一種基于ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

周海晶 唐天聰

摘 要：山體滑坡是一種常見的具有較強破壞性的自然災(zāi)害，該文提出了通過ZigBee技術(shù)將土壤含水量、空氣溫濕度、加速度及位移等傳感器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)信號采集終端，終端數(shù)據(jù)利用GPRS傳輸?shù)缴衔粰C，對山體滑坡災(zāi)情進行精確監(jiān)測，該系統(tǒng)在黔江區(qū)易滑坡地帶進行系統(tǒng)聯(lián)機測試，各傳感器采集數(shù)據(jù)正常，ZigBee組網(wǎng)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸正確、完整，為山體滑坡預(yù)警提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：山體滑坡；ZigBee；GPRS

中圖分類號：TP277 文獻標志碼：A

0 引言

該文設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、監(jiān)控中心上位機軟件和監(jiān)控主機3個部分組成。數(shù)據(jù)采集終端由傳感器和CC2530片上系統(tǒng)構(gòu)成，軟件編寫是基于IAR嵌入式應(yīng)用開發(fā)平臺，監(jiān)控主機微控制器使用ST公司生產(chǎn)的STM32系列單片機，GPRS網(wǎng)絡(luò)采用SIM900A模塊，將采集到的數(shù)據(jù)在監(jiān)控主機的控制下傳輸至上位機，監(jiān)控中心上位機軟件用LabVIEW開發(fā)環(huán)境編寫，該環(huán)境是一種用圖標代替文本行應(yīng)用程序的圖形化編程語言，功能強大，使用生動有趣。監(jiān)控主機還存儲歷史數(shù)據(jù)，以便調(diào)用分析，實現(xiàn)山體滑坡的遠程監(jiān)控，系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1 硬件設(shè)計

1.1 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計

數(shù)據(jù)采集終端通過傳感器采集監(jiān)控區(qū)域的物理信息，各終端加入監(jiān)控主機中的協(xié)調(diào)器所建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，終端采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)間的交互。終端傳感器由位移、土壤濕度、溫濕度、加速度等傳感器等構(gòu)成，加入無線網(wǎng)絡(luò)的功能主要是ZigBee負責。

1.2 監(jiān)控主機設(shè)計

監(jiān)控主機包括主機微控制器、ZigBee協(xié)調(diào)器和遠程數(shù)據(jù)傳輸3個部分。監(jiān)控主機是數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)“承上啟下”平臺，接收上一級數(shù)據(jù)采集終端傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過分析處理，將數(shù)據(jù)存儲于外部大容量的存儲設(shè)備中，利用遠程數(shù)據(jù)傳輸將處理后的數(shù)據(jù)送至上一級監(jiān)控中心上位機，以便上位機軟件調(diào)用、處理及顯示。

1.3 GPRS模塊設(shè)計

GPRS技術(shù)利用GSM系統(tǒng)的無線結(jié)構(gòu)，通過在GSM網(wǎng)絡(luò)中增加數(shù)據(jù)設(shè)備提高傳輸速率，保證采用GSM系統(tǒng)的運營商從2G到2.5G的平滑過渡，實現(xiàn)從電路方式到話音/分組方式的轉(zhuǎn)變。該系統(tǒng)選擇SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM900A工業(yè)級雙頻GSM/GPRS模塊。該模塊性能穩(wěn)定、價格低廉對用戶具有較高的性價比。系統(tǒng)中使用SIM900A的GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸功能，監(jiān)控主機的微處理器STM32F103與SIM900A通過串口進行交換數(shù)據(jù)，連接關(guān)系見表1。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要由數(shù)據(jù)采集終端、監(jiān)控主機和系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計3個部分組成。其中數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計完成各傳感器初始化驅(qū)動、采集終端初始化配置及與監(jiān)控主機數(shù)據(jù)交互；監(jiān)控主機軟件設(shè)計包括協(xié)調(diào)器初始化配置、STM32F103主機初始化配置、SIM900A初始化配置及數(shù)據(jù)上傳等；上位機軟件設(shè)計實現(xiàn)與監(jiān)控主機的數(shù)據(jù)傳輸及相關(guān)參數(shù)顯示。圖2為系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)圖。

2.1 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計

數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計解決2個內(nèi)容，一是相關(guān)傳感器的驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集；一是尋找ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)后加入網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至上一級。開發(fā)過程中，TI官方提供有符合ZigBee2007/PRO協(xié)議的Z-Stack協(xié)議棧，協(xié)議棧集中封裝了ZigBee各層定義的協(xié)議，通過調(diào)用函數(shù)實現(xiàn)每個層間的通信，且提供一些應(yīng)用層API以方便用戶直接調(diào)取使用。因此在利用協(xié)議棧進行軟件開發(fā)時，用戶在了解各層之間通信數(shù)據(jù)的“來龍去脈”后，完成程序開發(fā)，就可實現(xiàn)ZigBee無線通信，不必考慮ZigBee協(xié)議各層的定義標準和實現(xiàn)細節(jié)，縮短了開發(fā)周期，降低了設(shè)計難度。

2.2 監(jiān)控主機軟件設(shè)計

主機微控制器選擇的是基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F-

103ZET6嵌入式芯片，軟件設(shè)計使用uVision5 IDE 集成開發(fā)環(huán)境的Keil MDK5.14版本進行軟件開發(fā)。主機微控制器接收ZigBee協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)，處理后命令GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心上位機，同時在外部SD卡上存儲重要數(shù)據(jù)，以備日后調(diào)用分析。

2.3 上位機軟件設(shè)計

采用LabVIEW軟件作為上位機開發(fā)平臺，完成GPRS模塊與上位機點對點的交互工作，設(shè)計實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理功能，在實時監(jiān)控功能中有實時數(shù)據(jù)顯示和控制參數(shù)設(shè)置子功能；在數(shù)據(jù)管理功能中包括了預(yù)警記錄查詢、歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線查詢2個子功能。

3 系統(tǒng)測試分析

為了測試和評估系統(tǒng)的正確性和穩(wěn)定性，調(diào)試環(huán)節(jié)分為ZigBee組網(wǎng)測試與系統(tǒng)聯(lián)機測試2個部分，在ZigBee組網(wǎng)測試中，硬件成功組網(wǎng)，利用USB Dongle抓取ZigBee無線數(shù)據(jù)包進行輔助分析；聯(lián)機測試分為監(jiān)控主機數(shù)據(jù)和整機測試，2個部分利用串口調(diào)試助手和上位機進行顯示。測試結(jié)果表明系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示正確，如圖3所示。

參考文獻

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