基于ZigBee的山體滑坡遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)①

劉 健, 陳浩宇, 黃 楷, 洪 瑋, 賴(lài)濱濱, 汪華斌, 黃 震

(惠州學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系, 惠州 516007)

基于ZigBee的山體滑坡遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)①

劉 健, 陳浩宇, 黃 楷, 洪 瑋, 賴(lài)濱濱, 汪華斌, 黃 震

(惠州學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)系, 惠州 516007)

針對(duì)現(xiàn)有山體滑坡預(yù)警系統(tǒng)中有線傳輸、人工播報(bào)等弊端, 采用MPU6050三軸加速度傳感器設(shè)計(jì)一種低功耗、高精度的山體滑坡遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng). 系統(tǒng)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù), 并利用卡爾曼濾波算法修正測(cè)量中的誤差以提高數(shù)據(jù)精度. 通過(guò)物理原型測(cè)試, 系統(tǒng)運(yùn)行順暢, 符合設(shè)計(jì)要求.

山體滑坡; ZigBee; 監(jiān)控; 卡爾曼濾波算法

1 引言

我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生的國(guó)家. 主要災(zāi)害包括洪澇、臺(tái)風(fēng)、山體滑坡、干旱等. 其中山體滑坡災(zāi)害的影響最為嚴(yán)重[1]. 近年來(lái), 在預(yù)防山體滑坡工程方面, 主要以山區(qū)地質(zhì)結(jié)合滑坡變形特征來(lái)獲取受監(jiān)測(cè)滑坡體所處的變形階段[2]來(lái)建立評(píng)估和預(yù)警體系.

文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]對(duì)山體滑坡產(chǎn)生的原因提出: 滑坡形成的過(guò)程分3個(gè)大階段: 初始變化期, 穩(wěn)定變化期, 劇烈變化期. 邊坡的形變是造成山體滑坡的直接因素. 根據(jù)系統(tǒng)需要, 采用MPU6050三軸加速度傳感器采集山體環(huán)境信息, 以網(wǎng)絡(luò)的終端路由器節(jié)點(diǎn)為簇頭構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò), 通過(guò)GPRS網(wǎng)關(guān)將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器并進(jìn)行處理, 并通過(guò)前端顯示為控制站用戶(hù)提供預(yù)警判斷.

將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)應(yīng)用于山體滑坡監(jiān)測(cè)已成為各國(guó)研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn), 一些科研院所和公司在這方面進(jìn)行了大量的工作, 做出了豐碩的科研成果和產(chǎn)品. 結(jié)合ZigBee通信技術(shù), 實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控, 提高山體滑坡預(yù)警的準(zhǔn)確性, 可以及時(shí)的發(fā)出警報(bào), 爭(zhēng)取更多的應(yīng)急時(shí)間[5].

文獻(xiàn)[6]認(rèn)為, 采用低功耗的廉價(jià)無(wú)線傳感器, 能夠提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署成本, 實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大范圍推廣.方案經(jīng)過(guò)滑坡演變的理論分析, 得出較精確的滑坡預(yù)報(bào)時(shí)間, 以便有關(guān)部門(mén)能夠提前對(duì)將要發(fā)生的危機(jī)情況采取相應(yīng)的處理措施, 能夠有效地保護(hù)國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn).

本系統(tǒng)克服了山體監(jiān)測(cè)區(qū)無(wú)人值守, 遠(yuǎn)距離布線以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題, 通過(guò)ZigBee無(wú)線低功耗多傳感器網(wǎng)絡(luò)建立無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)山體狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警, 方便了控制站工作人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)得到高可靠性的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).

2 系統(tǒng)架構(gòu)

山體滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成. 硬件由ZigBee模塊、GPRS模塊、MPU6050三軸加速度傳感器、電源等組成. 實(shí)物模型如圖1所示, 具體系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示.

圖1 模型實(shí)物圖

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 ZigBee模塊

方案采用TI公司的CC2530芯片. 它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn), 具有不同的運(yùn)行模式, 使得它適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng). 運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)一步確保了其低功耗的特點(diǎn). 具體結(jié)構(gòu)如表1所示[7].

表1 ZigBee模塊結(jié)構(gòu)

圖3 GPRS模塊硬件框圖

系統(tǒng)終端是一個(gè)半功能節(jié)點(diǎn), 主要功能是請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò), 接收來(lái)自主節(jié)點(diǎn)的信息數(shù)據(jù). 節(jié)點(diǎn)通電后,會(huì)進(jìn)行硬件和ZigBee協(xié)議棧初始化, 自動(dòng)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò), 一旦成功加入網(wǎng)絡(luò), 終端節(jié)點(diǎn)按照其內(nèi)部定時(shí)器控制, 按規(guī)定時(shí)間(設(shè)置每隔2秒)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次數(shù)據(jù), 其他時(shí)間則處于休眠狀態(tài)[8].

2.2 GPRS模塊

系統(tǒng)采用華為 GTM900-C 無(wú)線模塊, 模塊硬件框圖如圖3所示, 這是一款兩頻段GSM/GPRS無(wú)線模塊. 它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)AT命令, 實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)向以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換, 是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應(yīng)用的理想解決方案.

2.3 MPU6050傳感器模塊

系統(tǒng)采用的MPU-6050三軸加速度傳感器為全球首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件, 傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示. 它集成了3 軸MEMS陀螺儀, 3軸MEMS加速度計(jì), 以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器. 相較于多組件方案, 免除了組合陀螺儀與加速器時(shí)之軸間差的問(wèn)題, 減少了大量的封裝空間.

圖4 MPU6050傳感器

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有星型結(jié)構(gòu), 簇結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).方案根據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域的實(shí)際情況布置終端節(jié)點(diǎn)組建監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采集環(huán)境信息. 具體數(shù)據(jù)傳輸處理流程如圖5所示.

圖5 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3.2 PC上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

PC上位機(jī)采用C#開(kāi)發(fā), 上位機(jī)接收處理來(lái)自服務(wù)器傳送的數(shù)據(jù)并在前端顯示, 為控制站提供了直觀化、人性化的界面.

該軟件采用邊坡傾斜角Angle值作為預(yù)警依據(jù),設(shè)定山體當(dāng)前Z軸邊坡的傾斜角Angle值為正常狀態(tài).文獻(xiàn)[2]指出, 滑坡學(xué)包含滑坡孕育、發(fā)展、變形破壞的過(guò)程、規(guī)律以及其影響因素. 需要采集大量的數(shù)據(jù)建立預(yù)警系統(tǒng).

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)物理原型模擬山體邊坡發(fā)生斷裂的情況, 程序設(shè)置角度超過(guò)正常值范圍+2度(通過(guò)物理模型多次實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)角度超過(guò)正常值+2度預(yù)警效果最好,所以本系統(tǒng)設(shè)置閾值為+2度)為邊坡發(fā)生斷裂的異常情況, 加以x軸和y軸的加速度ACCEL值輔助判斷,標(biāo)記記錄異常數(shù)據(jù), 并提示聲音預(yù)警. 具體軟件功能流程如圖6所示.

圖6 PC軟件流程圖

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 傳感器數(shù)據(jù)處理

服務(wù)器接收處理來(lái)自網(wǎng)關(guān)的傳感器數(shù)據(jù), 具體數(shù)據(jù)如圖7所示. 具體數(shù)據(jù)格式如下: AT%IPSEND= "0100C533FF601B4A000AFFDE0029"http://傳感器原始數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)為28個(gè)字節(jié),

圖7 傳感器原始數(shù)據(jù)測(cè)試界面

根據(jù)系統(tǒng)需要, 設(shè)置前4位為標(biāo)志位, 標(biāo)志不同傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù). 并將各個(gè)數(shù)據(jù)的高8位跟低8位結(jié)合成一個(gè)16進(jìn)制數(shù), 計(jì)算邊坡傾斜角角度Angle值和加速度ACCEL值.

4.2 服務(wù)器測(cè)試

啟動(dòng)服務(wù)器, ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)GPRS模塊發(fā)送AT指令與服務(wù)器進(jìn)行通信. 文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]指出:由于環(huán)境干擾的同時(shí)易導(dǎo)致信號(hào)發(fā)散或丟失從而對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響. 因此, 方案利用卡爾曼濾波算法, 定義最大差值, 對(duì)比前后兩次數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行濾波處理以提高接收邊坡傾斜角Angle值的準(zhǔn)確性. 處理結(jié)果如圖8所示.

圖8 服務(wù)器數(shù)據(jù)處理結(jié)果

4.3 上位機(jī)測(cè)試

打開(kāi)PC上位機(jī), 上位機(jī)獲取服務(wù)器數(shù)據(jù), 并對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判斷, 利用處理出來(lái)的Z軸數(shù)據(jù)畫(huà)出坐標(biāo)圖, 另外顯示出相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù), 同時(shí)將處理出來(lái)的X軸和Y軸數(shù)據(jù)記錄在文本框, 當(dāng)抓取到異常數(shù)據(jù)時(shí), 發(fā)出警報(bào)聲并將記錄該Z軸異常數(shù)據(jù). 上位機(jī)測(cè)試界面如圖9所示.

圖9 上位機(jī)顯示界面

4.4 WEB軟件測(cè)試

在瀏覽器輸入遠(yuǎn)程山體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)址. WEB軟件如圖10所示. 獲取山體環(huán)境數(shù)據(jù), 方便了監(jiān)測(cè)人員能夠不受環(huán)境地點(diǎn)的影響, 實(shí)時(shí)地查看山體狀態(tài).

圖10 WEB客戶(hù)端界面

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在惡劣環(huán)境中多角度采集環(huán)境信息,遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù), 并利用卡爾曼濾波算法修正測(cè)量過(guò)程中的隨機(jī)誤差. 采用PC上位機(jī)和WEB客戶(hù)端實(shí)時(shí)更新傳感器數(shù)據(jù)并判斷異常情況來(lái)建立安全預(yù)警模型,實(shí)現(xiàn)控制站對(duì)監(jiān)控地區(qū)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及預(yù)警. 通過(guò)物理原型測(cè)試實(shí)驗(yàn), 系統(tǒng)符合山體滑坡實(shí)時(shí)監(jiān)控需要,具有重要的應(yīng)用價(jià)值.

1 劉肖忠.基于圖像方式的山體滑坡實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)[碩士學(xué)位論文].南昌:南昌航空大學(xué),2013.

2 邱健壯.GPS監(jiān)測(cè)山體滑坡研究[碩士學(xué)位論文].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.

3 王作成.基于ZigBee的山體滑坡預(yù)警系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[碩士學(xué)位論文].蘭州:西北師范大學(xué),2013.

4 朱望純,龐少東.一種基于Zigbee與GPS山體滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā).計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2014,9:2779-2780,2788.

5 洪新,吳珂,王波,盧鵬.基于ZigBee技術(shù)的山體滑坡預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì).硅谷,2011,1:51,36.

6 胡穎.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[學(xué)位論文].重慶:重慶大學(xué),2011.

7 王波,李文田,梅倩.滑坡監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2012,7:1831–1835.

8 薛艷亮,胡建萍,王江柱.基于分布式編址機(jī)制的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)研究.杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(2):33–36.

9 曹春萍,羅玲莉.基于卡爾曼濾波算法的室內(nèi)無(wú)線定位系統(tǒng).計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2011,20(11):76–79.

10 焦尚彬,宋丹,張青,唐金偉.基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng).電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2013,14905(27): 436–442.

Mountain Landslide Remote Monitoring System Based on ZigBee

LIU Jian, CHEN Hao-Yu, HUANG Kai, HONG Wei, LAI Bin-Bin, WANG Hua-Bin, HUANG Zhen
(Department of Computer Science, Huizhou University, Huizhou 516007, China)

In order to overcome the disadvantages such as wired transmission and manual notification in conventional pre-warning systems for mountain landslide, this paper proposes a low-power and high-accuracy remote monitoring system for mountain landslide, which is designed with a three-axis acceleration sensor MPU6050. The system uses ZigBee wireless network to collect sensor data and utilizes Kalman filtering algorithm to reduce deviation in the result to improve higher accuracy. After being tested with physical prototype, the system runs stably and meets the design requirements well.

mountain landslide; ZigBee; monitoring; Kalman filtering algorithm

惠州市科技計(jì)劃(2015ZX023);惠州學(xué)院自然科學(xué)項(xiàng)目(hzuxl201417)

2016-04-04;收到修改稿時(shí)間:2016-05-16

10.15888/j.cnki.csa.005574