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單片機作為協調器和數據采集器，實現對地質災害監(jiān)測點的數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 系統總體設計
    地質災害無線傳感器網絡監(jiān)測系統主要包括數據監(jiān)控中心,、GPRS網絡(或北斗衛(wèi)星)、協調器,、路由器節(jié)點及傳感器節(jié)點,，系統總體框圖如圖1所示[1],。地質災害無線傳感器網絡監(jiān)測系統的任務主要是負責實時監(jiān)控地質災害現場數據,，通過GPRS或者北斗網絡傳輸到后端數據監(jiān)控中心，數據監(jiān)控中心通過一系列的數據解析和分析來自動判斷地質災害現場所發(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)測系統的前端是傳感器節(jié)點，它負責實時采集地質災害現場數據,，主要包括雨量,、位移、傾斜,、含水率,、泥水位等，傳感器節(jié)點將采集到的現場數據發(fā)送給路由器節(jié)點,，路由器節(jié)點再將現場數據發(fā)送到協調器（或者是通過其他的路由器節(jié)點轉發(fā)到協調器）,，協調器分別包含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場采集數據實時發(fā)送到遠程數據監(jiān)控中心,。傳感器節(jié)點,、路由器節(jié)點以及協調器通過ZigBee無線網絡相互進行數據傳輸[2]。
2 系統硬件電路設計
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，能夠在數據和存儲空間之間傳送信息,，最大512 KB(程序空間)和128 KB(數據空間)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議,。根據這個協議規(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據傳輸。
    系統所用的ZigBee模塊是ST公司的STM32W108,。 STM32W108是高性能的IEEE802.15.4無線片上系統,，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,。地質災害現場的位移,、含水率、泥水位,、傾斜等數據都可以通過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
3.1 協調器實現
    協調器由數據處理模塊PIC32MX795F512L、無線網絡通信模塊STM32W108,、GPRS模塊(或北斗模塊),、供電模塊組成。協調器節(jié)點結構圖如圖2所示,。協調器主要完成ZigBee無線傳感器網絡建立,。協調器上電后，接收路由器節(jié)點發(fā)送過來的請求和數據,，負責路由器的入網管理和網絡結構的維護,，實現網絡自組織功能。當接收到節(jié)點網絡請求后,，協調器會分配網絡地址給請求節(jié)點,。協調器同時包含GPRS模塊(或北斗模塊),，將接收到的現場采集數據全部發(fā)送到遠程數據監(jiān)控中心[3],。

3.2 傳感器節(jié)點實現
    傳感器節(jié)點負責采集地質災害現場數據，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,。數據采集部分采用Microchip公司的PIC32MX795F512L負責整個傳感器節(jié)點數據采集，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，并將采集到的數據進行數據處理和存儲,。傳感器節(jié)點結構如圖3所示,。
3.3 路由器節(jié)點實現
    路由器節(jié)點在整個ZigBee網絡中主要起數據轉發(fā)作用，完成各個節(jié)點之間的數據發(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)點采集的數據以無線方式發(fā)送到協調器節(jié)點,。路由器節(jié)點結構圖如圖4所示。

4 系統軟件設計
    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,。系統軟件設計主要參考Tiny OS操作系統，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,，降低系統運行復雜度,，各個節(jié)點實現模塊化編程，通過操作系統可以實現不同節(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場數據時，由數據監(jiān)控中心下發(fā)命令到協調器節(jié)點,，然后協調器節(jié)點逐級喚醒各個路由器節(jié)點,，開始現場數據的采集和發(fā)送[4]。
4.1 協調器節(jié)點的程序設計
    協調器節(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)送過來的數據，通過GPRS模塊或者是北斗衛(wèi)星將采集數據發(fā)送到遠程數據監(jiān)控中心,。協調器需要實時監(jiān)控ZigBee網絡與數據監(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)送或接收數據。當收到發(fā)送數據命令時就會喚醒路由器節(jié)點,， 將路由器節(jié)點發(fā)送過來的采集數據轉發(fā)到遠程數據監(jiān)控中心[5],。協調器節(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、泥水位等數據經過簇首節(jié)點將相關數據進行融合，融合后經路由器將傳感器節(jié)點采集的數據以最優(yōu),、最短,、最快方式發(fā)送到協調器節(jié)點。傳感器節(jié)點程序流程圖如圖6所示,。

4.3 數據監(jiān)控中心軟件設計
    遠程數據監(jiān)控中心軟件作為主要的數據接收,、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調器從現場發(fā)送來的數據,，監(jiān)控中心需要把接收到的采集數據存到數據庫SQL Server中,，這樣數據就可以實現歷史數據查詢和實時查看?？梢栽诒O(jiān)控軟件中設置相應的預警值,，當現場某一點采集的數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據傳輸,，對數據進行分析,、存儲、查詢等操作,，可以通過遠程數據監(jiān)控中心直觀分析地質災害現場信息,，實現了地質災害現場的實時數據采集和在線監(jiān)測。系統結構簡單,，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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