《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于PIC32和ZigBee的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2014年第2期
王晨輝,, 孟慶佳
中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北 保定071051
摘要: 提出了一種基于PIC32和ZigBee的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì),,系統(tǒng)將傳感器技術(shù)與無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,,可以實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的雨量、位移,、傾斜,、含水率,、泥水位等參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和在線監(jiān)測,。介紹了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的組成,,重點(diǎn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì),。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,,數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性較好。
中圖分類號(hào): TP393
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)02-0068-03
Design of geological disaster monitoring system based on PIC32 and ZigBee
Wang Chenhui, Meng Qingjia
Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey, CGS, Baoding 071051, China
Abstract: A geological disaster monitoring system based on PIC32 and ZigBee is designed. The system combines sensor technology and wireless technology, which can be achieved real-time data acquiring and on-line monitoring on the geological disaster-prone areas of the rainfall, displacement, slope, moisture, mud water level. The paper introduces composition of geological disaster monitoring system, focusing on design of hardware and software of wireless sensor networks of the coordinator, router and sensor node. The system is characterized by simple structure and has better data transmission in reliability and real-time ability.
Key words : PIC32; ZigBee; geological disaster; monitoring system

    我國的地質(zhì)災(zāi)害種類繁多,,而且地質(zhì)條件復(fù)雜,,地質(zhì)災(zāi)害分布范圍廣,突發(fā)性和破壞性非常強(qiáng),,因此對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測,,可以降低地質(zhì)災(zāi)害的危害性和破壞性,有效地減少和保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn),。傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測手段已經(jīng)不能滿足當(dāng)前監(jiān)測技術(shù)手段的要求,因此本文將傳感器技術(shù),、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中,結(jié)合ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),,以32位高性能微處理器PIC32單片機(jī)作為協(xié)調(diào)器和數(shù)據(jù)采集器,,實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和分布式管理,極大地提高了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的實(shí)時(shí)性和可靠性。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    地質(zhì)災(zāi)害無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)監(jiān)控中心,、GPRS網(wǎng)絡(luò)(或北斗衛(wèi)星),、協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn),,系統(tǒng)總體框圖如圖1所示[1],。地質(zhì)災(zāi)害無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的任務(wù)主要是負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù),通過GPRS或者北斗網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶蠖藬?shù)據(jù)監(jiān)控中心,,數(shù)據(jù)監(jiān)控中心通過一系列的數(shù)據(jù)解析和分析來自動(dòng)判斷地質(zhì)災(zāi)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(jù)。

    地質(zhì)災(zāi)害無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的前端是傳感器節(jié)點(diǎn),,它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù),,主要包括雨量、位移,、傾斜,、含水率、泥水位等,,傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器節(jié)點(diǎn),,路由器節(jié)點(diǎn)再將現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器(或者是通過其他的路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器),協(xié)調(diào)器分別包含GPRS網(wǎng)絡(luò)或北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連接的模塊,,通過GPRS網(wǎng)絡(luò)或者北斗網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心,。傳感器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)相互進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2],。
2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
2.1 PIC32MX795F512L簡介

    PIC32MX795F512L是Microchip新推出的超低功耗32位單片機(jī)系列產(chǎn)品,,該器件具有豐富的外設(shè)功能部件和增強(qiáng)的計(jì)算性能,它還為高性能應(yīng)用提供了新的移植選項(xiàng),,能夠在數(shù)據(jù)和存儲(chǔ)空間之間傳送信息,,最大512 KB(程序空間)和128 KB(數(shù)據(jù)空間)的線性尋址,具有一系列能在工作時(shí)顯著降低功耗的功能,,主要包含動(dòng)態(tài)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議,。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù),,其特點(diǎn)是近距離,、低復(fù)雜度、自組織、低功耗,、低數(shù)據(jù)速率,、低成本。它的傳輸距離根據(jù)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(dá)到1 km~3 km。ZigBee支持自組網(wǎng)模式,,不同節(jié)點(diǎn)之間可以根據(jù)自身優(yōu)化算法自動(dòng)尋找相近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,,而且某些節(jié)點(diǎn)的丟失不會(huì)影響傳輸效率,不同節(jié)點(diǎn)之間可以重新尋找新的通信鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)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(nèi)置128 KB Flash和8 KB SRAM, 具有高性能,、 低功耗的特點(diǎn)。
2.3 數(shù)據(jù)采集電路
    本設(shè)計(jì)采用的是ADS1256內(nèi)部集成的8通道24位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器時(shí)鐘下,,最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)到500 kS/s,。地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場的位移、含水率,、泥水位,、傾斜等數(shù)據(jù)都可以通過A/D采集電路傳送到PIC32單片機(jī)中。雨量傳感器可以產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào),,將脈沖信號(hào)送到PIC32MX795F512L的INT2,,通過對中斷INT2編程進(jìn)而計(jì)算出單位時(shí)間內(nèi)的降雨量。
2.4 電源電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)電源模塊通過太陽能供電方式解決,。因?yàn)镻IC32MX795F512L,、ADS1256以及每個(gè)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(jīng)LM2596S轉(zhuǎn)換為5 V電源供位移傳感器使用,;5 V電源經(jīng)LM117-3.3轉(zhuǎn)換為3.3 V供PIC32MX795F512L,、ADS1256和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)使用。
3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)
3.1 協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)

    協(xié)調(diào)器由數(shù)據(jù)處理模塊PIC32MX795F512L,、無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊STM32W108,、GPRS模塊(或北斗模塊)、供電模塊組成,。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。協(xié)調(diào)器主要完成ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立,。協(xié)調(diào)器上電后,,接收路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的請求和數(shù)據(jù),負(fù)責(zé)路由器的入網(wǎng)管理和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的維護(hù),,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組織功能,。當(dāng)接收到節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)請求后,協(xié)調(diào)器會(huì)分配網(wǎng)絡(luò)地址給請求節(jié)點(diǎn),。協(xié)調(diào)器同時(shí)包含GPRS模塊(或北斗模塊),,將接收到的現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)全部發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心[3]。

 

 

3.2 傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)
    傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù),,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(jù)采集部分采用Microchip公司的PIC32MX795F512L負(fù)責(zé)整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集,,它具有低功耗和低成本的特點(diǎn),,內(nèi)置8通道A/D轉(zhuǎn)換器,它可以對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中管理和控制,,并將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ),。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
3.3 路由器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)
    路由器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要起數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)作用,,完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)發(fā)送,、接收、轉(zhuǎn)發(fā)功能,。無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊選用TI公司的STM32W108,,它負(fù)責(zé)對傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)功能設(shè)計(jì)要求,,地質(zhì)災(zāi)害無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)分別包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)以及傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì),。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要參考Tiny OS操作系統(tǒng),,確定地質(zhì)災(zāi)害無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于任務(wù)和硬件事件處理的并發(fā)模型,,每個(gè)任務(wù)之間的優(yōu)先級(jí)不同,按照相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)先后來執(zhí)行各個(gè)任務(wù),,這樣可以減輕任務(wù)量,,降低系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜度,各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)模塊化編程,,通過操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)之間的合理分配和調(diào)度工作,,較好地完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)的并行管理控制。因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)都是太陽能供電模式,,功耗問題要重點(diǎn)考慮,,所以地質(zhì)災(zāi)害無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用定時(shí)喚醒的模式來管理各級(jí)節(jié)點(diǎn),當(dāng)需要采集地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)時(shí),,由數(shù)據(jù)監(jiān)控中心下發(fā)命令到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),,然后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)逐級(jí)喚醒各個(gè)路由器節(jié)點(diǎn),開始現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送[4],。
4.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)
    協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)各功能模塊上電初始化后,,首先要建立無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)偵測是否有路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)出入網(wǎng)請求,,如有則判斷路由器節(jié)點(diǎn)地址并將其加入到剛建立的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,。協(xié)調(diào)器的主要任務(wù)是建立ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò),接收路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù),,通過GPRS模塊或者是北斗衛(wèi)星將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心,。協(xié)調(diào)器需要實(shí)時(shí)監(jiān)控ZigBee網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心保持實(shí)時(shí)連接狀態(tài),隨時(shí)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(jù),。當(dāng)收到發(fā)送數(shù)據(jù)命令時(shí)就會(huì)喚醒路由器節(jié)點(diǎn),, 將路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心[5]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖5所示,。

4.2 傳感器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)
    傳感器節(jié)點(diǎn)上電后,,完成PIC32MX795F512L軟硬件初始化,PIC32MX795F512L通過加載SPI驅(qū)動(dòng)來完成對無線通信模塊STM32W108的初始化,,各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)之間以及中心節(jié)點(diǎn)之間會(huì)完成ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)[6],。ZigBee網(wǎng)絡(luò)以簇狀樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)架構(gòu),在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間自動(dòng)選擇最優(yōu)傳輸路徑,,簇成員節(jié)點(diǎn)采集到的雨量,、位移、傾斜含水率,、泥水位等數(shù)據(jù)經(jīng)過簇首節(jié)點(diǎn)將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,,融合后經(jīng)路由器將傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)以最優(yōu)、最短,、最快方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),。傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖6所示,。

4.3 數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)
    遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心軟件作為主要的數(shù)據(jù)接收、分析和處理平臺(tái),,通過Internet網(wǎng)絡(luò)接收程序來接收無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器從現(xiàn)場發(fā)送來的數(shù)據(jù),,監(jiān)控中心需要把接收到的采集數(shù)據(jù)存到數(shù)據(jù)庫SQL Server中,這樣數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢和實(shí)時(shí)查看,??梢栽诒O(jiān)控軟件中設(shè)置相應(yīng)的預(yù)警值,當(dāng)現(xiàn)場某一點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)超過預(yù)警值時(shí)就會(huì)發(fā)出報(bào)警消息,,引起監(jiān)測人員的注意,。
    本文以低功耗單片機(jī)PIC32作為硬件基礎(chǔ),采用ZigBee無線傳感器技術(shù),,通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,、存儲(chǔ),、查詢等操作,可以通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心直觀分析地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場信息,,實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和在線監(jiān)測,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,,維護(hù)方便,,具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
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