我國的地質災害種類繁多,，而且地質條件復雜,，地質災害分布范圍廣，突發(fā)性和破壞性非常強，因此對地質災害進行實時在線監(jiān)測,，可以降低地質災害的危害性和破壞性，有效地減少和保護人民生命財產,。傳統(tǒng)的地質災害監(jiān)測手段已經不能滿足當前監(jiān)測技術手段的要求,，因此本文將傳感器技術、無線網絡技術應用到地質災害監(jiān)測系統(tǒng)中,結合ZigBee無線傳感器網絡技術,，以32位高性能微處理器PIC32單片機作為協(xié)調器和數(shù)據采集器,，實現(xiàn)對地質災害監(jiān)測點的數(shù)據實時采集和分布式管理,極大地提高了地質災害監(jiān)測的實時性和可靠性。
1 系統(tǒng)總體設計
    地質災害無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據監(jiān)控中心,、GPRS網絡(或北斗衛(wèi)星),、協(xié)調器、路由器節(jié)點及傳感器節(jié)點,，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示[1],。地質災害無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)的任務主要是負責實時監(jiān)控地質災害現(xiàn)場數(shù)據，通過GPRS或者北斗網絡傳輸?shù)胶蠖藬?shù)據監(jiān)控中心,，數(shù)據監(jiān)控中心通過一系列的數(shù)據解析和分析來自動判斷地質災害現(xiàn)場所發(fā)生的情況,，給監(jiān)測人員提供可靠的決策依據。

    地質災害無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)的前端是傳感器節(jié)點,，它負責實時采集地質災害現(xiàn)場數(shù)據,，主要包括雨量、位移,、傾斜,、含水率、泥水位等,，傳感器節(jié)點將采集到的現(xiàn)場數(shù)據發(fā)送給路由器節(jié)點,，路由器節(jié)點再將現(xiàn)場數(shù)據發(fā)送到協(xié)調器（或者是通過其他的路由器節(jié)點轉發(fā)到協(xié)調器），協(xié)調器分別包含GPRS網絡或北斗衛(wèi)星網絡連接的模塊,，通過GPRS網絡或者北斗網絡將現(xiàn)場采集數(shù)據實時發(fā)送到遠程數(shù)據監(jiān)控中心,。傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點以及協(xié)調器通過ZigBee無線網絡相互進行數(shù)據傳輸[2],。
2 系統(tǒng)硬件電路設計
2.1 PIC32MX795F512L簡介
    PIC32MX795F512L是Microchip新推出的超低功耗32位單片機系列產品,，該器件具有豐富的外設功能部件和增強的計算性能,，它還為高性能應用提供了新的移植選項，能夠在數(shù)據和存儲空間之間傳送信息,，最大512 KB(程序空間)和128 KB(數(shù)據空間)的線性尋址,，具有一系列能在工作時顯著降低功耗的功能，主要包含動態(tài)時鐘切換,、休眠模式工作,、基于指令的節(jié)能模式等。
2.2 ZigBee模塊
    ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協(xié)議,。根據這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離,、低功耗的無線通信技術，其特點是近距離,、低復雜度,、自組織、低功耗,、低數(shù)據速率,、低成本。它的傳輸距離根據不用的通信環(huán)境而各有差異,，傳輸距離大約在10 m～100 m之間,，在增加功放以后傳輸距離可以達到1 km～3 km。ZigBee支持自組網模式,，不同節(jié)點之間可以根據自身優(yōu)化算法自動尋找相近的節(jié)點進行數(shù)據傳輸,，而且某些節(jié)點的丟失不會影響傳輸效率,，不同節(jié)點之間可以重新尋找新的通信鏈路進行數(shù)據傳輸,。
    系統(tǒng)所用的ZigBee模塊是ST公司的STM32W108。 STM32W108是高性能的IEEE802.15.4無線片上系統(tǒng),，它集成了2.4 GHz 且IEEE802.15.4兼容的收發(fā)器,，STM32W108內置128 KB Flash和8 KB SRAM, 具有高性能、 低功耗的特點,。
2.3 數(shù)據采集電路
    本設計采用的是ADS1256內部集成的8通道24位A/D模數(shù)轉換器,，支持片上采樣和保持功能，并支持掉電模式,，在2.5 MHz的A/D轉換器時鐘下,，最大轉換速率可達到500 kS/s。地質災害現(xiàn)場的位移,、含水率,、泥水位、傾斜等數(shù)據都可以通過A/D采集電路傳送到PIC32單片機中,。雨量傳感器可以產生一個脈沖信號,，將脈沖信號送到PIC32MX795F512L的INT2,，通過對中斷INT2編程進而計算出單位時間內的降雨量。
2.4 電源電路設計
    系統(tǒng)電源模塊通過太陽能供電方式解決,。因為PIC32MX795F512L,、ADS1256以及每個傳感器所需電源不盡相同，分別需要3.3 V,、5 V,、12 V電源供電，所以要給不同部分分別供電,。太陽能電池板所采集到的太陽能通過太陽能控制盒給12 V電瓶充電,，供雨量傳感器、傾斜傳感器和含水率傳感器使用,；12 V電源經LM2596S轉換為5 V電源供位移傳感器使用,；5 V電源經LM117-3.3轉換為3.3 V供PIC32MX795F512L、ADS1256和無線傳感器網絡各節(jié)點使用,。
3 無線傳感器網絡實現(xiàn)
3.1 協(xié)調器實現(xiàn)
    協(xié)調器由數(shù)據處理模塊PIC32MX795F512L,、無線網絡通信模塊STM32W108、GPRS模塊(或北斗模塊),、供電模塊組成,。協(xié)調器節(jié)點結構圖如圖2所示。協(xié)調器主要完成ZigBee無線傳感器網絡建立,。協(xié)調器上電后,，接收路由器節(jié)點發(fā)送過來的請求和數(shù)據，負責路由器的入網管理和網絡結構的維護,，實現(xiàn)網絡自組織功能,。當接收到節(jié)點網絡請求后，協(xié)調器會分配網絡地址給請求節(jié)點,。協(xié)調器同時包含GPRS模塊(或北斗模塊),，將接收到的現(xiàn)場采集數(shù)據全部發(fā)送到遠程數(shù)據監(jiān)控中心[3]。

3.2 傳感器節(jié)點實現(xiàn)
    傳感器節(jié)點負責采集地質災害現(xiàn)場數(shù)據,，主要包括雨量傳感器,、位移傳感器、傾斜傳感器,、含水率傳感器,、泥水位傳感器。數(shù)據采集部分采用Microchip公司的PIC32MX795F512L負責整個傳感器節(jié)點數(shù)據采集,，它具有低功耗和低成本的特點,，內置8通道A/D轉換器，它可以對傳感器節(jié)點進行集中管理和控制,，并將采集到的數(shù)據進行數(shù)據處理和存儲,。傳感器節(jié)點結構如圖3所示,。
3.3 路由器節(jié)點實現(xiàn)
    路由器節(jié)點在整個ZigBee網絡中主要起數(shù)據轉發(fā)作用，完成各個節(jié)點之間的數(shù)據發(fā)送,、接收,、轉發(fā)功能。無線網絡通信模塊選用TI公司的STM32W108,，它負責對傳感器節(jié)點采集的數(shù)據以無線方式發(fā)送到協(xié)調器節(jié)點,。路由器節(jié)點結構圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設計
    根據功能設計要求,，地質災害無線傳感器網絡的軟件設計分別包括協(xié)調器節(jié)點軟件設計,、路由器節(jié)點軟件設計以及傳感器節(jié)點軟件設計。系統(tǒng)軟件設計主要參考Tiny OS操作系統(tǒng),，確定地質災害無線傳感器網絡是基于任務和硬件事件處理的并發(fā)模型,，每個任務之間的優(yōu)先級不同，按照相應的優(yōu)先級先后來執(zhí)行各個任務,，這樣可以減輕任務量,，降低系統(tǒng)運行復雜度，各個節(jié)點實現(xiàn)模塊化編程,，通過操作系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同節(jié)點之間的合理分配和調度工作,，較好地完成各個節(jié)點的并行管理控制。因為無線傳感器網絡各個節(jié)點都是太陽能供電模式,，功耗問題要重點考慮,，所以地質災害無線傳感器網絡采用定時喚醒的模式來管理各級節(jié)點，當需要采集地質災害現(xiàn)場數(shù)據時,，由數(shù)據監(jiān)控中心下發(fā)命令到協(xié)調器節(jié)點,，然后協(xié)調器節(jié)點逐級喚醒各個路由器節(jié)點，開始現(xiàn)場數(shù)據的采集和發(fā)送[4],。
4.1 協(xié)調器節(jié)點的程序設計
    協(xié)調器節(jié)點各功能模塊上電初始化后,，首先要建立無線傳感器通信網絡，實時偵測是否有路由器節(jié)點發(fā)出入網請求,，如有則判斷路由器節(jié)點地址并將其加入到剛建立的無線傳感器網絡中。協(xié)調器的主要任務是建立ZigBee無線通信網絡,，接收路由器節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據,，通過GPRS模塊或者是北斗衛(wèi)星將采集數(shù)據發(fā)送到遠程數(shù)據監(jiān)控中心。協(xié)調器需要實時監(jiān)控ZigBee網絡與數(shù)據監(jiān)控中心保持實時連接狀態(tài),，隨時等待監(jiān)控中心下發(fā)命令來判斷是否發(fā)送或接收數(shù)據,。當收到發(fā)送數(shù)據命令時就會喚醒路由器節(jié)點， 將路由器節(jié)點發(fā)送過來的采集數(shù)據轉發(fā)到遠程數(shù)據監(jiān)控中心[5],。協(xié)調器節(jié)點程序流程圖如圖5所示,。

4.2 傳感器節(jié)點和路由器節(jié)點的程序設計
    傳感器節(jié)點上電后,，完成PIC32MX795F512L軟硬件初始化，PIC32MX795F512L通過加載SPI驅動來完成對無線通信模塊STM32W108的初始化,，各個傳感器節(jié)點與終端節(jié)點之間以及中心節(jié)點之間會完成ZigBee自動組網[6],。ZigBee網絡以簇狀樹形網絡拓撲結構為基礎架構，在各個節(jié)點之間自動選擇最優(yōu)傳輸路徑,，簇成員節(jié)點采集到的雨量,、位移、傾斜含水率,、泥水位等數(shù)據經過簇首節(jié)點將相關數(shù)據進行融合,，融合后經路由器將傳感器節(jié)點采集的數(shù)據以最優(yōu)、最短,、最快方式發(fā)送到協(xié)調器節(jié)點,。傳感器節(jié)點程序流程圖如圖6所示。

4.3 數(shù)據監(jiān)控中心軟件設計
    遠程數(shù)據監(jiān)控中心軟件作為主要的數(shù)據接收,、分析和處理平臺,，通過Internet網絡接收程序來接收無線傳感器網絡協(xié)調器從現(xiàn)場發(fā)送來的數(shù)據，監(jiān)控中心需要把接收到的采集數(shù)據存到數(shù)據庫SQL Server中,，這樣數(shù)據就可以實現(xiàn)歷史數(shù)據查詢和實時查看,。可以在監(jiān)控軟件中設置相應的預警值,，當現(xiàn)場某一點采集的數(shù)據超過預警值時就會發(fā)出報警消息,，引起監(jiān)測人員的注意。
    本文以低功耗單片機PIC32作為硬件基礎,，采用ZigBee無線傳感器技術,，通過無線方式進行數(shù)據傳輸，對數(shù)據進行分析,、存儲,、查詢等操作，可以通過遠程數(shù)據監(jiān)控中心直觀分析地質災害現(xiàn)場信息,，實現(xiàn)了地質災害現(xiàn)場的實時數(shù)據采集和在線監(jiān)測,。系統(tǒng)結構簡單，成本較低,，維護方便,，具有很強的實用價值。
參考文獻
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