蔣祖航 王艷杉 史東冬

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

基于RFID技術(shù)的山體滑坡監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

蔣祖航 王艷杉 史東冬

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

鑒于傳統(tǒng)的山體滑坡系統(tǒng)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗高、不利于大范圍推廣等缺點，文章介紹一種基于RFID技術(shù)的山體滑坡監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低成本、低功耗、結(jié)構(gòu)簡單、24小時不間斷監(jiān)控等特點，可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求，適合野外長期監(jiān)控，具有推廣價值。

RFID；CC2510；低功耗

（一）前言

山體滑坡是我國地質(zhì)災(zāi)害中最為嚴(yán)重的一類?；卤O(jiān)控就是通過各種技術(shù)手段，對山體滑坡進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警，減少滑坡災(zāi)害帶來的損失。目前比較先進(jìn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測方法主要有GSM監(jiān)測、遙感地質(zhì)、探地雷達(dá)等。但這些方法都存在著設(shè)備復(fù)雜，成本高，功耗高等問題，不利于長期野外工作和大范圍推廣。

針對國內(nèi)滑坡檢測系統(tǒng)的現(xiàn)狀，筆者設(shè)計了一種基于RFID技術(shù)的滑坡監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由 RFID無線檢測傳感器、無線數(shù)據(jù)中繼站、無線數(shù)據(jù)接收處理中心三個部分組成。在系統(tǒng)的設(shè)計中，充分考慮到各部分低功耗的設(shè)計，采用RFID傳感器對突發(fā)崩塌進(jìn)行監(jiān)測和報警，RFID技術(shù)發(fā)送和接收信息，數(shù)傳電臺對信息遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)發(fā)和接收，實現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本、低功耗、自動化、模塊化。

（二）RFID理論概述

RFID技術(shù)，又稱為電子標(biāo)簽或者無線標(biāo)簽，是一種利用無線通信的方式來實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)。RFID作為無線通信和自動識別技術(shù)的一種完美結(jié)合，被認(rèn)為是21世紀(jì)最有前途的IT技術(shù)之一[1]。

一般來說，RFID系統(tǒng)包含射頻標(biāo)簽、讀寫器和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)三個部分。如圖1所示

圖1 射頻設(shè)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中，標(biāo)簽是由天線及芯片組成，每個芯片都含有唯一的識別碼，一般保存有預(yù)先設(shè)定好的電子數(shù)據(jù)，在實際的應(yīng)用中，標(biāo)簽粘貼在待識別物體表面；讀寫器是可非接觸地讀取和寫入標(biāo)簽信息的設(shè)備，它通過網(wǎng)絡(luò)與其他計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，從而完成對標(biāo)簽信息的獲取、解碼、識別和數(shù)據(jù)管理；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要是完成數(shù)據(jù)信息的存儲和管理，并可以對標(biāo)簽進(jìn)行讀寫和控制。

RFID技術(shù)是利用無線電波或者微波能量進(jìn)行非接觸式雙向通信，來實現(xiàn)識別和數(shù)據(jù)交換功能的自動識別系統(tǒng)。其中，標(biāo)簽與讀寫器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間耦合。在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)能量的傳遞和數(shù)據(jù)的交換[2]。

當(dāng)電子標(biāo)簽具有感知能力時，RFID和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的界限就變得模糊不清了。現(xiàn)有很多主動式和半主動式電子標(biāo)簽結(jié)合傳感器進(jìn)行設(shè)計，使得傳感器可以發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器，而這些電子標(biāo)簽并不完全是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，因為它們之間缺乏通過相互協(xié)同構(gòu)成的自組織（Ad-Hoc）網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，但是它們超越了一般的電子標(biāo)簽。按照這個方式，RFID技術(shù)將同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合。在另一方面，一些傳感器節(jié)點正使用RFID讀寫器作為他們感知能力的一部分。溫度標(biāo)簽，震動傳感器，化學(xué)傳感器等能大大提高RFID技術(shù)的功能。

（三）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)山體滑坡監(jiān)控系統(tǒng)不同的是本課題研究的基于RFID技術(shù)的山體滑坡監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是由RF無線傳感器、無線數(shù)據(jù)中繼站以及無線數(shù)據(jù)接收處理中心三部分組成。如圖 2所示：

2 基于RFID技術(shù)的山體滑坡監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖

其工作原理是：當(dāng)監(jiān)控節(jié)點有山體滑坡發(fā)生時，崩塌傳感器觸發(fā)RFID無線監(jiān)測傳感器使其上電工作，RFID傳感器把儲存在標(biāo)簽里的地址信息發(fā)送到無線數(shù)據(jù)中繼站，中繼站接收到信息后再通過無線通信模塊把信息轉(zhuǎn)發(fā)到無線數(shù)據(jù)處理中心。無線數(shù)據(jù)中繼站和無線數(shù)據(jù)處理中心所處在的位置是穩(wěn)定的，處于不會發(fā)生山體滑坡的地方，通過對各個傳感器節(jié)點的長期監(jiān)測對易發(fā)生山體滑坡的地點進(jìn)行監(jiān)控。

（四）系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.RF芯片的選擇

考慮到方案僅需要進(jìn)行簡單的RFID數(shù)據(jù)交換，而不需復(fù)雜的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；同時，對于山體滑坡監(jiān)控系統(tǒng)來說主要運用于長期野外監(jiān)測，低功耗成為芯片選擇中非常重要的一個標(biāo)準(zhǔn)。因此，對于本系統(tǒng)來說，低功耗、低成本、集成度高、穩(wěn)定性好、數(shù)據(jù)傳輸率高、睡眠喚醒時間短、接口簡單、軟件開發(fā)方便等指標(biāo)成為RF芯片選擇的重要依據(jù)。

綜合以上考慮，本設(shè)計選用了Chipcon公司的CC2510收發(fā)芯片作為RFID無線監(jiān)測傳感器與無線中繼站的主控芯片。CC2510是一種低成本的無線 SoC，是專門為低功耗無線無線通信而設(shè)計的。它具有的四種低功耗模式，特別適用于要求功耗低的場合；同時它把 MCU和射頻模塊集成在一起，大大降低了設(shè)計的復(fù)雜性，性能也更穩(wěn)定；CC2510硬件支持CSMA/CA功能，對于多對點通信防信息碰撞具有很大的意義。以下對CC2510芯片做一下簡要的介紹。

CC2510是真正的系統(tǒng)芯片 CMOS解決方案，能夠滿足2.4Ghz ISM波段對低成本，低功耗的要求。CC2510集成了一個高性能的射頻收發(fā)器核心和一個增強型的8051內(nèi)核。具有32KB Flash 和4KB RAM,還包含ADC、看門狗、32 KHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳[3]。

CC2510的 RF收發(fā)部分的工作原理是:天線接收到信號后，將信號通過低噪聲放大器和 I/O下變頻處理，中頻信號只有2MHz，接著將混合I/O信號濾波、放大、AD變換、自動增益控制、數(shù)字調(diào)制和解調(diào)，最后回復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。CC2510的發(fā)射部分是基于RF頻率的直接合成，其頻率合成器包括一個片上LC壓控振蕩器和一個90°相位移器，產(chǎn)生接收模式時下變頻器作為合成器、AD時鐘和數(shù)字部分時鐘的參考頻率，系統(tǒng)使用SFR（特殊功能寄存器）作為接口對來自CPU的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，寄存器的配置和狀態(tài)可以從寄存器映射存儲器XDATA中查詢。

2.RFID無線監(jiān)測傳感器硬件設(shè)計

由于CC2510主芯片屬于典型的System-on-chip(SoC)芯片，片內(nèi)集成了高性能、低功耗的增強型8051單片機(jī)作為處理器，也集成了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器, 僅需少量的外圍器件構(gòu)成時鐘電路、射頻(RF)偏置電路即可運行，因此，RFID無線監(jiān)測傳感器的硬件設(shè)計主要包RF接收單元、LED電路、崩塌傳感器電路等。為了系統(tǒng)能正常工作，還需要系統(tǒng)時鐘電路、電源電路等。其設(shè)計圖如3所示。

圖3 RFID無線監(jiān)測傳感器硬件設(shè)計圖

山體滑坡的發(fā)生具有突發(fā)性，很難通過監(jiān)測的方法準(zhǔn)確地判斷滑坡發(fā)生的時間。因此本系統(tǒng)的傳感器是針對將有滑坡趨向或者正在發(fā)生的滑坡來設(shè)計的。通過對將有滑坡趨向或者正發(fā)生的滑坡的監(jiān)控進(jìn)行檢測，使其及時地發(fā)出警報，以避免大面積山體滑坡造成嚴(yán)重的損失。

同時在設(shè)計時要充分考慮到傳感器要在野外長期工作，因此設(shè)計時，低功耗設(shè)計是考慮的重中之重。

針對上面的分析，本方案設(shè)計采用水銀傳感器來作為崩塌傳感器。其原理圖如圖 4所示：崩塌傳感器是由水銀、金屬外殼、電極、絕緣體構(gòu)成，其原理是：如圖4a當(dāng)傳感器正立時，水銀只接觸金屬殼，沒有接觸電極，此時是斷開狀態(tài)；如圖4b所示，當(dāng)傳感器有一定的傾斜度時，水銀分別接觸到了電極和金屬殼，此時是閉合狀態(tài)。

圖4

其電路設(shè)計圖如圖5所示。

圖5 崩塌傳感器電路設(shè)計電路圖

如上圖所示，在即將有上體滑坡發(fā)生或者正在發(fā)生時，埋在坡體的崩塌傳感器會發(fā)生傾斜，觸動開關(guān)，整個RFID無線監(jiān)測傳感器上電，把儲存在寄存器中的位置信息發(fā)送出去，發(fā)出警報。此無源開關(guān)傳感器的設(shè)計有著一個突出的優(yōu)點必須要指出的是，當(dāng)沒有滑坡發(fā)生時，整個RFID無線監(jiān)測傳感器處于關(guān)閉狀態(tài)，這時系統(tǒng)完全不耗電，這對于要求長期處于野外24小時工作的系統(tǒng)來說具有相當(dāng)重大的意義。這也成為本設(shè)計中十分突出的一點。

3.無線數(shù)據(jù)中繼站的硬件設(shè)計

本文是采用科易連公司生產(chǎn)的 KYL-320無線數(shù)傳電臺作為無線通信收發(fā)模塊，與微功耗嵌入式控制器配合完成低功耗無線中繼站的硬件設(shè)計。

在這里微功耗嵌入式控制器采用的也是CC2510芯片，其硬件設(shè)計與RFID無線檢測傳感器的類似，如圖3所示，在此也不詳細(xì)介紹。在這里要介紹的是微功耗嵌入式控制器的UART接口。其原理圖如圖6所示。

圖6 UART

UART接口是用來與 KYL-320無線數(shù)傳電臺相連接的接口。由于RFID的識別距離有限，不符合山體滑坡監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求，因此，需要用無線收發(fā)模塊對信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，提高系統(tǒng)的實用性。

KYL-320L 中功率無線數(shù)傳模塊，是一種遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，它體積小，金屬外殼，屏蔽性能好，抗干擾性強，穩(wěn)定性及可靠性極高，能方便為用戶提供雙向的數(shù)據(jù)信號傳輸、檢測和控制。它具有以下特點：

（1）ISM頻段工作頻率，無需申請頻點。

（2）高抗干擾能力和低誤碼率。

（3）傳輸距離遠(yuǎn)。

（4）智能數(shù)據(jù)控制，用戶無需編制多余程序。

（5）低功耗，可以有三種休眠模式。

（6）高可靠性、體積小、重量輕。

有鑒于其其低功耗、傳輸距離遠(yuǎn)、低誤碼率、抗干擾能力強等特點，比較符合系統(tǒng)設(shè)計的要求。因此采用此電臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

科易連公司生產(chǎn)的KYL-320無線數(shù)傳電臺用的是TTL接口，供電電源3.3V，因此只要使用UART接口把微功耗嵌入式控制器的和 KYL-320無線數(shù)傳電臺連接起來就構(gòu)成了無線數(shù)據(jù)中繼站的硬件平臺。

4.無線數(shù)據(jù)接收處理中心的硬件設(shè)計

無線數(shù)據(jù)接收處理中心硬件平臺其實就是無線數(shù)傳電臺接收機(jī)通過竄口轉(zhuǎn)換與PC機(jī)相連接即可，在此也不多加敘述。

（五）系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于數(shù)傳電臺具有智能控制，用戶無需編制多余程序的特點。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是考慮的是RFID無線監(jiān)測傳感器的軟件設(shè)計和無線數(shù)據(jù)中繼站的軟件設(shè)計。RFID無線監(jiān)測傳感器和無線數(shù)據(jù)中繼站之間的通信時多對點的RFID通信。在通信的過程中會有兩個節(jié)點的信息同時到達(dá)中繼站，這就引發(fā)了信息的碰撞，造成信息接收失敗。因此，在進(jìn)行軟件設(shè)計前首先要考慮這兩者間的通信協(xié)議。

在本系統(tǒng)中使用的是 CSMA/CD協(xié)議，其中文名稱為載波監(jiān)聽多路訪問/沖突監(jiān)測，其工作原理如下：

1.有媒體空閑，則傳輸。

2.若媒體忙，則一直監(jiān)聽，知道信道空閑，然后立即傳輸。

3.若在傳輸中監(jiān)聽到干擾，則發(fā)送干擾信號通知所有站點。等候一段時間，在此發(fā)送。

通過 CSMA/CD協(xié)議能有效地防止信息碰撞。提高系統(tǒng)的可靠性。其發(fā)送流程圖如圖7所示。

圖7 CSMA發(fā)送流程圖

軟件的編寫要根據(jù)CC2510芯片的特點，利用其低功耗模式，設(shè)計出降低功耗的軟件。節(jié)約系統(tǒng)能量，延長使用壽命，使系統(tǒng)符合設(shè)計要求。

RFID無線監(jiān)測傳感器軟件流程圖與無線數(shù)據(jù)接收處理中心流程圖分別為圖8與9所示。

圖8 RFID無線監(jiān)測傳感器軟件流程圖

圖9 無線數(shù)據(jù)接收處理中心流程圖

根據(jù)上述流程圖在IAR平臺上編寫系統(tǒng)軟件。

（六）測試結(jié)果及分析

設(shè)計好系統(tǒng)的硬件和軟件后，把軟件下載到芯片中，連接號系統(tǒng)，開始測試系統(tǒng)，在PC端，使用監(jiān)控軟件對系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖10、圖11所示：

圖10 1號節(jié)點測試結(jié)果

圖11 2號節(jié)點測試結(jié)果

從測試結(jié)果，可以分析出本文所設(shè)計的系統(tǒng)能準(zhǔn)確、及時地接收信息，基本符合系統(tǒng)符合設(shè)計要求。

系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、無布線、安全可靠、低成本、低功耗等特點。其低功耗的特性，尤其是無緣開關(guān)傳感器的設(shè)計，使本系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢在同類體滑坡系統(tǒng)中具有絕對的優(yōu)勢，應(yīng)用前景極好。

[1] 趙軍輝.射頻識別技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008(5).

[2] 郎為民．射頻識別(RFID)技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006(6).

[3] 李文仲,段朝玉.CC1110/CC2510無線單片機(jī)和無線自組織網(wǎng)絡(luò)入門與實戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008(6).

P642.22

A

1008-1151(2011)05-0066-03

2011-02-18

蔣祖航（1983－），男，廣西桂林人，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院碩士研究生，研究方向為移動通信與個人通信；王艷杉（1983－），女，內(nèi)蒙古赤峰人（蒙古族），桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院碩士研究生，研究方向為移動通信與個人通信；史東冬（1985－），男，吉林四平人，桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院碩士研究生，研究方向為移動通信與個人通信。