基于CC2530的滑坡监测系统设计

蒿书利，庹先国，奚大顺

（成都理工大学 四川 成都 610059）

地质灾害严重危害公民生命、财产和生存环境，严重威胁国家重大工程的建设与安全。我国是世界上地质灾害最严重的国家之一，尤其是汶川地震后，滑坡、泥石流等次生地质灾害影响严重。

近年来，关于滑坡、泥石流类灾害的研究是行业研究的重点。地质灾害监测预报是地质灾害防治的一个重要环节。对滑坡的监测是一种常用的地质灾害监测手段。滑坡监测对减灾防灾意义重大。

对滑坡的监测重点是滑坡本身的变形，其最大特点在于：一是滑坡变形缓慢，有的几个小时、几天、甚至几个月才有变化[1]；二是滑坡与降水有密切关系；三是一般没有市电接入；四是滑坡现场各采集节点之间，采集节点与基站之间有一定的距离，基站与监控主机距离遥远。确定滑坡变形的手段很多，常用的有地质钻探调查分析法、利用遥感技术判释对比法、大地测量法等[2]。随着科学技术的进步，在滑坡变形监测中，Zigbee、GSM等先进技术将发挥更大的作用[3]。

1 总体方案设计

我国现有地质灾害监测主要为人工测试、记录及资料处理，将几种物理参数监测仪与本监测站微机有线相连，且须技术人员巡回值守，造成大量的人力资源及资金的浪费，并且不能实现实时自动监控、数据传输与及时预报，更不便决策部门与专家及时了解地质灾害现场的监测结果，不能快速地制订临灾状况的处理方案。

在发达国家和地区，例如美国、日本等建立了地质灾害实时监测系统，在实际应用中可以做到实时预警。如美国Crossbow公司利用物联网技术组建的滑坡监测系统。滑坡现场的每个采集节点连接一个液位传感器和一个倾斜度传感器。采集节点内部由单独的微处理器和单独的驻留了Zigbee协议的收发芯片组合而成。它的基站和一个网关无线连接，网关又和PC机相连，利用GPRS网络将滑坡信息传递至远端。该滑坡监测系统虽然利用了先进的物联网技术，但仅限于监测滑坡深部的液位和倾斜度，采集节点-基站-网关-GPRS也可以简化，最大的问题是价格昂贵，难以大量使用，不便于推广。

本项目系统设计框图如图1所示，通过在潜在滑坡体的适当位置布置数据采集节点，用来监测滑坡体的表面裂缝、倾斜度、土壤温度和土壤湿度等信息。各采集节点和基站基于Zigbee自组网络[4]。基站接收各采集节点采集的滑坡信息再通过GSM无线传输方式[4]，将采集的数据发送到远程的中心数据接收站，远程中心数据接收站只需要一台PC机配合相应的通讯模块，通过配套的数据采集软件即可实现数据的现场采集、远程监控该滑坡体的实时状况、动态监控滑坡体变形发展以及预测可能的破坏规模。在野外，环境监测领域由于野外的特殊情况，如电源，长距离布线等因素的存在使得该种监测系统难以有效部署。CC2530由于其低功耗，低价位，自组织路由，无需布线等特性，适合地质灾害监测领域的应用[5]。

图1 系统设计框图Fig.1 Block diagram of system design

2 硬件电路

2.1 采集节点

采集节点硬件电路由电源电路，传感器，信号调理和数据的读取与无线传送模块组成，具体结构框图如图2所示。温度传感器和湿度传感器采用的是Crossbow公司的es1101传感器套件[6]，它们埋在滑坡内，以观测降雨期间土壤温度、土壤湿度，分别将土壤温度、土壤湿度转换为与之相应的电阻值。位移传感器采用的是KPC-700 mm绞接式位移传感器，将位移变化转换为电阻值的变化。信号调理电路将反映温度和湿度以及位移的电阻值转换为电压值并送到CC2530内部的14位ADC输入端口。倾角传感器（型号：SCA100T）为微电子机械型传感器，它将倾斜度转换为串行数字量。CC2530读取ADC转换的数据信息，以及倾角传感器的数据，将其打包发送到基站。电源电路由锂离子电池组、DC-DC变换器组成。锂离子电池组经DC-DC变换器为CC2530芯片、和传感器电路供电。

2.2 基站

基站由CC2530芯片、C8051F020芯片和GSM模块（GC864）和电源电路组成，电源电路由锂离子电池组、电源管理电路组成。CC2530芯片、C8051F020芯片、GSM模块依次以串口连接，采用锂离子电池组为CC2530芯片、GSM模块供电，基站负责接收各采集节点的信息并经GSM网络以短信的方式发送至监控主机。采集节点电路原理图如图3所示。

图2 采集节点结构框图Fig.2 Block diagram of acquisition node

图3 采集节点电路原理图Fig.3 Schematic diagram of acquisition node circuit

2.3 监控主机系统

监控主机系统由GSM模块、电平转换电路、串口、监控主机电源系统组成。GSM模块、电平转换电路、串口依次连接，监控主机电源系统分别为GSM模块、电平转换电路供电。电平转换电路将基站传送来的滑坡信息经串口、RS-232电缆送往PC机。

3 软件部分

3.1 采集节点CC2530程序流程

为了降低采集节点的平均工作电流，延长工作时间，采集节点CC2530采用了间歇式工作方式，即在需要某模块工作时才开启电源为传感器电路供电，否则关闭电源进入休眠模式，CC2530在休眠时段的工作电流在μA级。采集节点CC2530的程序流程如图4（a）所示。

3.2 基站CC2530程序流程

基站CC2530主要承担定时向采集节点发送唤醒信号，并接收各个节点送回的数据，然后将数据串口传送给C8051F020单片机。其程序流程如图4（b）所示。

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

4 功能测试与结论

4.1 Zigbee组网通信

本次设计制作采用多个采集节点和一个基站。经过实验测试，各个节点和基站组成的网络能够实现的功能表1所示。

表1 功能测试结果Tab.1 Function test results

4.2 监控主机

监控主机的测试主要是接收检测基站送来的信息并分别在PC上不同界面坐标系中显示4个传感器传输过来的温度、湿度等滑坡信息参数，PC机信息界面如图5所示。

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

4.3 低功耗设计

由于检测环境一般是在野外，本设计中采用的低功耗设计包括两个方面：1）间歇式工作模式；2）采集节点采用DCDC电源管理电路，可充电锂电池供电。采集节点的低功耗测试：采用容量为1.6 Ah的锂电池供电，电源电压5 V，睡眠模式电源电流7 mA，工作时电源电流34 mA，工作时间2 s/h平均功耗35 mW电池供电可持续工作时间9天。

5 结束语

经过方案设计、研究制作以及实验测试，本滑坡监测系统设计能够完成以下几项基本功能：

1）采集节点和基站遵守Zigbee协议能够完成自动组网功能。

2）基站将4个传感器传送来的滑坡土壤温湿度、滑坡位移以及倾角等信息以短信的形式传送到检测主机。

3）检测主机能够接收检测基站传送来的信息，并通过RS-232传送到PC机。

4）PC机上位机界面接收信息数据并在相应参数界面显示滑坡各项参数信息。

5）采集节点的低功耗设计可实现锂电池供电持续工作时间达到9天。

[1]徐邦栋.滑坡分析与防治[M].北京：中国铁道出版社，2001.

[2]乔建平.滑坡减灾理论与实践[M].北京：科学出版社，1997：120-122.

[3]何成平，龚益民，林伟.基于无线传感网络的设施农业智能监控系统[J].安徽农业科学，2010，38（8）：4370-4372.

HE Cheng-ping， GONG Yi-min，LIN Wei.Facility agriculture intelligent monitoring system based on wireless sensor networks[J].Journal of Anhui Agricultural Sciences， 2010，38（8）： 4370-4372.

[4]袁生贵，方东，李小凯.基于 GPRS监测技术在灾区山体滑坡中的应用探讨 [J].自动化技术与应用，2010，29（10）：69-71.

YUAN Sheng-gui， FANG Dong， LI Xiao-kai.A study in the landslides based on the monitoring technology of GPRS[J].Techniques of Automation and Applications，2010 ，29（10）：69-71.

[5]丛秋波.2.4GHz RF解决方案用于低功耗无线网络系统开发 [EB/OL].（200 9-07-01）.http：//www.ednchina.com/topic/

wireless/commu/2_4ghz_rf_solution_for_low_power_wireless_network_system_development.htm.

[6]eKo Pro Series System [EB/OL].[2011-04-01].http：//camalienet works.com/e Ko_Pro_System_datasheet.pdf.