一种基于ZigBee组网技术的山体滑坡监测系统设计

周海晶 唐天聪

摘 要：山体滑坡是一种常见的具有较强破坏性的自然灾害，该文提出了通过ZigBee技术将土壤含水量、空气温湿度、加速度及位移等传感器构成网络信号采集终端，终端数据利用GPRS传输到上位机，对山体滑坡灾情进行精确监测，该系统在黔江区易滑坡地带进行系统联机测试，各传感器采集数据正常，ZigBee组网稳定，数据传输正确、完整，为山体滑坡预警提供了技术支持。

关键词：山体滑坡；ZigBee；GPRS

中图分类号：TP277 文献标志码：A

0 引言

该文设计的基于ZigBee技术的山体滑坡监测系统由数据采集终端、监控中心上位机软件和监控主机3个部分组成。数据采集终端由传感器和CC2530片上系统构成，软件编写是基于IAR嵌入式应用开发平台，监控主机微控制器使用ST公司生产的STM32系列单片机，GPRS网络采用SIM900A模块，将采集到的数据在监控主机的控制下传输至上位机，监控中心上位机软件用LabVIEW开发环境编写，该环境是一种用图标代替文本行应用程序的图形化编程语言，功能强大，使用生动有趣。监控主机还存储历史数据，以便调用分析，实现山体滑坡的远程监控，系统原理图如图1所示。

1 硬件设计

1.1 数据采集终端设计

数据采集终端通过传感器采集监控区域的物理信息，各终端加入监控主机中的协调器所建立的ZigBee网络中，终端采集的数据通过ZigBee无线网络进行数据间的交互。终端传感器由位移、土壤湿度、温湿度、加速度等传感器等构成，加入无线网络的功能主要是ZigBee负责。

1.2 监控主机设计

监控主机包括主机微控制器、ZigBee协调器和远程数据传输3个部分。监控主机是数据采集网络“承上启下”平台，接收上一级数据采集终端传感器网络数据，通过分析处理，将数据存储于外部大容量的存储设备中，利用远程数据传输将处理后的数据送至上一级监控中心上位机，以便上位机软件调用、处理及显示。

1.3 GPRS模块设计

GPRS技术利用GSM系统的无线结构，通过在GSM网络中增加数据设备提高传输速率，保证采用GSM系统的运营商从2G到2.5G的平滑过渡，实现从电路方式到话音/分组方式的转变。该系统选择SIMCOM公司生产的SIM900A工业级双频GSM/GPRS模块。该模块性能稳定、价格低廉对用户具有较高的性价比。系统中使用SIM900A的GPRS远程数据传输功能，监控主机的微处理器STM32F103与SIM900A通过串口进行交换数据，连接关系见表1。

2 软件设计

软件设计主要由数据采集终端、监控主机和系统上位机软件设计3个部分组成。其中数据采集终端软件设计完成各传感器初始化驱动、采集终端初始化配置及与监控主机数据交互；监控主机软件设计包括协调器初始化配置、STM32F103主机初始化配置、SIM900A初始化配置及数据上传等；上位机软件设计实现与监控主机的数据传输及相关参数显示。图2为系统软件功能结构图。

2.1 数据采集终端设计

数据采集终端软件设计解决2个内容，一是相关传感器的驱动、数据采集；一是寻找ZigBee无线网络后加入网络将采集到的数据发送至上一级。开发过程中，TI官方提供有符合ZigBee2007/PRO协议的Z-Stack协议栈，协议栈集中封装了ZigBee各层定义的协议，通过调用函数实现每个层间的通信，且提供一些应用层API以方便用户直接调取使用。因此在利用协议栈进行软件开发时，用户在了解各层之间通信数据的“来龙去脉”后，完成程序开发，就可实现ZigBee无线通信，不必考虑ZigBee协议各层的定义标准和实现细节，缩短了开发周期，降低了设计难度。

2.2 监控主机软件设计

主机微控制器选择的是基于Cortex-M3内核的STM32F-

103ZET6嵌入式芯片，软件设计使用uVision5 IDE 集成开发环境的Keil MDK5.14版本进行软件开发。主机微控制器接收ZigBee协调器上传的数据，处理后命令GPRS模块将数据发送至监控中心上位机，同时在外部SD卡上存储重要数据，以备日后调用分析。

2.3 上位機软件设计

采用LabVIEW软件作为上位机开发平台，完成GPRS模块与上位机点对点的交互工作，设计实时监控和数据管理功能，在实时监控功能中有实时数据显示和控制参数设置子功能；在数据管理功能中包括了预警记录查询、历史数据和历史曲线查询2个子功能。

3 系统测试分析

为了测试和评估系统的正确性和稳定性，调试环节分为ZigBee组网测试与系统联机测试2个部分，在ZigBee组网测试中，硬件成功组网，利用USB Dongle抓取ZigBee无线数据包进行辅助分析；联机测试分为监控主机数据和整机测试，2个部分利用串口调试助手和上位机进行显示。测试结果表明系统数据显示正确，如图3所示。

参考文献

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