一種基于ZigBee組網技術的山體滑坡監測系統設計

周海晶 唐天聰

摘 要：山體滑坡是一種常見的具有較強破壞性的自然災害，該文提出了通過ZigBee技術將土壤含水量、空氣溫濕度、加速度及位移等傳感器構成網絡信號采集終端，終端數據利用GPRS傳輸到上位機，對山體滑坡災情進行精確監測，該系統在黔江區易滑坡地帶進行系統聯機測試，各傳感器采集數據正常，ZigBee組網穩定，數據傳輸正確、完整，為山體滑坡預警提供了技術支持。

關鍵詞：山體滑坡；ZigBee；GPRS

中圖分類號：TP277 文獻標志碼：A

0 引言

該文設計的基于ZigBee技術的山體滑坡監測系統由數據采集終端、監控中心上位機軟件和監控主機3個部分組成。數據采集終端由傳感器和CC2530片上系統構成，軟件編寫是基于IAR嵌入式應用開發平臺，監控主機微控制器使用ST公司生產的STM32系列單片機，GPRS網絡采用SIM900A模塊，將采集到的數據在監控主機的控制下傳輸至上位機，監控中心上位機軟件用LabVIEW開發環境編寫，該環境是一種用圖標代替文本行應用程序的圖形化編程語言，功能強大，使用生動有趣。監控主機還存儲歷史數據，以便調用分析，實現山體滑坡的遠程監控，系統原理圖如圖1所示。

1 硬件設計

1.1 數據采集終端設計

數據采集終端通過傳感器采集監控區域的物理信息，各終端加入監控主機中的協調器所建立的ZigBee網絡中，終端采集的數據通過ZigBee無線網絡進行數據間的交互。終端傳感器由位移、土壤濕度、溫濕度、加速度等傳感器等構成，加入無線網絡的功能主要是ZigBee負責。

1.2 監控主機設計

監控主機包括主機微控制器、ZigBee協調器和遠程數據傳輸3個部分。監控主機是數據采集網絡“承上啟下”平臺，接收上一級數據采集終端傳感器網絡數據，通過分析處理，將數據存儲于外部大容量的存儲設備中，利用遠程數據傳輸將處理后的數據送至上一級監控中心上位機，以便上位機軟件調用、處理及顯示。

1.3 GPRS模塊設計

GPRS技術利用GSM系統的無線結構，通過在GSM網絡中增加數據設備提高傳輸速率，保證采用GSM系統的運營商從2G到2.5G的平滑過渡，實現從電路方式到話音/分組方式的轉變。該系統選擇SIMCOM公司生產的SIM900A工業級雙頻GSM/GPRS模塊。該模塊性能穩定、價格低廉對用戶具有較高的性價比。系統中使用SIM900A的GPRS遠程數據傳輸功能，監控主機的微處理器STM32F103與SIM900A通過串口進行交換數據，連接關系見表1。

2 軟件設計

軟件設計主要由數據采集終端、監控主機和系統上位機軟件設計3個部分組成。其中數據采集終端軟件設計完成各傳感器初始化驅動、采集終端初始化配置及與監控主機數據交互；監控主機軟件設計包括協調器初始化配置、STM32F103主機初始化配置、SIM900A初始化配置及數據上傳等；上位機軟件設計實現與監控主機的數據傳輸及相關參數顯示。圖2為系統軟件功能結構圖。

2.1 數據采集終端設計

數據采集終端軟件設計解決2個內容，一是相關傳感器的驅動、數據采集；一是尋找ZigBee無線網絡后加入網絡將采集到的數據發送至上一級。開發過程中，TI官方提供有符合ZigBee2007/PRO協議的Z-Stack協議棧，協議棧集中封裝了ZigBee各層定義的協議，通過調用函數實現每個層間的通信，且提供一些應用層API以方便用戶直接調取使用。因此在利用協議棧進行軟件開發時，用戶在了解各層之間通信數據的“來龍去脈”后，完成程序開發，就可實現ZigBee無線通信，不必考慮ZigBee協議各層的定義標準和實現細節，縮短了開發周期，降低了設計難度。

2.2 監控主機軟件設計

主機微控制器選擇的是基于Cortex-M3內核的STM32F-

103ZET6嵌入式芯片，軟件設計使用uVision5 IDE 集成開發環境的Keil MDK5.14版本進行軟件開發。主機微控制器接收ZigBee協調器上傳的數據，處理后命令GPRS模塊將數據發送至監控中心上位機，同時在外部SD卡上存儲重要數據，以備日后調用分析。

2.3 上位機軟件設計

采用LabVIEW軟件作為上位機開發平臺，完成GPRS模塊與上位機點對點的交互工作，設計實時監控和數據管理功能，在實時監控功能中有實時數據顯示和控制參數設置子功能；在數據管理功能中包括了預警記錄查詢、歷史數據和歷史曲線查詢2個子功能。

3 系統測試分析

為了測試和評估系統的正確性和穩定性，調試環節分為ZigBee組網測試與系統聯機測試2個部分，在ZigBee組網測試中，硬件成功組網，利用USB Dongle抓取ZigBee無線數據包進行輔助分析；聯機測試分為監控主機數據和整機測試，2個部分利用串口調試助手和上位機進行顯示。測試結果表明系統數據顯示正確，如圖3所示。

參考文獻

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