基于ZigBee技术的无线传感器网络在山体滑坡监测中的应用

苏国栋，王平，蔡碧丽，徐世武

（1.2.福建师范大学光电与信息工程学院，福建福州350007；3.福建省侨兴轻工学校电子技术应用系，福建福清350301；4.福建师范大学协和学院信息技术系，福建福州350108）

基于ZigBee技术的无线传感器网络在山体滑坡监测中的应用

苏国栋1，王平2，蔡碧丽3，徐世武4

（1.2.福建师范大学光电与信息工程学院，福建福州350007；3.福建省侨兴轻工学校电子技术应用系，福建福清350301；4.福建师范大学协和学院信息技术系，福建福州350108）

根据地质灾害特点，通过在山体滑坡监测区域布设无线传感器网络，并基于ZigBee技术自组网，采用无线多跳路由和多路径数据传输方法，把采集的数据打包、分组，通过GPRS无线传输模块传送到远端的监控点或指挥中心，远端的监控中心把接收的数据经上位机的Labview软件建模、分析，作出及时的预测、报警，或提供给专家作决策依据。

山体滑坡；无线传感器网络；ZigBee技术

1 引言

随着经济开发和地质环境条件的恶化加剧，近几年来我国滑坡地质灾害越来越严重，人们越来越重视滑坡等地质灾害。这些年来每逢台风或暴雨来临之际，经常发生滑坡、崩塌等地质灾害，而且危害越来越严重。它严重威胁人们的生命财产安全，破坏工程设施，影响正常的生产和生活，造成巨大经济损失和人员伤亡。据统计，今年1～6月全国共发生地质灾害4049起，造成250人死亡或失踪，直接经济损失10.2亿元。与去年同期相比，今年上半年地质灾害发生数量、造成死亡失踪人数和直接经济损失均有所增加。在已发生的地质灾害中，有6起特大型地质灾害，以降雨等自然因素造成的滑坡为主，造成132人死亡失踪，直接经济损失1.8亿元[1]。八九月份期间，福建泉州莆田一带连续发生多起地震，虽然没有人员伤亡和财产损失，但是造成的潜在危害，将影响着人们的生活。还有，中国移动、中国电信、中国联通兴建了数千座通信基站（发射塔和机房），其中，山区的基站占大多数。受地形条件的限制和发射塔自身的特点，多数基站建在山脊、山腰或山顶上，山体滑坡、崩塌等地质灾害的发生会给联通、移动带来巨大的影响[2]。综上因素，山体滑坡、崩塌等地质灾害的预警系统的设计具有重要作用，保护人民的生命财产安全，也有利益经济的发展。

2 相关工作

2.1 ZigBee技术

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术[3]。ZigBee技术是一种双向无线通讯技术，这技术是一个无线数传模块组成的一个无线网络平台，无线数传模块最多可达65000个，在整个网络范围，每个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信[4]。ZigBee模块采用TI公司的CC2430芯片，它支持TI的z—Stack协议栈，内部集成了低功耗的8051单片机，外围包括通用10口、A/D转换接口、SPI口、以及串口等，接口资源丰富。无线传感器网络基于ZigBee自组监测网络,具有组网灵活，自修复能力强等特点[3]。将其运用于滑坡，崩塌等地质灾害的预警系统中，将为地质发灾区监测提供有力保障，为防灾减灾提供决策依据，保护人民的生命财产安全，以实现持久的经济发展。

2.2 无线传感器网络技术

无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Net2works）是一种全新的网络化信息获取与处理技术，具有自组网、无线多跳路由和多路径数据传输功能，结合数据融合技术，平衡网络负载，延长网络生命周期[5]；传感器节点成本低，可实现对整个滑坡监测区域进行大范围的节点布置，保证数据采集的深度，为实现山体滑坡状态监测和预警提供巨量数据基础[6]。论文针对山体滑坡监测，提出以无线传感器网络技术为基础，构建山体监测区域无线传感器监测网络，结合GPRS通信技术，实现对监测区域的远程实时监护，并通过对采集数据的分析和处理，实现对山体滑坡的预警预报。

2.3 Labview简介

LabView语言运用数据流编程方法来描述程序的执行，使用图标和连线替代文本的形式编写程序，是一种别具特色的图形化编程语言。

LabView是开放式的虚拟仪器开发系统应用软件，这样可以为使用者提供简单、便捷的设计环境，用户可以构建自己要求的控制系统和仪器面板，图形化程序设计语言在很大程度上简化程序的设计，可以不用考虑复杂繁琐的程序代码编写。

Labview特点[7]：

1）图形化的仪器编程环境；

2）内置的程序编译器，使运行速度加快；

3）灵活的程序调试手段；

4）大量的仪器驱动程序；

5）支持多种系统平台，平台之间的程序可直接进行移植；

6）提供CLF功能和CIN功能，可以直接调用其他软件平台；

7）支持TCP/IP、DDE等功能。

在整个山体滑坡系统中，CC2430模块通过各类传感器对受测试环境中的水位、倾角、位移加速度等信息进行采集，处理。利用ZigBee技术自动组网功能，用无线多跳路由和多路径数据传输方法，对数据进行打包处理，分组处理等，通过GPRS无线传输模块传送到远端的控制中心或指挥中心，控制中心把接收的数据经上位机LabView软件在界面上显示，监测中心工作人员利用相关专业知识对数据进行分析，建模预警，做出及时的预测、报警，或者提供给专家做出决策依据。

3 监测系统结构

山体滑坡监测系统主要包括无线传感器网络监测系统、GPRS网关和远程监控中心。在山体滑坡检测区布设无线传感器节点：对受测场地的大岩石倾角变化的监测是通过倾角传感器对其进行测量；选定监测对象的多个点，利用距离传感器对这些点的距离变化情况进行测量；地下水侵蚀是山体滑坡发生的一个重要影响因素，因此，地下水位深度是显示山体滑坡危险度的重要指标，利用水位传感器对水位的深度变化进行监测，在受测场地打孔，将水位传感器部署在孔洞最下端，无线传感器发送水位传感器采集的数据（液位值）。应变传感器用于断层面的滑动变形。通过加速度传感器对山体大岩石等固体物质的位置、方向、移动速度等因素进行监测。

监测系统的总体结构主要由协调器、簇节点、路由器/簇头和GPRS网关组成。传感器节点对坡体的各项信息进行采集，协调器和路由器节点构建信息传输网络及其路由，基于ZigBee技术的自组网，采用无线多跳路由和多路径数据传输方法，以网络的终端路由节点为簇头，与传感器节点建立簇网络，对数据进行传输和汇聚。簇头节点对数据进行打包、分组，通过GPRS无线传输模块传送到远端的监控点或指挥中心[8]，远端的监控中心把收到的数据通过上位机Labview软件建模、分析，提供给专家做预测的依据，最终发出预警信号[9,10]。

4 系统硬件设计

节点硬件主要由CC2430为核心的无线模块，各类传感器组成的环境采集模块、GPRS网关和电源等组成。用CC2430为核心构造的传感器网络节点的方案满足整个山体滑坡系统的数据采集，且具有功耗低、电路简单、体积小和成本低等优势。本系统基于ZigBee技术，ZigBee技术是具有成本低、低功耗、组网能力强、可靠性高等优势的新兴无线组网通信技术，适用于各种检测领域[11-12]。ZigBee技术只靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，是其他很多无线设备无法达到的优势。

4.1 CC2430无线收发模块

CC2430无线模块采用德州仪器（TI）ZigBeeSoC射频芯片CC2430F128，CC2430节点基于ZigBee技术，内核是优化C8051，比标准8051快8倍，具有双数据指针，功耗低，4个灵活的电源模式可以减少电源消耗。CC2430模块具有较特殊的优势，具有强大的DMA控制器，有上电复位/掉电检测，可配置的8通道ADC，21个可配置通用数字I/O引脚，数字引脚输出简单方便，减少软件的处理，减轻CPU的负担。CC2430节点重要的特点、也是我们用户较关心的、符合我们需要的外围设备特性，是它具有4个定时器，即1个通用的16位定时器、2个8位定时器、1个MAC定时器，定时器可以用于定时采集环境信息数据，定时对电源开启与关闭的控制，节省不同时间段的电源消耗；定时器在编程中起着重要的作用。CC2430有两个可编程的USART，可作为SPI主模式、SPI从模式或者UART，片内的UART1，CAN, SPI，I2C，UART2总线与各类传感器结合对环境信息进行采集，再通过片内RF无线发射，通过GPRS网关传送到远端的控制中心或指挥中心。

4.2 各种传感器的选择

根据实际运用中的各种要求，倾角传感器选用直川电子的ATC100AL-485单轴倾角传感器对受测场地的大岩石等进行角度的测量，它是一类成本较低的数字信号输出传感器模块，它减少硬件的开销和软件CPU的负担，可进行零点设定，波特率可选（4800，9600，19200），这类型的传感器使用于安装坡体位置，因为它是带铝壳，有一定的防水、防空特点，工业器件性能稳定，可靠抗击、抗震动。距离传感器选用SENST-200远距离激光测距传感器，测距200m，精度1mm。激光测距传感器是新一代的测距设备，功能强大、坚固耐用，专为工业测量市场设计，通过发射激光束至目标物体，利用发射光束精确计算距离。此类激光测距传感器是线式连续检测，不像手持激光测距仪，需要人工点发，这样可以在无人值守的情况下进行连续监测。水位传感器选用鸿泰顺达科技公司的BJ216的液位传感器，液位传感器基于反射原理工作，产品反映速度快、可靠性高，并且经济实惠。LI系列液位传感器采用施密特触发器，设备需要使用者提供外部保护电路，这种元件能以数字形式指示液体是否存在。数字输出，可不用外接模数转换，减少硬件开销和软件的负担。该液位传感器用于山体滑坡系统中对水位进行监测，可以得到较精确的数据，作出及时的预警。应变传感器选用FBGS系列的应变传感器，具有不受电磁干扰、耐腐蚀、抗冲击振动、抗疲劳、使用寿命长等优点，适用于山体滑坡系统中对山体中土层环境信息的采集。可以将传感器埋入山体土层下面，监测支撑的应变。从而将采集得到的信息通过无线传输，发送到远程的监控中心，及时作出预警。加速度传感器选用飞思卡尔公司的MMA7260Q型号的传感器，它可以在XYZ三轴全方位感知，是高灵敏度的单芯片三轴向的加速度传感器，在XYZ三轴向上读取低重力水平的坠落、倾斜、放置、震动、摇摆和移动。选择这型号的加速度传感器作为本系统对大岩石等的移位速度等参数进行监测。

5 系统软件设计

5.1 无线传感器网络的构建

无线传感器网络是由大量体积小、成本低，具有无线通信、传感、数据处理能力的传感器节点组成的。无线监测系统的软件设计平台是IAR7.30B集成开发环境，基础是以Ti-Chipon公司提供的无线点对点MAC协议，与自己的网络层和应用层相结合，构成传感器网络的协议栈，基于ZigBee技术，运用无线多跳路路由和多路径数据传输，对无线分成网络的信息进行采集、传输、打包、分组与处理，通过GPRS无线传输模块传送到远端的控制中心或指挥中心，实现受测场地的数据远程传输和远程监控。

5.1.1 簇网络的建立过程

ZigBee网络结构主要有簇状结构、网状结构和星状结构。簇结构网络是由簇头和若干簇节点组成，簇头作用是构建簇网络、管理网络节点、汇聚簇节点和传输数据。网络结构是由网络协调器和若干终端节点组成，网络协调器作用是建立网络、管理网络节点、接入路由和汇聚数据等。簇结构和网络结构所要的节点较多，组成的网络覆盖的范围较广。系统可以采用洪泛方式、网状网络结构和簇网络结构，对受测场地环境信息实时采集、传输和分析进行预测，提高对山体滑坡等地质灾害的监测和预警。

本文山体滑坡系统采用的网络是以洪泛方式为基础，结合簇结构，构建信息传输分成网络结构和路由，构建网络中，网络协调器先向全网发送信标帧，该信标帧包括自身地址和帧编号，路由器节点接收到信标帧，把自己的自身地址添加到信标帧内的列表中，利用这个地址列表建立自己的路由表。这时，记录帧的编号，这样就可以避开同一帧的多次发送，接下发送修改后的信标帧。传感器节点接收到信号帧，自动选定信号最强的节点，返回发送到终端节点以确认帧，让路由节点确认自身作为终端节点的路由器节点，开始簇网络的建立。终端节点路由节点簇网络的建立流程如图1所示：簇头节点是自身，发送信号帧，传感器节点接收到信号帧，并在所有的簇头节点中，选择信号强度最强的发挥发送确认帧且加入网络。簇头节点根据收到的确认帧，建立节点列表[9,13]。

图1 网络建立流程图

5.1.2 传感器节点数据传输过程[9]

传感器节点数据传输过程简述如下：传感器节点对数据进行打包处理，传送到簇头节点，簇头节点对收到的数据信息进行分析处理，查询路由表，建立数据包，数据包应该包含协调器地址和下一目的节点的地址。由于可能发生的错误路由存在，为了解决这问题，要设置多跳路次数，转发一次多跳路减1，当多跳路次数为0时，不发送。路由器节点接收到数据包，查找自身的路由表，修改包中下一目的节点的地址，把多跳路次数减1，检测多跳路次数是否为0，为0时，放弃发送；非0时，转发数据包。数据包传送到协调器，就完成数据传输。传感器节点数据传输过程如下页图2所示。

图2 传感器节点数据传输过程

5.2 传感器数据采集设计

传感器节点没有一处于工作模式，而是采用中断工作模式，为了降低功耗，平时工作在休眠模式，当到定时时间，进入中断程序，唤醒核心CPU对传感器的数据采集和传输工作，并对数据进行处理。当采集到的数据超过设定值（阈值），传感器节点就向监控中心发送信号，由控制中心作出相应的对策。如果采集得到的数据没有超出阈值，则不发送信息，这样可以大大降低功耗，延长传感器的工作时间，节省能源，而且不用经常更换电池，经济方便[14]。传感器数据采集流程如图3所示。

图3 传感器节点数据采集流程

5.3 GPRS网络连接过程设计

采用SIMCOM公司的SIM300GPRS模块，以SIM300模块为核心，通过AT指令编程进行网络连接和数据发送。网络连接过程如下：先查询模块的工作状态，如果正常的状态下，则设置APN、用户名和密码，返回OK设置网络连接方式，返回OK后，再设置本地IP和端口，成功后开始UDP链接，连接成功后开始数据的传送[15]。GPRP网络连接流程图如图4所示。

图4 GPRS网络连接流程图

6 结束语

随着经济的快速发展和自然资源的开发，环境地质条件的恶化，近几年来，福建省沿海山区县，山体滑坡等地质灾害越来越严重，这也越来越引起人们的重视。本文针对山体滑坡监测及预警系统，采用CC2430无线通信模块结合倾角、位移，水位、加速度等传感器对环境中信息进行采集，通过使用由大量互连的多种微型传感器及其节点组成的无线传感器网络，可对重点监测区域进行不间断的高精度数据采集；通过对采集的山体斜坡数据进行分析、建模，可对有可能发生的滑坡灾害作出预警，减少自然灾害对人类的生命和物质财产造成巨大损失。

[1]刘维.2013年上半年全国发生地质灾害逾4000起[N/OL].中国国土资源报,2013-07-02. http://news.m lr.gov.cn/xwdt/jrxw/201307/t20130702_1235008.htm.

[2]陈良庆.泉州市山体滑坡及崩塌主要制约因素分析[J].福建建筑,2010(6).

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[4]张艺.基于ZigBee的无线组网技术的研究与实现[D].上海大学,2009.

[5]高守伟,吴灿阳.ZigBee技术实践教程——基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2009:27-53.

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[13]李炯,汪文勇,潘家根.无线传感器网络洪泛路由研究[J].计算机科学,2006(5).

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[15]Bing Li,Songyuan Li,LingChen,etalDesign and Realization ofWirelessRemote ImageMonitoring System Based on GSM/GPRS [C].Third Intemationl Forum on Strategic Technologies,2008:260-263.

（责任编辑：覃华巧）

The App lication ofW ireless Sensor Network Based on ZigBee in Landslide M onitoring

Su Guodong1，W ang Ping2，Cai Bili3，Xu Shiwu4
(1.2.College of Photonic and Electronic Engineering,Fujian Normal University,Fuzhou 350007,China；3.Department of Electronic Technology App lication,School of Fujian Qiaoxing Light Industry,Fuqing 350301,China；4.Information Technology Department of Concord College,Fujian Normal University, Fuzhou 350108,China)

According to the features of geological disasters,wireless sensor network is laid in landslide monitoring region. Consequently,based on ZigBee technology network,by usingwirelessmulti-hop routing andmulti-path data transmissionmethod,the collected data are packaged,grouped and sent to the remote monitoring point or commanding center through the GPRS wireless transmission module.Then,the remotemonitoring center will analyze the received data by means of the host computer's Labview software so as tomake timely forecasting and warning or provide the expertswith a basis for their decision-making.

landslide;wireless sensor network;ZigBee technology

TP79

A

1673-8535（2013）06-0027-09

苏国栋（1989-），男，福建泉州人，福建师范大学光电与信息工程学院在读硕士研究生，主要研究方向：传感器网络路由协议。

王平（1955-），男，福建福州人，福建师范大学光电与信息工程学院教授，主要研究方向：研究领域为通信网络新技术、无线传感器网络、嵌入式系统。

蔡碧丽（1987-），女，福建漳州人，福建省侨兴轻工学校电子技术应用系教师，主要研究方向：电子技术应用。

徐世武（1986-），男，福建莆田人，福建师范大学协和学院学院信息技术系教师，主要研究方向：无线传感器网络。

2013-09-06