基于物联网技术的山体滑坡监测及预警系统设计*

陈炜峰，席万强，周 峰，刘云平

(1.南京信息工程大学信息与控制学院，南京210044;2.南京易周能源科技有限公司，南京210015)

基于物联网技术的山体滑坡监测及预警系统设计*

陈炜峰1*，席万强1，周 峰2，刘云平1

(1.南京信息工程大学信息与控制学院，南京210044;2.南京易周能源科技有限公司，南京210015)

为了有效解决传统山体滑坡监测预警系统有线传输、人工播报的弊端，利用单片机采集滑坡位移、加速度信息，解析后将数据通过GPRS网络传送至监控系统控制站，控制站负责数据的分析及指令发送。当预警平台接收到控制站发送的报警指令后，将会启动警报器，并向相关人员发送一条预警短信。实践表明:该系统采用无线传输、智能播报的方式，成功实现了控制站对监控地区的远程实时监测及预警，保证了该设计的可行性。

山体滑坡;监测;预警;无线传输;智能播报

山体滑坡是山区最常见的地质灾害之一，它严重威胁人民的生命财产安全，破坏工程设施，影响正常的生产和生活，给国民经济和人民生命财产带来重大损失。据不完全统计，近年来，由于山体滑坡造成的直接经济损失已达百亿元［1］。

传统的山体滑坡监测主要是在易发地区布置各类水文、气象传感器，通过有线传输的方式把数据传送至监控终端，经人工推断出滑坡的安全状况，以电话或人员口头通知的方式告知民众，做好防范工作［2-3］。由于山体滑坡监测区域的地理条件复杂，线路架设困难、电源供给等限制，使得有线系统的部署非常困难;此外，还存在一些无人值守的设备或监测点，不适合搭建有线通讯网络，维护不便，费用昂贵。因此，很难及时、可靠地捕捉到山体滑坡灾害数据，容易受到人工干扰的影响［4-5］。

本设计基于当前的传感器采集技术、无线传输等技术，建立了基于物联网技术的山体滑坡实时监测及预警系统，可以实时得到滑坡监测数据，据此确定出现滑坡的可能性，发布预警信息，具有很高的智能性。相比于前人的设计，主要是加入了加速度数据的采集，添加了预警平台的设计，以及采用了GPRS无线传输方式。

1 系统设计

山体滑坡监测及预警系统主要包括预警系统终端机、预警平台、监控系统控制站三大部分，总体示意图如图1所示。

图1 系统总体示意图

山体在滑坡前期都有一个波动的过程。基于此，本设计采用三轴加数度陀螺仪采集山体细微晃动的线、角加速度数据，GPS全球定位系统对山体滑坡位移进行实时监测［6-7］，这样保证了山体滑坡数据的准确性。将数据经过单片机处理，并在LCD液晶屏上显示处理过的数据，通过GPRS通信网络将数据传送到监测系统控制站，及时与系统门限值相比较，如果达到门限值时就会发送一条指令给预警平台，报警器就会启动且相关人员会收到一条预警短信。

1.1 预警系统终端机

山体滑坡预警监测系统的终端机由各种水文、气象传感器模块(三轴加数度陀螺仪，GPS模块)、无线通信模块、电源模块和主控制器模块组成。图2为线、角加速度采集传输模块连接框图，图3为位移采集传输模块连接框图。

图2 线、角加速度采集传输模块连接框图

图3 位移采集传输模块连接框图

1.1.1 线、角加速度采集传输模块

主要用到的模块有:主控制模块(STC12C5A60S2)、三轴加速度陀螺仪模块(MPU-6050)、无线传输模块(SIM300)。

(1)主控制模块

所采用的主控制芯片是STC12C5A60S2。它是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机［7］，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8倍～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10 bit A/D转换(250 ksample/s，即25万次/s)，两个串口。在对线、角加速度采集传输设计中只是把它作为普通的51单片机来使用(单串口)。

(2)三轴加数度陀螺仪模块

采用的芯片是MPU-6050，MPU-60X0系列是全球首例9轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP(Digital Motion Processor)。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250°/s、± 500°/s、±1 000°/s、±2 000°/s(%dps)，加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16 gn(重力加速度)。

(3)无线传输模块

本设计采用的 GPRS通信模块为 SIM300。SIM300是SIMCOM公司推出的GSM/GPRS双频模块，支持TCP/IP协议、三频/四频/GSM/GPRS，支持PDU模式和文本模式的短消息传送，支持数据和传真信息的高速传输，使用时更加方便灵活。GPRS通讯适用于间断的、突发性的或少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输，且具有实时在线，按量收费等优点［8］。

在该设计中，GPRS模块的接口信号端GRX、GXD分别与STC12C5A60S2的RxD、TxD连接，如图2所示。当主控制模块和GPRS模块启动后，MCU通过串口直接向GPRS模块发送AT指令使其接入GPRS网络并进行参数设置。其内容包括波特率、网关、GPRS模块的类别、测试GPRS服务是否开通等。

1.1.2 位移采集传输模块

主要用到的模块有主控制模块(STC12C5A60S2)、全球定位系统(GPS)模块、无线传输模块(SIM300)。

在对位移采集传输设计中使用了STC12C5A60S2的双串口功能。MCU将从串口1传输的GPS数据解析后，经过串口2数据传给SIM300。该设计中，GPRS模块的接口信号端GRX、GXD分别与STC12C5A60S2的RxD(2)、TxD(2)连接。全球定位系统(GPS)模块采用的芯片为u-blox公司生产的NEO-6M-0-001。捕获冷启动29 s，温启动27 s，辅助启动＜3 s，热启动＜1 s，灵敏度:捕获-162 dBm，跟踪-147 dBm，冷启动-146 dBm。GPS模块的Tx、Rx端分别与STC12C5A60S2的RxD、TxD相连，如图3所示。

1.1.3 电源模块

由于监测系统终端机分布在野外，供电较困难，终端机采用蓄电池供电，蓄电池容量大、自放电率低，并采用太阳能板对其进行涓流充电，可以保证系统长期稳定地工作。

本设计中采用的是9 V2.3 W的太阳能板，6 V 4 A的蓄电池，以及AMS1117-5.0电源稳压模块，连接图如图4所示。图中的二极管是防止蓄电池对太阳能板进行反充电。蓄电池的实际电压为6.7V，经过AMS1117-5.0电源稳压模块后在OUT+-端输出5V电压，可以为单片机、GPRS模块、GPS模块供电。

图4 太阳能供电系统连接图

1.2 预警平台

本设计中，预警平台是通过短信和报警器的播报方式通知相关人员的。用到的硬件有:单片机STC89C52、无线传输模块(SIM300)、报警器ES-626、手机。其中STC89C52与SIM300模块的连接方式与图2一样。选用的报警器可工作在6 V～12 V之间，在12 V时，可达到120 dB的声音。它是由继电器对其进行控制的，继电器是通过达林顿管(ULN2003)来驱动的。继电器的‘1’为常开端口，‘3’为常闭端口。原理图如图5所示。通过MCU(STC89C52)对LED1、LED2、继电器进行控制。在报警前，LED2(绿灯)亮，LED1(红灯)灭，继电器处于常闭状态，报警器不工作;当接收到监控系统控制站的报警指令后，LED2灭，LED1亮，继电器处于常开状态，报警器工作，且手机会收到一条预警短信。本设计选择的实验滑坡采集点有三处，标记为1、2、3号地区。短信内容如图6所示，提醒相关人员做好防范。

图5 报警平台原理图

图6 警报短信图

1.3 监控系统控制站

监控系统控制站，主要负责将终端机传送过来的加速度、位移数据存储、显示，判断数据是否达到预警门限值，如果达到门限值时就会发送一条指令给预警平台，预警平台将会启动报警装置。本设计的上位机软件是借助于网络调试助手这款软件。它支持UDP，TCP协议，集成TCP服务器和客户端;可以自动发送校验位，支持多种校验格式;支持间隔发送，循环发送，批处理发送等功能。

图7为监控终端接收到的放大256倍的线、角加速度数据。其中A后面的3个数据分别表示X、Y、Z轴的线加速度，单位为gn(重力加速度)，G后面的3个数据分别表示X、Y、Z三轴旋转方向的角加速度，单位为°/s。

图7 监控终端显示三轴加数度陀螺仪数据图

图8为监控终端收到的GPS位移数据。例如图8中第1行数据，设为A点“h:36.6 N:32 52 49 E:119 48 21 t:33”，它表示该滑坡采集地处于高度36.6，北纬32°52'49″，东经119°48'21″的位置。t为北京时间的秒，前后t相减就得到了采集间隔时间Δt=21 s。如果数据变为B点，处于高度5.2，北纬32°52'51″，东经119°48'19″的位置。那么A、B两处距离将通过下面方法进行计算。

图8 监控终端显示GPS位移数据图

设地球为一正圆，半径R=6.371 229×106m，π= 3.141 592 6，任意两点距离计算公式为(不考虑海):

其中ΦA、λA为A点纬度和经度，ΦB、λB为B点纬度和精度。

代入公式得d=805.9 m，考虑海拔高度h，两点的距离计算公式为:

则A、B两点的距离为806.5 m。

2 结论

本设计对山体位移、加速度信息进行监测，确保了预警的准确性;预警平台的设计大大方便了预警的播报;采用GPRS无线网络传输数据保证了监控站可以在无限远处设立，利于远程监控。本设计在经过实地验证后，能够及时、可靠地对滑坡灾害的发生进行预警，有效地解决了有线传输及人工播报方式的缺陷。

［1］ 梁山，胡颖，王可之，等.基于无线传感器网络的山体滑坡预警系统设计［J］.传感技术学报，2010，23(8):1184-1187.

［2］ 陈铁军，陈华方，胡扬超，等.基于CC2480的山体滑坡检测系［J］.计算机工程与设计，2010，31(20):4512-4515.

［3］ 刘东旗，刘新中，卜令俊，等.基于无线传感网络的远程抄表系统信息智能传输的实现［J］.电测与仪表，2009，46(12A):46-50.

［4］ Riki Ohbayashi，Yasutaka Nakajima，Hideto Nishikado，et al.Monitoring System for Landslide Disaster by Wireless Sensing Node Network［C］//SICE Annual Conference，2008:1704-1710.

［5］ 邓大伟，祝武，栾佰霖，等.基于ARM的山体滑坡远程无人监测［J］.仪表技术与传感器，2012，(2):88-90.

［6］ 邱健壮，孙克强，赵立中，等.GPS监测山体滑坡方法的研究［J］.山东农业大学学报(自然科学版)，2008，39(4):577-582.

［7］ 魏雄，王仁波，李跃忠，等.基于GPS/GPRS的滑坡监测系统［J］.仪器仪表学报，2008，29(11):2456-2460.

［8］ 黄强，陶正苏，宋浩，等.基于ARM的GPRS远程数据传输模块设计［J］.电子器件，2008，31(4):1214-1218.

陈炜峰(1964- )，男，汉，江苏泰州人，南京信息工程大学信息与控制学院教授，硕士生导师，主要研究方向为电磁脉冲、检测技术等，cwf6426@163.com;

席万强(1989- )，男，汉，江苏泰州人，南京信息工程大学信息与控制学院硕士研究生，主要研究方向为物联网应用、气象仪器，1161330474@qq.com。

Landslide Monitoring and Warning System Based on IOT Technology*

CHEN Weifeng1*，XI Wanqiang1，ZHOU Feng2，LIU Yunping1

(1.College of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China; 2.Nanjing Yizhou Energy Technology Co.，Ltd.，Nanjing 210015，China)

In order to solve the drawbacks of the traditional landslide monitoring and warning system in the wired transmission and artificial broadcasing，the acquisition of landslide displacement and acceleration information by using SCM，after resolving the date through the GPRS network transmission to the monitoring system control station，control station is responsible for the date analysis and the instruction sended.After the warning platform receives an instruction which is from the control station，it will start the alarm and send a warning message to the relevant personnel.Practice shows that the system uses wireless transmission and intelligent broadcasting，the successful implementation of the control station for monitoring area of remote real-time monitoring and early warning，to ensure the feasibility of the design.

landslide;monitoring;warning;wireless transmission;intelligent broadcasting

10.3969/j.issn.1005－9490.2014.02.024

TP277

A

1005－9490(2014)02－0279－04

项目来源:江苏省气象探测与信息处理重点实验室开放课题项目(KDX1102)

2013-05-23修改日期:2013-06-17

EEACC:7200