基于無線傳感器網絡的山體滑坡監測系統設計

周麗娟

摘 要：設計出一種基于無線傳感器網絡的山體滑坡監測系統，實現傳感器數據實時采集、數據可靠遠程傳輸、建立數據庫，從而掌握邊坡的變化趨勢，了解邊坡的穩定性，為可能造成的危害及后期的加固處理提供數據支持。

關鍵詞：無線傳感器網絡；山體滑坡；災害預警；GPS；ZigBee

引言

近年來，山體滑坡已成為僅次于地震的第二大地質災害，不僅造成了一定程度的人員傷亡和財產損失，也對道路交通造成了嚴重的威脅。對滑坡災害的監測預報不僅是必需的，而且是完全可能的。采取科學合理的監測預報手段，可以防患于未然，可以將滑坡災害損失減少到最低點。因此，研發高性能、高實時性和高可靠性的山體滑坡在線監測系統成為當前滑坡研究迫切需要解決的問題。本文設計了一種基于無線傳感器網絡的山體滑坡監測預警系統通信架構由ZigBee無線通信網絡、GPRS網絡和Internet網絡構成，將現代通信技術和計算機技術結合在一起，能夠及時、準確、全面地反映監測山體的情況，同時很好的彌補傳統方式的缺點。

基于無線傳感器網絡的山體滑坡監測預警系統通信架構由ZigBee無線通信網絡、GPRS網絡和Internet網絡構成，將現代通信技術和計算機技術結合在一起，能夠及時、準確、全面地反映監測山體的情況，同時很好的彌補傳統方式的缺點。山體滑坡監測預警系統由山體數據采集部分、GPRS無線數據傳輸終端、數據監控中心三大塊組成，網絡架構如圖1所示。

2、系統硬件設計

本設計山體參數在線監測裝置硬件結構采用如圖2所示的硬件框架。主要包括微處理器、ZigBee芯片、傳感器和存儲器。微處理器選用Atmega128L，MCU將傳感器采集到的數據進行放大濾波處理后將數據傳送到射頻模塊。射頻模塊選用Chipcon公司的CC2530芯片作為無線收發前端，遵循ZigBee網絡協議的數據包向路由節點/網關設備發送，同時也接收路由節點/網關設備發來的指令及數據。系統發射發射頻率為2.4GHz，在不加功率放大器的前體現，點對點通信能力可達120M，并且通過ZIGBEE自組織、自修復的網絡結構，網絡容量理論上可達65536個。

影響滑坡形成的主要因素有：地質構造、地形地貌、外部動力觸發和人類活動等。其中，大氣降水是滑坡形成的最主要外部因素，降雨致使地下水位上升、巖石應力發生變化、抗剪強度降低，當地表形變發展到一定程度時，產生滑坡。降雨量、地表變形、地應力、地下水、孔隙水壓力是反映滑坡形成機理的主要參數，因而成為滑坡觀測的主要對象。因此，傳感器主要選用雨量傳感器、傾角傳感器、加速度傳感器、溫濕度傳感器和應力傳感器對山體的雨量、地表變形、滑坡位移和地應力等參數，對山體參數的全面監測。

網關接入模塊是連接傳感器網絡與外部網絡，實現兩種協議棧之間的轉換，同時發布處理節點的監測任務，并把收集到的數據轉發到外部網絡，硬件結構如圖6所示。網關接入模塊的硬件設計選取GPRS（General Packet Radio Service）無線方式與外部Internet網絡聯接。因此，在進行網關接入模塊設計時，利用GPRS通信模塊實現與外部Internet網絡和個人移動終端進行通信。網關實現了與傳感器網絡內部各節點通訊，與外部網絡的互連，成為無線傳感器網絡與外部網絡連接的可靠紐帶，是整個設計的關鍵。其中 MCU 是主控部分選用嵌入式ARM芯片；ZigBee芯片選用CC2530；GPRS射頻選用采用SIMCOM公司生產的SIM900E， 該模塊具有標準的AT命令接口，為GSM語音、短消息以及GPRS數據業務提供無線接口。網絡接口備用。

3、系統軟件設計

系統軟件包括監測節點軟件和后臺監控軟件兩部分。底層節點監測到山體環境數據后，通過無線傳感器網絡組網將數據傳輸Internet，后臺服務器通過Socket監測端口數據，收到數據后進行分析、存儲和顯示，實現山體滑坡預警，整體流程圖如圖4所示。

監測節點通過雨滴傳感器、角度傳感器、溫濕度傳感器監測山體環境信息，然后通過ZigBee組網將數據發送到網關節點，網關節點再通過GPRS將數據發送到網絡中，整個流程如圖5所示。

傳感器采集數據傳送到CC2530終端，再發送到協調器，最后到GPS 模塊。

4、結束語

本文設計了山體滑坡監測系統的總體架構，研制出了高可靠性、高穩定性、低功耗的山體滑坡參數在線監測節點，集成了ZigBee無線通信技術、GPRS通信技術，實現山體土壤的溫度、濕度、角度、雨量等參數的在線監測和遠程無線傳輸功能。

參考文獻

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