版社，2010.

[3]彭力.無線傳感器網絡原理與應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，2014.

[4]程霄.基于邊坡監測系統的無線傳感器網絡關鍵技術研究[D].重慶：重慶大學，2014.