陳夢(mèng) 孟宇 王繼東 劉明堂
摘 要:針對(duì)傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法存在數(shù)據(jù)收集不及時(shí)、信息覆蓋面不足等缺點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并構(gòu)建了系統(tǒng)的總體架構(gòu),形成地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),重點(diǎn)描述其中感知終端硬件及單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)利用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制核心,對(duì)傳感器采集的降雨量、地下水位和山體移位等信息進(jìn)行處理,并控制GPS定位模塊獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置信息,然后將處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS模塊封裝成TCP/IP數(shù)據(jù)包,通過(guò)GPRS骨干網(wǎng)接入Internet網(wǎng)傳送至監(jiān)控中心。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果證明:該系統(tǒng)具有良好的可靠性、穩(wěn)定性和通信實(shí)時(shí)性。
關(guān)鍵詞:地質(zhì)災(zāi)害 物聯(lián)網(wǎng) 信號(hào)調(diào)理模塊 GPRS模塊 GPS模塊
中圖分類號(hào):P694 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2015)11(b)-0111-07
我國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。近十年來(lái),地質(zhì)災(zāi)害每年造成人員傷亡數(shù)以千計(jì),經(jīng)濟(jì)損失逾百億元,嚴(yán)重影響了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[1-2]。為了避免人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,我國(guó)采取了多種措施,如建立群測(cè)群防體系、開展汛期巡查、排查災(zāi)害隱患點(diǎn)等措施[3]。但目前這些措施大多還主要靠人工方式,且監(jiān)測(cè)技術(shù)也相對(duì)落后,存在數(shù)據(jù)采集和傳輸不及時(shí)、信息覆蓋面不足、自動(dòng)化程度低等缺陷[4],必須采用新的技術(shù)和方法對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。近些年,物聯(lián)網(wǎng)的概念逐漸興起,并在很多領(lǐng)域內(nèi)掀起探索和應(yīng)用的熱潮,研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用對(duì)有效預(yù)警地質(zhì)災(zāi)害、極大程度地降低人民生命和財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義。
1 系統(tǒng)總體架構(gòu)
物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分,其定義是通過(guò)傳感器、射頻識(shí)別、全球定位系統(tǒng)等信息傳感設(shè)備,按照約定的協(xié)議連接到互聯(lián)網(wǎng),在人與物、物與物之間進(jìn)行信息交互,以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控等功能的一種新型智能化網(wǎng)絡(luò)[5]。根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟的建議,目前國(guó)際普遍將物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)自底向上分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層包括傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備以及數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)關(guān)前的傳感器網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)接入、網(wǎng)絡(luò)傳輸以及相應(yīng)的管理與控制;應(yīng)用層解決信息處理與人機(jī)界面的問(wèn)題[6]。依此三層架構(gòu)設(shè)計(jì)了如圖1所示的系統(tǒng)總體架構(gòu),主要由現(xiàn)場(chǎng)感知終端、通信網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成。
其中,現(xiàn)場(chǎng)感知終端通過(guò)雨量計(jì)、水位計(jì)、孔隙水壓力計(jì)、伸縮計(jì)、傾斜計(jì)等采集降雨量、地下水位和山體移位等信息,并由GPS定位模塊獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)緯度和海拔高度等地理信息,同時(shí)將這些信息顯示在液晶屏上,最后將信息打包交給GPRS模塊發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心;考慮到GPRS通信方式具有實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)、快捷登錄、高速傳輸和不受地形和地域限制等特點(diǎn)[7],系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層的通信網(wǎng)絡(luò)主要以Internet網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的方式為主,并輔以SMS短信息方式,根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量情況,在兩種通信方式間自由切換,保證數(shù)據(jù)可靠傳輸;遠(yuǎn)程監(jiān)控中心一方面接收處理現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳回來(lái)的數(shù)據(jù)信息,另一方面向現(xiàn)場(chǎng)終端發(fā)送數(shù)據(jù)指令,如更改數(shù)據(jù)包傳輸頻率、監(jiān)控中心手機(jī)號(hào)、傳感器預(yù)警值和開啟報(bào)警器等,當(dāng)服務(wù)器IP地址需改動(dòng)時(shí)可通過(guò)手機(jī)經(jīng)GSM網(wǎng)絡(luò)以短信方式更改并建立新的網(wǎng)絡(luò)連接,同時(shí)遇到網(wǎng)絡(luò)連接錯(cuò)誤時(shí)遠(yuǎn)程終端會(huì)向監(jiān)控中心手機(jī)發(fā)送短信息來(lái)提醒工作人員。
2 感知終端硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)感知終端即現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端的研究與設(shè)計(jì)是該文的研究重點(diǎn),主要包括數(shù)據(jù)采集傳輸裝置的設(shè)計(jì)和傳感器的選取,這里主要介紹數(shù)據(jù)采集傳輸裝置。整個(gè)裝置采用模塊化設(shè)計(jì),通過(guò)對(duì)所選芯片進(jìn)行分析后給出合適的電路設(shè)計(jì),使得裝置能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集傳輸裝置包括分布式傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、微控制器(MCU)、GPS模塊、GPRS模塊、顯示報(bào)警模塊和電源模塊等,如圖2所示為該數(shù)據(jù)采集傳輸裝置結(jié)構(gòu)圖。
2.1 信號(hào)調(diào)理模塊
由于系統(tǒng)所使用的傳感器多數(shù)都是輸出4~20 mA電流信號(hào),必須轉(zhuǎn)換為0~5 V電壓信號(hào)才能輸入單片機(jī),為此設(shè)計(jì)了4~20 mA轉(zhuǎn)0~5 V信號(hào)調(diào)理模塊。模塊選用了電流環(huán)接收器RCV420作為主芯片,RCV420是美國(guó)RURR-BROWN公司生產(chǎn)的精密電流環(huán)接收器芯片,用于將4~20 mA輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~5 V輸出信號(hào)。它包含一個(gè)高級(jí)運(yùn)算放大器、一個(gè)片內(nèi)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)精密10 V電壓基準(zhǔn)。其總轉(zhuǎn)換精度為0.1%,共模抑制比CMR達(dá)86 dB,共模輸入范圍達(dá)±40 V。在全量程范圍內(nèi)輸入阻抗僅有1.5 V的壓降,對(duì)于環(huán)路電流具有很強(qiáng)的變換能力[8]。較之由分立器件設(shè)計(jì)的印制板電路,RCV420具有更低的開發(fā)成本、制造成本和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)費(fèi)用,非常適用于在集成電路與便攜設(shè)備中實(shí)現(xiàn)工業(yè)微弱環(huán)電流的信號(hào)轉(zhuǎn)換。所選芯片需要雙電源供電,而系統(tǒng)所用電源只有12 V單電源,為此又選用了廣州金升陽(yáng)公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)隔離電源模塊A1212S模塊芯片,該模塊芯片體積小、性能穩(wěn)定、可靠性高,能較好地將12 V電源轉(zhuǎn)換為正負(fù)12 V電源供RCV420芯片工作。
如圖3所示為信號(hào)調(diào)理模塊電路圖,可根據(jù)系統(tǒng)需要選擇RCV420芯片數(shù)量,這里共需要8個(gè)(圖中只顯示1個(gè))。其中,L1和C2、L2和C1、L3和C3共同組成LC濾波網(wǎng)絡(luò),大大減小了輸出紋波,能夠平穩(wěn)地為RCV420供電。這樣設(shè)計(jì)的信號(hào)調(diào)理模塊,一方面可以節(jié)省電路板空間;另一方面還使得各信號(hào)相互獨(dú)立,避免了外界電路的干擾。
2.2 GPRS模塊
此系統(tǒng)選用的GPRS模塊是Siemens公司推出的MC55模塊。MC55模塊是市場(chǎng)上尺寸較小的三頻模塊,能夠在GPRS網(wǎng)絡(luò)中完成語(yǔ)音、數(shù)據(jù)呼叫、網(wǎng)絡(luò)連接、短信息以及傳真的傳送。MC55內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧,由AT指令控制并使應(yīng)用程序很容易地接入網(wǎng)絡(luò)。該協(xié)議棧支持在GPRS網(wǎng)絡(luò)中使用Internet中的TCP socket、UDP socket、FTP、HTTP、SMTP、POP3等服務(wù)[9],該系統(tǒng)主要應(yīng)用了TCP socket服務(wù)。該模塊有40個(gè)引腳,通過(guò)一個(gè)零阻力插座連接器引出,以實(shí)現(xiàn)電源、SIM卡、模塊控制口和串口等功能的引接以及數(shù)據(jù)、短信息的傳輸[10]。如圖4所示為GPRS模塊部分電路圖,包括單片機(jī)與MC55、MC55與SIM卡的連接等。啟動(dòng)模塊時(shí),模塊的引腳IGT上必須有一個(gè)低電平脈沖且至少需要延時(shí)100 ms,模塊才能正常啟動(dòng)。
2.3 GPS模塊
該系統(tǒng)選用了一款外觀小巧的高性能GPS定位模塊,模塊核心采用U-BLOX公司的NEO-6M模組,定位精度2.5 m CEP,追蹤靈敏度高達(dá)-161 dBm,測(cè)量輸出頻率最高可達(dá)5 Hz。模塊自帶高性能無(wú)源陶瓷天線(無(wú)需再購(gòu)買昂貴的有源天線了),并自帶可充電后備電池(在主電源斷電后還可以維持半小時(shí)左右的GPS數(shù)據(jù)接收保存)。模塊通過(guò)串口與外部系統(tǒng)連接,串口波特率支持4 800、9 600、38 400、57 600等不同速率,兼容5 V/3.3 V單片機(jī)系統(tǒng),通過(guò)4個(gè)排針(分別代表VCC、TXD、RXD、GND)就可以方便地與外部連接[11]。GPS模塊實(shí)物圖如圖5所示。
2.4 電源模塊
為了使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,電源的設(shè)計(jì)也是一個(gè)很重要的部分。一方面,由于STC12C5A60S2單片機(jī)是5 V供電,內(nèi)部有高精度A/D轉(zhuǎn)換器,需要基準(zhǔn)電壓源,這就要求穩(wěn)壓電源具有較高的工作效率和較低的輸出紋波電壓,這里采用開關(guān)型穩(wěn)壓器件LM2576與線性穩(wěn)壓器件L7805相結(jié)合的形式來(lái)設(shè)計(jì)電路輸出5 V電源,不僅可以提高穩(wěn)壓電源的工作效率,減少能源損耗和熱損害,而且可減少外部的電壓波動(dòng)干擾和高頻干擾,保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。另一方面,MC55模塊工作電壓為3.3~4.8 V(通常推薦值4.2 V),選用了MIC29302穩(wěn)壓芯片將5 V電壓降低到4.2 V。如圖6所示為電源模塊電路圖。
3 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
此系統(tǒng)的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序采用基于STC單片機(jī)的C語(yǔ)言編寫,開發(fā)環(huán)境為KEIL公司開發(fā)的KeilμVision4 C51編譯系統(tǒng)。程序設(shè)計(jì)采用模塊化思想,先將程序劃分成若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的模塊,再為每一個(gè)模塊制定流程圖,并按照流程圖編寫程序,最后再進(jìn)行統(tǒng)一整合。采用這種方法編寫出來(lái)的程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可讀性強(qiáng),且便于后期的調(diào)試、修改、擴(kuò)展和完善。
主程序控制模塊:系統(tǒng)上電或復(fù)位后,首先要進(jìn)行初始化設(shè)置,主要設(shè)置相關(guān)的定時(shí)器及串口工作模式等,并對(duì)液晶顯示、A/D轉(zhuǎn)換等進(jìn)行初始化。系統(tǒng)初始化后會(huì)顯示開機(jī)界面,并啟動(dòng)MC55模塊注冊(cè)GPRS網(wǎng)絡(luò),注冊(cè)成功后初始化GPRS并創(chuàng)建Socket,然后定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),并通過(guò)串口1接收和處理GPRS數(shù)據(jù)和短信息;同時(shí)通過(guò)串口2接收和處理GPS數(shù)據(jù),并顯示在液晶屏上。主程序流程如圖7所示。
GPRS通信模塊:GPRS網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信, MC55模塊的軟件部分對(duì)外提供了一個(gè)控制系統(tǒng)操作的AT命令集,模塊接收來(lái)自串口的AT命令,解釋并執(zhí)行相應(yīng)的操作,實(shí)現(xiàn)無(wú)線MODEM的對(duì)應(yīng)功能。模塊根據(jù)AT命令來(lái)完成自身初始化、網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)傳輸及短信息服務(wù)等[12]。此系統(tǒng)主要通過(guò)Socket和 SMS(短信息)兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,Socket主要是完成現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制命令的傳輸,短信息主要是遠(yuǎn)程修改現(xiàn)場(chǎng)終端的參數(shù),如IP地址和端口號(hào)等。其中,建立網(wǎng)絡(luò)連接的流程如下[13]:
AT^SICS=0,conType,gprs0 //選擇連接類型為gprs0,連接規(guī)范ID為0
AT^SICS=0,user,cm //設(shè)置用戶名
AT^SICS=0,passwd,gprs //設(shè)置密碼
AT^SICS=0,apn,cmnet //設(shè)置專用apn,cmnet為中國(guó)移動(dòng)接入點(diǎn)域名
AT^SISS=1,srvType,socket //選擇服務(wù)類型為socket
AT^SISS=1,conId,0 //與之前建立的連接規(guī)范ID綁定,服務(wù)1按0號(hào)配置連接
AT^SISS=1,address,"socktcp:// 202.196.145.1:7010"
//設(shè)置連接的主機(jī)IP和監(jiān)聽端口
AT^SISO=1 // 打開網(wǎng)絡(luò)服務(wù)1
GPS定位模塊:GPS模塊輸出的定位數(shù)據(jù)采用NMEA-0183協(xié)議,該協(xié)議是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式,目前業(yè)已成了GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM(Radio Technical Commission for Maritime services)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。NMEA-0183協(xié)議采用ASCII碼(幀格式)來(lái)傳遞GPS定位信息,常用命令如表1所示[9]。由于GPS模塊每秒輸出一次$GPGGA、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC等數(shù)據(jù),速度慢,因此必須采用中斷方式接收[14]。程序中主要通過(guò)串口2接收$GPGGA幀語(yǔ)句來(lái)獲取經(jīng)度、緯度、海拔高度、大地水準(zhǔn)面高度等信息,其幀格式如下(舉例):
$GPGGA,023543.00,2308.28715,N,11322.09875,E,1,06,1.49,41.6,M,-5.3,M,,*7D
下劃線部分便是要獲取的數(shù)據(jù),解析后結(jié)果為:北緯23°8.287 15′,東經(jīng)113°22.098 75′,海拔41.6 m,大地水準(zhǔn)面高度-5.3 m。
4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析
實(shí)驗(yàn)測(cè)試選用水位計(jì)和傾斜計(jì)與數(shù)據(jù)采集傳輸裝置相連,通過(guò)4個(gè)通道分別采集水位、X軸角度、Y軸角度和室溫對(duì)應(yīng)的電壓值,然后將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)。系統(tǒng)測(cè)試圖如圖8所示,當(dāng)該終端與監(jiān)控中心連接上后,每隔1 min發(fā)送一個(gè) “OK”心跳包,防止網(wǎng)絡(luò)掉線。同時(shí)按照設(shè)定的時(shí)間(默認(rèn)3 min)定時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),即4個(gè)通道電壓值和GPS定位信息,與終端上的液晶顯示數(shù)據(jù)一致,上位機(jī)數(shù)據(jù)接收界面如圖9所示。
為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用高精度的萬(wàn)用表測(cè)量一組水位計(jì)電壓值作為實(shí)測(cè)值,同時(shí)與液晶屏上顯示的采集值進(jìn)行比較,得到如圖10所示的數(shù)據(jù)誤差分析圖,從圖中可以看出誤差約0.02 V,完全滿足系統(tǒng)的精度要求。另外,從數(shù)據(jù)接收區(qū)選取部分?jǐn)?shù)據(jù),然后將各通道電壓值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行綜合分析,如圖11所示。從圖中可以看出,水位(約0.35 m)和溫度(約22 ℃)保持穩(wěn)定,基本上與實(shí)際值相符。將傾斜計(jì)向一側(cè)不斷傾斜時(shí),X、Y軸角度就會(huì)隨著發(fā)生變化(最大值15 °),第15分鐘后一直保持最大值不變,說(shuō)明此刻開始有明顯地表變化,再結(jié)合雨量計(jì)、伸縮計(jì)等傳感器測(cè)量值綜合分析,就可以確定滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與否。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)傳送正常,較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能。
5 結(jié)語(yǔ)
該系統(tǒng)是針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)的,數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送使用了GPRS接入Internet的方式,適合監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較分散、環(huán)境比較惡劣、人工檢測(cè)不方便的地區(qū),同時(shí)通信成本也比較低。與現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)裝置相比,該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,能夠有效保證數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。在節(jié)省大量成本的同時(shí)還增加了傳感器通道,引出了部分功能接口,方便其他功能應(yīng)用的擴(kuò)展。因此,該系統(tǒng)的應(yīng)用還可以推廣到水文監(jiān)測(cè)、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)等自動(dòng)化采集控制領(lǐng)域。
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