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摘 要 ：为了降低山体滑坡地质灾害对铁路运行的安全危险,设计了利用 ZigBee 无线传感网的山体滑坡地质灾害监测与 预警系统,该系统主要包括了激光传感器无线数据采集终端层、无线数据汇聚层、4G 传输网络层和地面监控中心。系统硬件 电路设计主要包括了主控 CC2530 电路连接设计、激光测距传感器电路连接设计和 RS484 通信总线电路连接设计 ;系统软件 主要包括了协调器软件流程、终端节点软件流程和 Modbus RTU 数据包格式设计。系统测试表明,当网络节点部署在 70m 之 内,系统丢包率可以控制在 5% 以内进行平稳运行。
关键词 ：终端节点,激光传感器,协调器,监测预警
Landslide Geological Hazard Monitoring and Early Warning System BasedonZigBee Wireless Sensor
CHEN Jinjin,LIU Huihui
(School of Information Engineering,Zhengzhou University of Industrial Technology, Zhengzhou Henan 450000)
【Abstract】：In order to reduce the safety risk of landslide geological hazards to railway operation, a landslide geological hazard monitoring and early warning system based on ZigBee wireless sensor network is designed. The system mainly includes laser sensor wireless data acquisition terminal layer, wireless data aggregation layer, 4G transmission network layer and ground monitoring center. The system hardware circuit design mainly includes the main control CC2530 circuit connection design, the laser range sensor circuit connection design and the RS484 communication bus circuit connection design; The system software mainly includes coordinator software flow, terminal node software flow and Modbus RTU data packet format design. The system test shows that when the network node is deployed within 70m, the packet loss rate of the system can be controlled within 5% for stable operation.
【Key words】：terminal node;laser sensor;coordinator;monitoring and early warning
1 系统总体方案设计
1.1 预警系统总体架构设计
地质灾害监测预警系统主要设计以下几点 ：(1)数据 采集终端 ：每个地质灾害监测点部署数个激光传感器,用 于实时完成山体滑坡地表位移量的数据采集, 系统根据位 移量情况来判断滑坡预警等级。(2)数据汇聚终端 ：激光 传感器将所采集数据利用 ZigBee 网络通过终端节点汇聚 传输至协调器节点。(3)4G 无线传输 ：协调器节点将收 到的实时传感采集数据通过 RS485 接口和 4G 模块完成 传输网络对接,最终将传感采集数据包传输至监控中心。 (4)监控中心 ：监控中心将传感数据包进行分析处理、实时显示和存储后,根据滑坡位移值来判断声光预警等级 [1]。
1.2 ZigBee 终端节点结构设计
终端节点电路结构主要包括了激光传感器、组网指 示灯、CH340G(USB 转 TTL)、RF 天线电路和系统复 位电路,该节点电路只负责传感数据采集和无线 ZigBee 通信功能。当铁路沿线出现山体滑坡时,激光传感器可 以采集到滑坡位移数据 [2] ;当每个采集周期结束后,终 端节点将采集数据进行打包通过网络传输至 ZigBee 汇 聚节点协调器上。ZigBee 终端节点架构设计如图 1 所示。
1.3 ZigBee 协调器节点结构设计
系统的汇聚层主要由终端协调器和 4G 通信模块组成,该层主要实现了数据控制指令的上传下发和无线网络组网与维护,同时协助系统数据采集层与监控中心之间数据传输枢纽功能 [3]。协调器的电路结构主要包括复位电路、电源模块、CH340G(USB 转 TTL)、RF 天线和组网指示灯等。ZigBee 协调器连接电路如图 2 所示。
2 系统硬件电路设计
2.1 CC2530 电路连接设计
为了系统更加适应野外环境,主控制器采用了高通 公司 CC2530 芯片, 它具备了功耗低、抗干扰和灵敏度 高等特点。CC2530 主要高度集成了 RF 信号收发装置、 高性能 8051MCU、16KB 存储和 USART 接口等。
2.2 激光传感器电路设计
数据采集单元采用了具备位移测距功能的 L2S 型号传 感器,传感器与 ZigBee 终端节点之间采用分布式部署方 式。为了保障数据采集的稳定性,网络链路采用了 RS485 总线互联模式。传感接口连接电路设计如图 3 所示。
2.3 RS485 电路连接设计
RS485 连接电路采用了友达光电的 RS3485 芯片, 其中 RO 引脚连接主控芯片的 P0_2/RX, RE 引脚连接主 控芯片的 P0_7/EN, DE 引脚连接主控芯片的 P0_3/TX, P4 引脚连接激光传感器 [4]。为了适应野外环境, RS485 总线电路中引入了 TVS、热敏电阻和放电管组成了端口 保护。RS485 连接电路如图 4 所示。
3 系统软件设计
3.1 ZigBee 协调器软件流程设计
ZigBee 协调器的主要功能是完成无线传感网的 创建与管理。无线传感网建立完毕后,通过轮询函数 NLME _ PermitJoiningRequest() 判断节点是否符合加入 ZigBee 网络。若符合入网条件, 提取传感器的 64 为长地址码与 16 位短地址码,通过广播方式完成采集数据包的转发。若协调器需要接收传感数据,则利用Sample _ App _ MessageMSGCB() 函数完成转发数据包的接收存储功能。ZigBee 协调器软件流程如图 5 所示。
3.2 ZigBee 终端节点软件流程设计
ZigBee 终端节点加入无线传感网后,执行 osal-start- system() 轮询函数。终端节点通过数据采集指令下发至 激光传感器,通知传感器完成滑坡位移数据采集与数据 包上传。若上位机发出控制指令,终端节点则执行AF- DataRequest() 函数完成传感数据包上传 ;若上位机未 发送控制指令,终端节点进入休眠模式 ;当上位机再 次发送控制指令,则终端节点进入唤醒模式继续工作。 ZigBee 终端节点软件流程如图 6 所示。
3.3 Modbus RTU 报文格式设计
ZigBee 终端节点与激光传感器之间实现了一对多的网络连接, RS485 总线模式之间采用了 Modbus 协议(终 端查询与传感节点响应) 完成最终通信功能。终端节点通 过硬件地址匹配的采集指令周期性进行传感数据采集,并 将数据包封装成 RTU 格式后利用 ZigBee 网络传输至终端 汇聚节点。每完成 1 个周期的数据采集任务, ZigBee 终 端节点将所有数据打包, 通过汇聚节点与 4G 网络传输至 监控中心进行数据解析处理与预警。Modbus RTU 传感 采集数据包的报文格式设计如图 7 所示。
4 系统测试
4.1 ZigBee 无线传感网性能测试
为了最大程度的验证无线传感网络性能, 将通信设备 安置在野外山坡树林中。将 1 个 ZigBee 协调器节点固定 部署完成后,开启 ZigBee 终端节点和激光传感器并实时 移动二者的位置,在不同测试距离位置完成 100 个数据包 的发送任务。无线传感网的性能测试结果如表 1 所示。
从表 1 可知,在 0 ～ 70m 传输范围内系统丢包率 在 5% 以内 ;在 110m ～ 180m 范围之内,系统丢包率 在 10% 以上。在实际网络部署中,终端节点与协调器 之间的距离部署控制在 70m 以内即可满足通信要求。
4.2 上位机功能展示
在实验室搭建上位机测试平台,上位机启动后自 动侦听 ZigBee 协调器的工作状态。当系统连接成功后, 上位机实时显示采集终端的采集与监测数据。当滑坡位 移数据低于正常设定值后,预警模块通过指示灯与语音 提醒完成滑坡预警功能。地质灾害监测预警上位机系统 可以实现实时监测信息查看、预警分析和监测信息管理 等功能。
5.
结语
基于 ZigBee 无线传感网的山体滑坡地质灾害监测 预警系统,通过激光测距传感器实现了铁路沿线山体滑 坡位移数据的实时采集, ZigBee 终端节点通过控制指令 完成位移数据包采集与上传至 ZigBee 协调器,协调器 收到上位机的上传指令后,将传感数据包通过 4G 网络 传输至地面监控中心。监控中心上位机将数据包进行分 析、处理与显示后,将处理结果与预设预警阈值进行对 比,完成语音与指示灯的预警功能。测试结果表明,地 质灾害监测预警系统在部署恰当的情况下可以平稳运 行,具备一定的推广价值。
参考文献
[1] 任飞,张辛波,左庆邻.基于物联网技术的地质灾害预警系统 设计[J].电子技术与软件工程,2019(18):193-195.
[2] 周密.GNSS技术在地质灾害监测与预警系统中的应用[J].测 绘标准化,2019(3):58-60.
[3] 亓星.地质灾害专业监测预警技术方法探讨[J].四川理工学 院学报,2019(4):49-54.
[4] 王平波,游情.地质灾害气象风险预警及气象格点数据在预 警中的应用[J].科技与创新,2019(12):13-15.
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