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您当前位置: 洪森科技 > 新闻 > 【行业新闻】基于无线传感器网络的山体滑坡预警系统设计
发布于:2015-12-21 标签:2015-12-21新闻, 行业新闻

        无线传感器网络(WSN, Wire less Sensor Networks)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; 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 。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。
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1、监测系统结构
 
  山体滑坡监控系统由无线传感器监测网络、GPRS网关和远程监控中心三部分组成。为了得到监测区域的实时有效信息,在监测区域安放大量的传感器节点测量山体位移值和加速度值,由于山体滑坡主要是由地下水侵蚀产生,因此,地下水位深度是显示山体滑坡危险度的重要指标,通过现场打孔,由部署在孔洞最下端的液位深度传感器采集并由无线网络发送液位值。山体往往由多层土壤或岩石组成,不同层次间由于物理构成和侵蚀程度不同,其运动速度不同,发生这种现象时,部署在不同深度的倾角传感器将会返回不同的倾角数据,通过倾角传感器可以监测山体的运动状况。
 
  测量过程中,传感器节点自动调节信息的采集频率和信息的采集量,协调器和路由器节点,通过以洪泛为基础的平面路由方式构建信息传输网络及其路由。以网络的终端路由器节点为簇头,与传感器节点建立簇网络,对采集的信息进行传输与汇聚。簇头节点对信息进行去冗余处理,通过平面路由,发送到与GPRS网关相连的协调器,GPRS网关把汇聚的信息以自定义的数据格式发送到远程监控中心; 远程监控中心对收到的信息进行处理,从而实现对山体滑坡准确的预警预报.
 
2、系统的硬件设计
 
  2. 1 节点硬件设计
 
系统节点由低功耗MCUCC2430无线单片机、数据采集通道、GPRS网关、电源等部分组成。系统节点尺寸小,功耗低,适应性强,节点发射功率为3. 6 dBm,通信距离为30~ 70m,通过在射频前端加功率放大器,可使节点发射功率达10dBm,通信距离扩大到1000m左右。2. 4 GHz射频系统芯片CC2430既能满足数据的无线收发,内部又集成了51单片机, 它含有128KBFLASH、8KBSRAM 等高性能模块,还有8路输入8~14 bitADC、定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kH z晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路、21个可编程I/O引脚以及SPI、CAN、I2C和2个UART串口 。
 
  2. 2 GPRS网关设计
 
  GPRS 网关采用GPRS/GSM 通信产品SIM300为核心,该芯片功耗低,在睡眠模式下的标准功耗为2. 5mA,工作电压: 3. 4V ~4. 5V; 适用频带宽,内嵌强大的TCP/AT协议栈,通过AT指令对模块进行编程,实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输,支持多种SMS短信格式,两种串口接口实现数据双向传输。
 
3、系统的软件设计
 
  软件设计以IAR集成开发环境为平台, 以TI公司提供的免费无线点对点MAC协议为基础,结合自己开发的网络层和应用层,组成传感器网络协议栈,实现无线分层网络的构建、数据的采集、传输、汇聚、与处理,同时结合GPRS网关,实现本地数据的远程传输和远程监控。
 
  3. 1 无线传感器网络的构建
 
  无线传感器网络分为三种拓扑结构: 星状结构、簇结构和网状结构。网状结构网络由一个网络协调器和若干终端节点组成,协调器负责建立网络、管理网络节点、寻找路由、汇聚数据等。簇结构网络由簇头和若干簇节点构成,簇头负责构建簇网络、管理网络节点、汇聚簇节点传输的数据。网状结构和簇结构需要的传感器节点较多,所以组成的网络能覆盖较广的范围。
 
  本系统的网络构建以洪泛方式为基础,并与簇结构相结合,建立信息传输的无线信息传输分层网络结构和路由。在网络构建过程中,协调器首先向全网发送包含自身地址和帧编号的信标帧,接收到信标帧的路由器节点,添加自身地址到信标帧内的地址列表中,并以该地址列表为基础,建立自己的路由表。同时,记录其中帧的编号,避免同一帧的多次发送,并发送修改后的信标帧。传感器节点接收到信标帧后,选择其中信号最强的节点,回发终端节点确认帧,使路由器节点确认自身为终端路由器节点,并开始建立簇网络。终端路由器节点建立簇网络流程如下: 首先以自身为簇头节点,发送建簇网络的信标帧,传感器节点(簇节点)接收到该信标帧后,选择信号强度最强的簇头节点, 回发确认帧并加入该网络。簇头节点根据收到的确认帧,建立簇节点列表。
 
  信息传输过程如下: 传感器节点对数据打包处理,发送到簇头节点,簇头节点对收到的信息去冗余处理,并查询路由表,建立数据包,数据包中包括协调器的地址,下一目的节点的地址,为了避免可能发生的错误路由,设置多跳次数,每转发一次,多跳次数减1,当多跳次数为0时,放弃发送。路由器节点接收到该数据包后,查询自身的路由表,修改数据包中的下一目的地址并把多跳次数减1,当多跳次数非0时,转发数据包,否者放弃发送。数据包到达协调器,则数据传输完成。
 
 
  3. 2 传感器节点工作方式
 
  传感器网络对能耗特别敏感,为了延长系统的续航能力,减少无用数据的采集, 传感器节点采用以下工作过程: 读取液位传感器的值,并把液位值和设定的阈值( 0. 35m )相比较,当小于阈值时,就以30s为周期循环采集液位值; 当超过阈值时, 就分别以1s为周期采集加速度值、位移值和倾角值,对采集的数据分别与相应的阈值( 0. 001m/s2, 0. 01m,8!)比较,当任何一个数据大于其阈值时,则报警。为了减少系统的数据传输量并能准确及时的对山体滑坡进行预警,只有当测得的传感器值达到阈值的3 /4时,才通过多跳路由对数据进行转发,并最终通过GPRS网关发送到远程监控中心。
3. 3 GPRS联网设计
 
  系统数据传输量大,要求数据传输的可靠性高,延迟低,所以采用GPRS 实现数据的远程传输。GPRS模块是以SIM300模块为核心, 通过AT指令编程实现网络的连接及数据的发送。网络连接过程首先是查询模块的工作状态是否正常,若正常,则设置APN、用户名和密码,返回OK后再设置网络连接方式, 返回OK后,再设置本地IP和端口,成功后开始UDP链接,连接成功后开始发送数据 。
 
4 、实验结果
 
  实验测试选在郊区沿江路的斜坡上,通过对监测现场布置一个协调器节点、80个路由器节点和23个传感器节点组成监测网络,分别采集的液位值、倾角、位移值和加速度值。传感器节点和GPRS网关实物如图7所示。开始实验之前, 在监测区域打孔安放液位传感器, 加水把孔里的液位提高到0. 4m(大于0. 35m) ,系统开始采集数据,GPRS传输数据到远程监控中心,监控中心分析数据, 如图7监测系统数据查询界面所示,节点D的位移超过了0. 01m的阈值, 节点D状态由绿色变为红色,实现预警,在实验过程中,节点E的位移也超过了0. 01m,节点E变为红色。其它节点监测的参数值均正常,节点状态变为绿色。
 
    实验结果表明, 系统性能稳定, 完全能实现数据的实时采集, 可靠传输, 并对可能发生的山体滑坡进行预警预报。
 
5、 结束语
 
  将无线传感器网络这一最新的IT技术应用于山体滑坡监测, 具有传统技术所不具备的优势。本文提出了基于无线传感器网络的山体滑坡实时监测预警系统的设计方案。详细介绍了系统构架和系统的各个重要组成部分,包括硬件组成和软件设计部分。通过采用洪泛路由方式、网状网络结构、簇网络结构和按需采样技术对现场环境信息的实时采样和实时传输,减少了系统的数据采样, 提高了对山体滑坡等自然灾害监测的可靠性和预报预警的实时性,增强了传感器节点安装的灵活性,扩大了监测区域的覆盖范围,同时,通过GPRS网关发送采集的环境监测信息,实现对监测环境的远程监控,提高了环境监测的远程监控能力,提高了整个系统的应用价值和应用范围。

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