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基于物联网的地质灾害监测系统

发表日期:2018年7月2日  本页面已被访问 549 次

1、系统总体架构

物联网是新一代信息技术的重要组成部分,其定义是通过传感器、射频识别、全球定位系统等信息传感设备,按照约定的协议连接到互联网,在人与物、物与物之间进行信息交互,以实现对物体进行识别、定位、跟踪、监控等功能的一种新型智能化网络[5]。根据国际电信联盟的建议,目前国际普遍将物联网的体系架构自底向上分为感知层、网络层和应用层。感知层包括传感器等数据采集设备以及数据输入网关前的传感器网络;网络层主要负责网络接入、网络传输以及相应的管理与控制;应用层解决信息处理与人机界面的问题[6]。依此三层架构设计了如图1所示的系统总体架构,主要由现场感知终端、通信网络以及远程监控中心三部分组成。

其中,现场感知终端通过雨量计、水位计、孔隙水压力计、伸缩计、倾斜计等采集降雨量、地下水位和山体移位等信息,并由GPS定位模块获取监测点经纬度和海拔高度等地理信息,同时将这些信息显示在液晶屏上,最后将信息打包交给GPRS模块发送给远程监控中心;考虑到GPRS通信方式具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输和不受地形和地域限制等特点[7],系统在网络层的通信网络主要以Internet网络与GPRS网络互联的方式为主,并辅以SMS短信息方式,根据通信网络的质量情况,在两种通信方式间自由切换,保证数据可靠传输;远程监控中心一方面接收处理现场监测点传回来的数据信息,另一方面向现场终端发送数据指令,如更改数据包传输频率、监控中心手机号、传感器预警值和开启报警器等,当服务器IP地址需改动时可通过手机经GSM网络以短信方式更改并建立新的网络连接,同时遇到网络连接错误时远程终端会向监控中心手机发送短信息来提醒工作人员。

 

2、感知终端硬件设计

系统感知终端即现场监测终端的研究与设计是该文的研究重点,主要包括数据采集传输装置的设计和传感器的选取,这里主要介绍数据采集传输装置。整个装置采用模块化设计,通过对所选芯片进行分析后给出合适的电路设计,使得装置能够稳定可靠运行。数据采集传输装置包括分布式传感器、信号调理模块、微控制器(MCU)、GPS模块、GPRS模块、显示报警模块和电源模块等,如图2所示为该数据采集传输装置结构图。

 

2.1 信号调理模块

由于系统所使用的传感器多数都是输出420 mA电流信号,必须转换为05 V电压信号才能输入单片机,为此设计了420 mA05 V信号调理模块。模块选用了电流环接收器RCV420作为主芯片,RCV420是美国RURR-BROWN公司生产的精密电流环接收器芯片,护理毕业用于将420 mA输入信号转换为05 V输出信号。它包含一个高级运算放大器、一个片内精密电阻网络和一个精密10 V电压基准。其总转换精度为0.1%,共模抑制比CMR86 dB,共模输入范围达±40 V。在全量程范围内输入阻抗仅有1.5 V的压降,对于环路电流具有很强的变换能力[8]。较之由分立器件设计的印制板电路,RCV420具有更低的开发成本、制造成本和现场维护费用,非常适用于在集成电路与便携设备中实现工业微弱环电流的信号转换。所选芯片需要双电源供电,而系统所用电源只有12 V单电源,为此又选用了广州金升阳公司生产的工业级隔离电源模块A1212S模块芯片,该模块芯片体积小、性能稳定、可靠性高,能较好地将12 V电源转换为正负12 V电源供RCV420芯片工作。

如图3所示为信号调理模块电路图,可根据系统需要选择RCV420芯片数量,这里共需要8个(图中只显示1个)。其中,L1C2L2C1L3C3共同组成LC滤波网络,大大减小了输出纹波,能够平稳地为RCV420供电。这样设计的信号调理模块,一方面可以节省电路板空间;另一方面还使得各信号相互独立,避免了外界电路的干扰。

 

2.2 GPRS模块

此系统选用的GPRS模块是Siemens公司推出的MC55模块。MC55模块是市场上尺寸较小的三频模块,能够在GPRS网络中完成语音、数据呼叫、网络连接、短信息以及传真的传送。MC55内置TCP/IP协议栈,由AT指令控制并使应用程序很容易地接入网络。该协议栈支持在GPRS网络中使用Internet中的TCP socketUDP socketFTPHTTPSMTPPOP3等服务[9],该系统主要应用了TCP socket服务。该模块有40个引脚,通过一个零阻力插座连接器引出,以实现电源、SIM卡、模块控制口和串口等功能的引接以及数据、短信息的传输[10]。如图4所示为GPRS模块部分电路图,包括单片机与MC55MC55SIM卡的连接等。启动模块时,模块的引脚IGT上必须有一个低电平脉冲且至少需要延时100 ms,模块才能正常启动。

 

2.3 GPS模块

该系统选用了一款外观小巧的高性能GPS定位模块,模块核心采用U-BLOX公司的NEO-6M模组,定位精度2.5 m CEP,追踪灵敏度高达-161 dBm,测量输出频率最高可达5 Hz。模块自带高性能无源陶瓷天线(无需再购买昂贵的有源天线了),并自带可充电后备电池(在主电源断电后还可以维持半小时左右的GPS数据接收保存)。模块通过串口与外部系统连接,串口波特率支持4 8009 60038 40057 600等不同速率,兼容5 V/3.3 V单片机系统,通过4个排针(分别代表VCCTXDRXDGND)就可以方便地与外部连接[11]GPS模块实物图如图5所示。

 

2.4 电源模块

为了使整个系统运行稳定,电源的设计也是一个很重要的部分。一方面,由于STC12C5A60S2单片机是5 V供电,内部有高精度A/D转换器,需要基准电压源,这就要求稳压电源具有较高的工作效率和较低的输出纹波电压,这里采用开关型稳压器件LM2576与线性稳压器件L7805相结合的形式来设计电路输出5 V电源,不仅可以提高稳压电源的工作效率,减少能源损耗和热损害,而且可减少外部的电压波动干扰和高频干扰,保证了系统的稳定可靠运行。另一方面,MC55模块工作电压为3.34.8 V(通常推荐值4.2 V),选用了MIC29302稳压芯片将5 V电压降低到4.2 V。如图6所示为电源模块电路图。

 

3、单片机驱动程序设计

此系统的单片机驱动程序采用基于STC单片机的C语言编写,开发环境为KEIL公司开发的KeilμVision4 C51编译系统。

程序设计采用模块化思想,先将程序划分成若干个功能相对独立的模块,再为每一个模块制定流程图,并按照流程图编写程序,最后再进行统一整合。采用这种方法编写出来的程序结构简单、可读性强,且便于后期的调试、修改、扩展和完善。

主程序控制模块:系统上电或复位后,首先要进行初始化设置,主要设置相关的定时器及串口工作模式等,并对液晶显示、A/D转换等进行初始化。系统初始化后会显示开机界面,并启动MC55模块注册GPRS网络,注册成功后初始化GPRS并创建Socket,然后定时发送数据,并通过串口1接收和处理GPRS数据和短信息;同时通过串口2接收和处理GPS数据,并显示在液晶屏上。

GPRS通信模块:GPRS网络采用TCP/IP协议进行通信, MC55模块的软件部分对外提供了一个控制系统操作的AT命令集,模块接收来自串口的AT命令,解释并执行相应的操作,实现无线MODEM的对应功能。模块根据AT命令来完成自身初始化、网络连接、数据传输及短信息服务等[12]。此系统主要通过Socket SMS(短信息)两种方式进行数据通信,Socket主要是完成现场监测数据和远程控制命令的传输,短信息主要是远程修改现场终端的参数,如IP地址和端口号等。其中,建立网络连接的流程如下[13]

AT^SICS=0conTypegprs0 //选择连接类型为gprs0,连接规范ID0

AT^SICS=0dijkstra 优化usercm //设置用户名

AT^SICS=0passwdgprs //设置密码

AT^SICS=0apncmnet //设置专用apncmnet为中国移动接入点域名

AT^SISS=1srvTypesocket //选择服务类型为socket

AT^SISS=1conId0 //与之前建立的连接规范ID绑定,服务10号配置连接

AT^SISS=1address'socktcp// 202.196.145.17010'

//设置连接的主机IP和监听端口

AT^SISO=1 // 打开网络服务1

GPS定位模块:GPS模块输出的定位数据采用NMEA-0183协议,该协议是美国国家海洋电子协会为海用电子设备制定的标准格式,目前业已成了GPS导航设备统一的RTCMRadio Technical Commission for Maritime services)标准协议。NMEA-0183协议采用ASCII码(帧格式)来传递GPS定位信息,常用命令如表1所示[9]。由于GPS模块每秒输出一次$GPGGA$GPGSA$GPGSV$GPRMC等数据,速度慢,因此必须采用中断方式接收[14]。程序中主要通过串口2接收$GPGGA帧语句来获取经度、纬度、海拔高度、大地水准面高度等信息,其帧格式如下(举例):

$GPGGA023543.002308.28715N11322.09875E1061.4941.6M-5.3M,,*7D

下划线部分便是要获取的数据,解析后结果为:北纬23°8.287 15′,东经113°22.098 75′,海拔41.6 m,大地水准面高度-5.3 m

 

4、实验测试与分析

实验测试选用水位计和倾斜计与数据采集传输装置相连,通过4个通道分别采集水位、X轴角度、Y轴角度和室温对应的电压值,然后将监测数据发送到监控主机。系统测试图如图8所示,当该终端与监控中心连接上后,每隔1 min发送一个 “OK”心跳包,防止网络掉线。同时按照设定的时间(默认3 min)定时向监控中心发送监测数据,即4个通道电压值和GPS定位信息,与终端上的液晶显示数据一致,上位机数据接收界面如图9所示。

为了验证数据采集的准确性,实验过程中用高精度的万用表测量一组水位计电压值作为实测值,同时与液晶屏上显示的采集值进行比较,得到如图10所示的数据误差分析图,从图中可以看出误差约0.02 V,完全满足系统的精度要求。另外,从数据接收区选取部分数据,然后将各通道电压值转换为对应的监测值进行综合分析,如图11所示。从图中可以看出,水位(约0.35 m)和温度(约22 ℃)保持稳定,基本上与实际值相符。将倾斜计向一侧不断倾斜时,XY轴角度就会随着发生变化(最大值15 °),第15分钟后一直保持最大值不变,说明此刻开始有明显地表变化,再结合雨量计、伸缩计等传感器测量值综合分析,就可以确定滑坡、泥石流等地质灾害发生与否。经过长时间测试,系统运行稳定,数据传送正常,较好地实现了预定的功能。

 

5、结语

该系统是针对地质灾害监测进行设计的,数据的远程传送使用了GPRS接入Internet的方式,适合监测点比较分散、环境比较恶劣、人工检测不方便的地区,同时通信成本也比较低。与现有的监测装置相比,该系统性能稳定,能够有效保证数据监测的准确性和实时性。在节省大量成本的同时还增加了传感器通道,引出了部分功能接口,方便其他功能应用的扩展。因此,该系统的应用还可以推广到水文监测、环境污染监测等自动化采集控制领域。

 

参考文献

[1] 张旭阳.山洪灾害防御体系关键技术研究与应用[J].河南水利与南水北调,201411):32.

[2] 欧阳祖熙,师洁珊,王明全,等.RDA型滑坡变形无线遥测台网[C]//中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集(下册).2003.

[3] 周平根.地灾监测预警传感器网络技术应用现状及发展建议[J].南方国土资源,201110):6.

[4] 胡维忠,叶秋萍,陈桂亚,等.构建科学的山洪灾害监测预警系统[J].中国水利,200714):34-37.

[5] 毛旭.基于物联网技术的地质灾害监测预警解决方案[J].物联网技术,201334):9-10.

[6] 陈立伟,杨建华,曹晓欢,等.物联网架构下的室内环境监控系统[J].电子科技大学学报,2012412):265-268.

[7] 陈明金,欧阳祖熙,师洁珊,等.基于GPRS技术的地质灾害无线遥测系统[J].自然灾害学报,2004133):65-69.

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[9] 于彦伟,段世红,王沁,等.基于无线传感网的管道腐蚀远程监测系统设计[J].小型微型计算机系统,2011326):1064-1070.

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[11] ALIENTEK.ATK-NEO-6M用户手册-V1.0[S].广州:ALIENTEK2013.

[12] 刘淑荣,滕召胜,严性平,等.基于MC55的电力负荷管理终端设计[J].仪表技术与传感器,20083112):72-74.

[13] SiemensA G .MC55ATCommandSet-V4.0[M].GermanySiemensAG2006.

[14] 徐红,范骁霄,王鹏,等.一种新型监狱使用的物联网节点设计[J].Journalof Computer Researchand Development201047):317-320.



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