蒿書利，庹先國，奚大順

（成都理工大學 四川 成都 610059）

地質(zhì)災害嚴重危害公民生命、財產(chǎn)和生存環(huán)境，嚴重威脅國家重大工程的建設(shè)與安全。我國是世界上地質(zhì)災害最嚴重的國家之一，尤其是汶川地震后，滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災害影響嚴重。

近年來，關(guān)于滑坡、泥石流類災害的研究是行業(yè)研究的重點。地質(zhì)災害監(jiān)測預報是地質(zhì)災害防治的一個重要環(huán)節(jié)。對滑坡的監(jiān)測是一種常用的地質(zhì)災害監(jiān)測手段。滑坡監(jiān)測對減災防災意義重大。

對滑坡的監(jiān)測重點是滑坡本身的變形，其最大特點在于：一是滑坡變形緩慢，有的幾個小時、幾天、甚至幾個月才有變化[1]；二是滑坡與降水有密切關(guān)系；三是一般沒有市電接入；四是滑坡現(xiàn)場各采集節(jié)點之間，采集節(jié)點與基站之間有一定的距離，基站與監(jiān)控主機距離遙遠。確定滑坡變形的手段很多，常用的有地質(zhì)鉆探調(diào)查分析法、利用遙感技術(shù)判釋對比法、大地測量法等[2]。隨著科學技術(shù)的進步，在滑坡變形監(jiān)測中，Zigbee、GSM等先進技術(shù)將發(fā)揮更大的作用[3]。

1 總體方案設(shè)計

我國現(xiàn)有地質(zhì)災害監(jiān)測主要為人工測試、記錄及資料處理，將幾種物理參數(shù)監(jiān)測儀與本監(jiān)測站微機有線相連，且須技術(shù)人員巡回值守，造成大量的人力資源及資金的浪費，并且不能實現(xiàn)實時自動監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸與及時預報，更不便決策部門與專家及時了解地質(zhì)災害現(xiàn)場的監(jiān)測結(jié)果，不能快速地制訂臨災狀況的處理方案。

在發(fā)達國家和地區(qū)，例如美國、日本等建立了地質(zhì)災害實時監(jiān)測系統(tǒng)，在實際應(yīng)用中可以做到實時預警。如美國Crossbow公司利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組建的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)?；卢F(xiàn)場的每個采集節(jié)點連接一個液位傳感器和一個傾斜度傳感器。采集節(jié)點內(nèi)部由單獨的微處理器和單獨的駐留了Zigbee協(xié)議的收發(fā)芯片組合而成。它的基站和一個網(wǎng)關(guān)無線連接，網(wǎng)關(guān)又和PC機相連，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將滑坡信息傳遞至遠端。該滑坡監(jiān)測系統(tǒng)雖然利用了先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，但僅限于監(jiān)測滑坡深部的液位和傾斜度，采集節(jié)點-基站-網(wǎng)關(guān)-GPRS也可以簡化，最大的問題是價格昂貴，難以大量使用，不便于推廣。

本項目系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示，通過在潛在滑坡體的適當位置布置數(shù)據(jù)采集節(jié)點，用來監(jiān)測滑坡體的表面裂縫、傾斜度、土壤溫度和土壤濕度等信息。各采集節(jié)點和基站基于Zigbee自組網(wǎng)絡(luò)[4]?；窘邮崭鞑杉?jié)點采集的滑坡信息再通過GSM無線傳輸方式[4]，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程的中心數(shù)據(jù)接收站，遠程中心數(shù)據(jù)接收站只需要一臺PC機配合相應(yīng)的通訊模塊，通過配套的數(shù)據(jù)采集軟件即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場采集、遠程監(jiān)控該滑坡體的實時狀況、動態(tài)監(jiān)控滑坡體變形發(fā)展以及預測可能的破壞規(guī)模。在野外，環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域由于野外的特殊情況，如電源，長距離布線等因素的存在使得該種監(jiān)測系統(tǒng)難以有效部署。CC2530由于其低功耗，低價位，自組織路由，無需布線等特性，適合地質(zhì)災害監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用[5]。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.1 Block diagram of system design

2 硬件電路

2.1 采集節(jié)點

采集節(jié)點硬件電路由電源電路，傳感器，信號調(diào)理和數(shù)據(jù)的讀取與無線傳送模塊組成，具體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。溫度傳感器和濕度傳感器采用的是Crossbow公司的es1101傳感器套件[6]，它們埋在滑坡內(nèi)，以觀測降雨期間土壤溫度、土壤濕度，分別將土壤溫度、土壤濕度轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的電阻值。位移傳感器采用的是KPC-700 mm絞接式位移傳感器，將位移變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。信號調(diào)理電路將反映溫度和濕度以及位移的電阻值轉(zhuǎn)換為電壓值并送到CC2530內(nèi)部的14位ADC輸入端口。傾角傳感器（型號：SCA100T）為微電子機械型傳感器，它將傾斜度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字量。CC2530讀取ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)信息，以及傾角傳感器的數(shù)據(jù)，將其打包發(fā)送到基站。電源電路由鋰離子電池組、DC-DC變換器組成。鋰離子電池組經(jīng)DC-DC變換器為CC2530芯片、和傳感器電路供電。

2.2 基站

基站由CC2530芯片、C8051F020芯片和GSM模塊（GC864）和電源電路組成，電源電路由鋰離子電池組、電源管理電路組成。CC2530芯片、C8051F020芯片、GSM模塊依次以串口連接，采用鋰離子電池組為CC2530芯片、GSM模塊供電，基站負責接收各采集節(jié)點的信息并經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)以短信的方式發(fā)送至監(jiān)控主機。采集節(jié)點電路原理圖如圖3所示。

圖2 采集節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Block diagram of acquisition node

圖3 采集節(jié)點電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of acquisition node circuit

2.3 監(jiān)控主機系統(tǒng)

監(jiān)控主機系統(tǒng)由GSM模塊、電平轉(zhuǎn)換電路、串口、監(jiān)控主機電源系統(tǒng)組成。GSM模塊、電平轉(zhuǎn)換電路、串口依次連接，監(jiān)控主機電源系統(tǒng)分別為GSM模塊、電平轉(zhuǎn)換電路供電。電平轉(zhuǎn)換電路將基站傳送來的滑坡信息經(jīng)串口、RS-232電纜送往PC機。

3 軟件部分

3.1 采集節(jié)點CC2530程序流程

為了降低采集節(jié)點的平均工作電流，延長工作時間，采集節(jié)點CC2530采用了間歇式工作方式，即在需要某模塊工作時才開啟電源為傳感器電路供電，否則關(guān)閉電源進入休眠模式，CC2530在休眠時段的工作電流在μA級。采集節(jié)點CC2530的程序流程如圖4（a）所示。

3.2 基站CC2530程序流程

基站CC2530主要承擔定時向采集節(jié)點發(fā)送喚醒信號，并接收各個節(jié)點送回的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)串口傳送給C8051F020單片機。其程序流程如圖4（b）所示。

圖4 CC2530程序流程Fig.4 Flow chart of CC2530

4 功能測試與結(jié)論

4.1 Zigbee組網(wǎng)通信

本次設(shè)計制作采用多個采集節(jié)點和一個基站。經(jīng)過實驗測試，各個節(jié)點和基站組成的網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能表1所示。

表1 功能測試結(jié)果Tab.1 Function test results

4.2 監(jiān)控主機

監(jiān)控主機的測試主要是接收檢測基站送來的信息并分別在PC上不同界面坐標系中顯示4個傳感器傳輸過來的溫度、濕度等滑坡信息參數(shù)，PC機信息界面如圖5所示。

圖5 PC信息界面Fig.5 Information interface of PC

4.3 低功耗設(shè)計

由于檢測環(huán)境一般是在野外，本設(shè)計中采用的低功耗設(shè)計包括兩個方面：1）間歇式工作模式；2）采集節(jié)點采用DCDC電源管理電路，可充電鋰電池供電。采集節(jié)點的低功耗測試：采用容量為1.6 Ah的鋰電池供電，電源電壓5 V，睡眠模式電源電流7 mA，工作時電源電流34 mA，工作時間2 s/h平均功耗35 mW電池供電可持續(xù)工作時間9天。

5 結(jié)束語

經(jīng)過方案設(shè)計、研究制作以及實驗測試，本滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計能夠完成以下幾項基本功能：

1）采集節(jié)點和基站遵守Zigbee協(xié)議能夠完成自動組網(wǎng)功能。

2）基站將4個傳感器傳送來的滑坡土壤溫濕度、滑坡位移以及傾角等信息以短信的形式傳送到檢測主機。

3）檢測主機能夠接收檢測基站傳送來的信息，并通過RS-232傳送到PC機。

4）PC機上位機界面接收信息數(shù)據(jù)并在相應(yīng)參數(shù)界面顯示滑坡各項參數(shù)信息。

5）采集節(jié)點的低功耗設(shè)計可實現(xiàn)鋰電池供電持續(xù)工作時間達到9天。

[1]徐邦棟.滑坡分析與防治[M].北京：中國鐵道出版社，2001.

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[3]何成平，龔益民，林偉.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2010，38（8）：4370-4372.

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