基于ＷＳＮ與ＭＥＭＳ器件的山體滑坡監測系統設計

王健 盛慶元

摘要：針對目前山體滑坡監測難度大、設備成本高、測量精度低、實時性差等問題，提出了WSN技術與MEMS器件在山體滑坡監測系統中的應用。采用低成本的MPU-9150（集成三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁強計）代替傳統的傾角傳感器，在保證精度的基礎上，大大減小了傳感器體積，便于安裝施工;利用CC2530控制器組建ZigBee網絡，將各傳感器節點的數據進行匯總融合傳遞給GPRS網關，最終將數據送給遠程監控中心。系統上位機能夠對實時傳感器信息進行分析、處理和存儲，能夠顯示各節點的空氣溫濕度信息、降雨量、不同深度土壤傾斜角、加速度等基礎信息，還能夠為不同參數設置報警閾值，操作簡單便捷。應用結果表明，基于WSN與MEMS器件的山體滑坡監測系統具有易于擴展、覆蓋范圍廣、節點生存周期長等特點，有較強的實用價值。

關鍵詞：WSN;ZigBee;GPRS;山體滑坡

中圖分類號：TP277? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2018）21-0138-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.21.036? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Design of Landslide Monitoring System Based on WSN and MEMS Devices

WANG Jian，SHENG Qing-yuan

（Shaoxing Vocational & Technical College，Shaoxing 312000，Zhejiang，China）

Abstract： In view of the difficulties in monitoring the current landslide， the high cost of equipment， low measurement accuracy and poor real-time performance， the application of WSN technology and MEMS devices in landslide monitoring system is put forward. Using low-cost MPU-9150（integrated three axis gyroscope， triaxial accelerometer and triaxial magnetometer） instead of traditional tilt sensor， it greatly reduces the volume of the sensor and facilitates the installation and construction on the basis of ensuring the accuracy; Meanwhile， ZigBee network is established with CC2530 controller， it integrates the data of each sensor node into the GPRS gateway. And finally the data is sent to the remote monitoring center. Computer system can analyze， process and store real-time sensor information， and it can show the information of air temperature and humidity of each node， rainfall， soil inclination angle， acceleration and other basic information of different depths. At the same time， the alarm threshold can be set for different parameters， the operation is simple and convenient. The application shows that the landslide monitoring system based on WSN and MEMS devices has the characteristics of easy expansion， wide coverage and long life cycle of nodes. It has strong practical value.

Key words： WSN; ZigBee; GPRS; landslide

山體滑坡是中國較為常見的地質災害之一，嚴重威脅著山區人民的生命財產安全，一旦發生就會嚴重阻礙人民的正常生產生活，造成巨大的人員傷亡和財產損失[1]。近年來，中國對于山體滑坡的監測力度逐步加大，監測手段也逐步增多，常用的監測方法有衛星遙感監測法、近景取景攝影法、GPS以及GIS等多種方式，但是這些方法都具有成本高、實時性差、覆蓋面受限等問題，遠不能滿足現實監測需要。

山體滑坡的主要誘因有地震、降雨和融雪、地表水的沖刷、浸泡以及不合理的人類工程活動等，要想較好地預防和監測山體滑坡情況就需要實時獲取待測區域的環境溫濕度信息、降雨量、地下水位以及各層土壤的傾斜角度?；跍y量的實際需求，并充分借鑒了傳統測量方法，本文提出了一種基于WSN（Wireless Sensor Network）和MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）器件的山體滑坡監測系統[2，3]，利用CC2530控制器搭建無線傳感器網絡，傳感器節點利用MEMS器件獲取各層土壤的傾斜角度[4];利用雨量計得到該點的降雨量;搭配溫濕度傳感器獲取該點的環境溫濕度，采集完成后將信息發送到ZigBee協調器[5，6]，通過GPRS模塊將數據發送到遠程控制中心[7]，從而實現對滑坡的實時監測[8]。

1? 系統總體設計

山體滑坡監測系統由WSN監測網絡、通信網關以及監控終端三部分組成。其中WSN監測網絡使用ZigBee網絡進行通信;網關部分主要由GPRS模塊構成，ZigBee網絡的協調器節點與GPRS網絡模塊通過串口連接[9];系統監控終端主要由上位機監控軟件組成，通過監控終端能夠實時查詢WSN各節點的傳感器信息[10]。

系統整體框圖如圖1所示。系統運行過程如下：由于山體滑坡監測具有范圍廣、節點多、實時性強等特點，所以系統設計利用ZigBee節點組成WSN網絡覆蓋整個待測區域[11]。如圖1所示，ZigBee節點可以分為終端節點、路由器節點以及協調器節點，終端節點實時采集山體不同深度土壤的位移值和加速度值、節點所在位置的降雨量、溫濕度值等信息[12，13]，并將測量信息經路由器節點轉發到協調器節點，協調器節點通過串口與GPRS網關模塊進行連接，網關最后通過GPRS網絡將測量信息傳遞給遠端的監控終端。系統監控終端可以提供直觀的數據顯示存儲、節點切換、數據分析以及預警值設置等服務。

2? 系統硬件設計

系統硬件設計主要包括ZigBee節點設計、網關設計、傳感器模組以及電源設計[14]。由于ZigBee網絡是系統工作的基礎，所以ZigBee節點的設計至關重要，雖然ZigBee節點可以分為協調器、路由器以及終端節點，但是其核心硬件基本一致，僅在接口部分存在細微差異。此外，由于山體滑坡監測的特殊性，在傳感器設計時也要充分考慮其防水與安裝因素[15]。由于系統待測區域為野外容易發生山體滑坡區域，所以系統的傳感器模組、ZigBee終端節點、ZigBee路由節點采用電池供電，ZigBee協調器與GPRS網關采用5 V直流電源供電。

2.1? ZigBee節點設計

系統采用低功耗CC2530芯片作為ZigBee節點的主控器，雖然系統所涉及的節點有協調器、路由器以及終端節點3種，但是3種節點硬件基本一致，僅終端節點需要外置一些傳感器接口。CC2530芯片作為TI（德州儀器）公司低功耗的典型代表，其內置一個增強型8051單片機，具有18個中斷源、8路ADC以及豐富的I/O口，完全能夠滿足系統設計需求。特別是該單片機通過不同工作模式的合理設置，在兩節5號電池驅動下可以工作2～3年[16]。

系統所設計CC2530核心板電路圖如圖2所示，CC2530核心板上連接了32 MHz與32.768 kHz 2個晶振，能夠滿足系統在不同工作模式下的需求。通過電路圖可知，核心板電路較為簡潔，外圍器件較少，模塊體積可設計得較小，為部署帶來較大便利。

2.2? 傳感器模組設計

系統要采集的環境信息有空氣溫濕度信息、降雨量、山體不同深度的土壤、巖層的傾斜角、加速度等，由于系統設計的ZigBee終端節點的接口較為豐富，能夠滿足不同模擬、數字傳感器的接入，為傳感器選型帶來了極大的便利。

地下水位深度是監測山體滑坡的重要指標，因此水位深度測量是傳感器模組設計的重要部分，水位傳感器在具體安裝時需要現場打孔，并在孔洞最下方進行部署，能夠實時監測孔洞下方的液位變化。為保證液位測量的準確性，系統選取投入式液位傳感器SIN-P260，其測量范圍為0～10 m，測量精度為0.5%左右，輸出信號為4～20 mA電流信號，通過采樣電阻即可以轉換為0～3.3 V電壓信號直接與單片機AD端口連接。

為測量不同層次土壤與巖層的傾斜角與加速度，系統利用MEMS器件（MPU-9150）來代替傳統的傾角傳感器，在保持測量精度的基礎上，能夠大大減小傳感器的體積，便于安裝實施。MPU9250是一款9軸運動跟蹤裝置，它在小小的3 mm×3 mm×1 mm的封裝中融合了3軸加速度，3軸陀螺儀以及數字運動處理器（DMP）并且兼容 MPU6515。MPU-9150提供I2C和SPI兩種總線通信方式，系統在具體使用時，為節省成本同一總線上需要掛載多個設備，MPU-9150的I2C總線最多只支持掛載兩個設備，不能夠滿足具體需求。MPU9250的SPI有4根線（CS，SDO，SCLK，SDI），2根作為控制線，2根作為數據線，MPU9250作為SPI Slave角色，可以在同一個總線上掛載多個MPU9250，能夠實現不同深度土壤、巖層的傾斜與位移監測，簡單便捷。圖3為CC2530與MPU9250通過SPI總線連接的圖示。

由于降雨的地域覆蓋面較廣，在對待測區域進行降雨量測量時，不需要每個節點都布置雨量計，僅需在整個待測區域平均布置即可。系統選取的雨量計為常規翻斗式雨量計，其測量范圍≤4 mm/min，測量誤差在4%左右，輸出信號同樣是4～20 mA電流信號，經過采樣電阻即可轉換為0～3.3 V電壓信號。

在低功耗要求下，系統的環境溫濕度傳感器選用TI公司的HDC1050型數字溫濕度傳感器，它能夠以極低的功耗實現出色的測量精度，能適應較寬的電壓范圍，工作電壓低至2.7 V。

系統傳感器模組與主控芯片連接框圖如圖4所示。

2.3? GPRS網關

GPRS網關主要實現與ZigBee協調器進行數據交互，將ZigBee網絡采集的傳感器信息傳遞給遠程監控平臺。系統選擇了SIMCOM公司的工業級四頻芯片SIM800設計了GPRS網關模塊，可以低功耗實現語音、數據以及傳真等信息傳輸。此模塊使用簡單便捷，通過串口與CC2530連接，使用AT指令就能夠對模塊進行編程，經測試該模塊通信較為穩定。

3? 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括CC2530程序開發和上位機監控軟件兩部分。其中CC2530程序開發還包括傳感器信息采集程序和ZigBee組網程序，CC2530程序開發主要在IAR平臺上進行。系統上位機監控軟件利用C#進行開發，數據庫使用SQL Server進行維護管理，具有較強的可遷移性和可擴展性，為系統的后續擴展開發提供了基礎。

3.1? 傳感器信息采集程序設計

傳感器信息采集是實現系統功能最為重要的部分，由上文可知系統所使用的傳感器種類較多，涉及液位、溫濕度、角度、加速度以及降雨量等多種環境信息，其中液位傳感器以及降雨量傳感器是利用AD（模數轉換）連接的，兩種傳感器返回的均是4～20 mA電流信號，經過采樣電阻后轉換成0～3.3 V的電壓接入單片機管腳。由于兩路信號的模擬量需要同時進行采集，所以設置CC2530進行序列ADC轉換，可以通過將兩個傳感器的模擬量信號轉換成數字信息，并能夠把結果通過DMA傳送到存儲器，而不需要CPU任何參與。通過序列轉換的方式能夠在保證ADC轉換效率的同時減少CPU資源的消耗，在一定程度上降低了系統功耗。

由于MPU9250內部實際集成的是一個MPU6500和一個三軸磁力計AK8963。雖然MPU6500支持SPI通信，但是AK8963僅支持I2C讀寫，所以單片機讀取磁力計的數據首先要通過MPU9250內部自帶的I2C將磁力計數據讀取暫存，再通過SPI總線將數據傳給單片機。利用MEMS器件得到最終的姿態信息，首先要獲取MPU9250器件的九軸數據，然后對原始數據進行濾波去噪，使數據變得準確，接著利用四元數對姿態進行解算，最后利用卡爾曼濾波算法對數據進行融合，得到姿態信息，具體過程如圖5所示。

3.2? ZigBee網絡程序設計

系統中ZigBee網絡是構建WSN網絡的基礎，系統的ZigBee節點可以分為協調器、路由器以及終端節點。終端節點負責采集傳感器信息、路由節點負責接收轉發、協調器節點負責匯總信息并通過網關將數據統一發送出去，3種類型的節點均搭載ZigBee協議棧，由于ZigBee網絡具有自組織、多跳的特性，所以組網簡單方便。

在具體部署時，為節約能源提高節點生存周期，ZigBee終端節點將采用定時喚醒模式進行工作，此模式下節點具有兩種工作狀態，一種為休眠模式，另外一種為喚醒模式。在休眠模式下節點僅保留低速時鐘，降低功耗，待到定時時間到時MCU被喚醒，打開RF，采集完傳感器信息后將信息通過路由節點發送到協調器，發送完成后又關閉RF，進入到休眠狀態。

以SIM800為核心的GPRS網關與ZigBee協調器連接較為簡單，直接利用串口相連即可。數據發送均可通過串口AT指令來完成，穩定便捷。

3.3? 遠程監控軟件設計

系統遠程監控軟件采用C#進行開發，主要分為實時監控、數據分析、數據記錄以及報警信息4個部分。在實時監控界面中可以查看網絡中ZigBee節點的狀態，對在線的節點可以點擊查看其掛載的傳感器，并在圖表框中查看到實時的傳感器監測數據;在數據分析界面下可以對當前的數據進行圖表統計分析，設置不同的圖表結構;在數據記錄界面可以查看已存儲在數據庫的傳感器信息，并提供數據的導出服務;在報警信息界面可以對不同節點傳感器的報警閾值進行設置，并且能夠查看到最近24 h傳感器所觸發的報警信息。圖6為實時監控界面的運行效果圖。

4? 試驗結果與分析

系統設計完成后進行了試驗測試，測試場地選擇沿河斜坡，并在測試場地進行組網測試。共布置終端節點12個、路由器節點5個、協調器節點1個以及1個GPRS網關。測試數據包括環境溫濕度、液位、加速度以及傾角值等。

考慮到山體滑坡監測的特殊性，在試驗時網關以6 s為周期上傳，遠程監控上位機僅在用戶選定時顯示相應的測試數據，如用戶沒有選擇具體要顯示的信息則自動存儲在數據庫。為驗證系統準確性，選用商用液位計及手持式溫濕度測量儀作為測試工具，與系統所測數據進行對比。由于環境溫濕度信息與液位信息所得數據較為直觀，并具有參考對象，所以本文僅對這部分進行分析。

4.1? 液位信息測試

在測試場地進行打孔安裝液位傳感器，為驗證系統的準確性，利用海源HY-136型一體液位變送器先測量孔內的液位高度，并加水將液位提高到? ?1 m（以HY-136測量結果為準），每隔10 min測量一次數據并分別記錄兩種設備測量值，兩種設備測量結果如圖7所示。從圖7中能夠看出，系統所選用的液位傳感器得到的值與HY-136型液位變送器所測結果基本一致，誤差在0.5%以內，能夠滿足實際需求。

4.2? 空氣溫濕度參數測試

空氣溫濕度值作為常用的環境參數，其準確性也不容忽視。為提供較好的比較，選擇工業用VC231溫濕度計在節點附件進行溫濕度測量，間隔5 min測量一次與系統傳感器所得到的值進行比較。圖8為兩種方法所得溫度值的對比曲線，圖9為兩種方法所得濕度值的對比曲線。通過曲線能夠得到系統傳感器所得到的溫濕度值與VC231溫濕度計所測結果基本一致，且變化趨勢相同。

5? 小結

基于WSN與MEMS器件山體滑坡監測系統，創新地采用MEMS器件作為傾斜角的測量傳感器，在保證精度的基礎上大大降低了測量成本。利用ZigBee節點組建WSN網絡，搭配GPRS模塊作為網關，解決了測量面積大、部署困難以及所測區域偏遠通信困難的問題，系統設計的遠程監控上位機能夠實現實時監測、數據分析、數據存儲、報警提醒等多種功能，界面美觀實用。通過實驗測試，系統各項傳感器數據準確穩定，誤差較小，能夠滿足山體滑坡監控的實際需求，同時系統的解決方案能夠為其他遠程環境監測系統提供參考。

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