我國的地質災害種類繁多，而且地質條件復雜，地質災害分布范圍廣，突發性和破壞性非常強，因此對地質災害進行實時在線監測，可以降低地質災害的危害性和破壞性，有效地減少和保護人民生命財產。傳統的地質災害監測手段已經不能滿足當前監測技術手段的要求，因此本文將傳感器技術、無線網絡技術應用到地質災害監測系統中,結合ZigBee無線傳感器網絡技術，以32位高性能微處理器PIC32單片機作為協調器和數據采集器，實現對地質災害監測點的數據實時采集和分布式管理,極大地提高了地質災害監測的實時性和可靠性。
1 系統總體設計
    地質災害無線傳感器網絡監測系統主要包括數據監控中心、GPRS網絡(或北斗衛星)、協調器、路由器節點及傳感器節點，系統總體框圖如圖1所示[1]。地質災害無線傳感器網絡監測系統的任務主要是負責實時監控地質災害現場數據，通過GPRS或者北斗網絡傳輸到后端數據監控中心，數據監控中心通過一系列的數據解析和分析來自動判斷地質災害現場所發生的情況，給監測人員提供可靠的決策依據。

    地質災害無線傳感器網絡監測系統的前端是傳感器節點，它負責實時采集地質災害現場數據，主要包括雨量、位移、傾斜、含水率、泥水位等，傳感器節點將采集到的現場數據發送給路由器節點，路由器節點再將現場數據發送到協調器（或者是通過其他的路由器節點轉發到協調器），協調器分別包含GPRS網絡或北斗衛星網絡連接的模塊，通過GPRS網絡或者北斗網絡將現場采集數據實時發送到遠程數據監控中心。傳感器節點、路由器節點以及協調器通過ZigBee無線網絡相互進行數據傳輸[2]。
2 系統硬件電路設計
2.1 PIC32MX795F512L簡介
    PIC32MX795F512L是Microchip新推出的超低功耗32位單片機系列產品，該器件具有豐富的外設功能部件和增強的計算性能，它還為高性能應用提供了新的移植選項，能夠在數據和存儲空間之間傳送信息，最大512 KB(程序空間)和128 KB(數據空間)的線性尋址，具有一系列能在工作時顯著降低功耗的功能，主要包含動態時鐘切換、休眠模式工作、基于指令的節能模式等。
2.2 ZigBee模塊
    ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。它的傳輸距離根據不用的通信環境而各有差異，傳輸距離大約在10 m～100 m之間，在增加功放以后傳輸距離可以達到1 km～3 km。ZigBee支持自組網模式，不同節點之間可以根據自身優化算法自動尋找相近的節點進行數據傳輸，而且某些節點的丟失不會影響傳輸效率，不同節點之間可以重新尋找新的通信鏈路進行數據傳輸。
    系統所用的ZigBee模塊是ST公司的STM32W108。 STM32W108是高性能的IEEE802.15.4無線片上系統，它集成了2.4 GHz 且IEEE802.15.4兼容的收發器，STM32W108內置128 KB Flash和8 KB SRAM, 具有高性能、 低功耗的特點。
2.3 數據采集電路
    本設計采用的是ADS1256內部集成的8通道24位A/D模數轉換器，支持片上采樣和保持功能，并支持掉電模式，在2.5 MHz的A/D轉換器時鐘下，最大轉換速率可達到500 kS/s。地質災害現場的位移、含水率、泥水位、傾斜等數據都可以通過A/D采集電路傳送到PIC32單片機中。雨量傳感器可以產生一個脈沖信號，將脈沖信號送到PIC32MX795F512L的INT2，通過對中斷INT2編程進而計算出單位時間內的降雨量。
2.4 電源電路設計
    系統電源模塊通過太陽能供電方式解決。因為PIC32MX795F512L、ADS1256以及每個傳感器所需電源不盡相同，分別需要3.3 V、5 V、12 V電源供電，所以要給不同部分分別供電。太陽能電池板所采集到的太陽能通過太陽能控制盒給12 V電瓶充電，供雨量傳感器、傾斜傳感器和含水率傳感器使用；12 V電源經LM2596S轉換為5 V電源供位移傳感器使用；5 V電源經LM117-3.3轉換為3.3 V供PIC32MX795F512L、ADS1256和無線傳感器網絡各節點使用。
3 無線傳感器網絡實現
3.1 協調器實現
    協調器由數據處理模塊PIC32MX795F512L、無線網絡通信模塊STM32W108、GPRS模塊(或北斗模塊)、供電模塊組成。協調器節點結構圖如圖2所示。協調器主要完成ZigBee無線傳感器網絡建立。協調器上電后，接收路由器節點發送過來的請求和數據，負責路由器的入網管理和網絡結構的維護，實現網絡自組織功能。當接收到節點網絡請求后，協調器會分配網絡地址給請求節點。協調器同時包含GPRS模塊(或北斗模塊)，將接收到的現場采集數據全部發送到遠程數據監控中心[3]。

3.2 傳感器節點實現
    傳感器節點負責采集地質災害現場數據，主要包括雨量傳感器、位移傳感器、傾斜傳感器、含水率傳感器、泥水位傳感器。數據采集部分采用Microchip公司的PIC32MX795F512L負責整個傳感器節點數據采集，它具有低功耗和低成本的特點，內置8通道A/D轉換器，它可以對傳感器節點進行集中管理和控制，并將采集到的數據進行數據處理和存儲。傳感器節點結構如圖3所示。
3.3 路由器節點實現
    路由器節點在整個ZigBee網絡中主要起數據轉發作用，完成各個節點之間的數據發送、接收、轉發功能。無線網絡通信模塊選用TI公司的STM32W108，它負責對傳感器節點采集的數據以無線方式發送到協調器節點。路由器節點結構圖如圖4所示。

4 系統軟件設計
    根據功能設計要求，地質災害無線傳感器網絡的軟件設計分別包括協調器節點軟件設計、路由器節點軟件設計以及傳感器節點軟件設計。系統軟件設計主要參考Tiny OS操作系統，確定地質災害無線傳感器網絡是基于任務和硬件事件處理的并發模型，每個任務之間的優先級不同，按照相應的優先級先后來執行各個任務，這樣可以減輕任務量，降低系統運行復雜度，各個節點實現模塊化編程，通過操作系統可以實現不同節點之間的合理分配和調度工作，較好地完成各個節點的并行管理控制。因為無線傳感器網絡各個節點都是太陽能供電模式，功耗問題要重點考慮，所以地質災害無線傳感器網絡采用定時喚醒的模式來管理各級節點，當需要采集地質災害現場數據時，由數據監控中心下發命令到協調器節點，然后協調器節點逐級喚醒各個路由器節點，開始現場數據的采集和發送[4]。
4.1 協調器節點的程序設計
    協調器節點各功能模塊上電初始化后，首先要建立無線傳感器通信網絡，實時偵測是否有路由器節點發出入網請求，如有則判斷路由器節點地址并將其加入到剛建立的無線傳感器網絡中。協調器的主要任務是建立ZigBee無線通信網絡，接收路由器節點發送過來的數據，通過GPRS模塊或者是北斗衛星將采集數據發送到遠程數據監控中心。協調器需要實時監控ZigBee網絡與數據監控中心保持實時連接狀態，隨時等待監控中心下發命令來判斷是否發送或接收數據。當收到發送數據命令時就會喚醒路由器節點， 將路由器節點發送過來的采集數據轉發到遠程數據監控中心[5]。協調器節點程序流程圖如圖5所示。

4.2 傳感器節點和路由器節點的程序設計
    傳感器節點上電后，完成PIC32MX795F512L軟硬件初始化，PIC32MX795F512L通過加載SPI驅動來完成對無線通信模塊STM32W108的初始化，各個傳感器節點與終端節點之間以及中心節點之間會完成ZigBee自動組網[6]。ZigBee網絡以簇狀樹形網絡拓撲結構為基礎架構，在各個節點之間自動選擇最優傳輸路徑，簇成員節點采集到的雨量、位移、傾斜含水率、泥水位等數據經過簇首節點將相關數據進行融合，融合后經路由器將傳感器節點采集的數據以最優、最短、最快方式發送到協調器節點。傳感器節點程序流程圖如圖6所示。

4.3 數據監控中心軟件設計
    遠程數據監控中心軟件作為主要的數據接收、分析和處理平臺，通過Internet網絡接收程序來接收無線傳感器網絡協調器從現場發送來的數據，監控中心需要把接收到的采集數據存到數據庫SQL Server中，這樣數據就可以實現歷史數據查詢和實時查看。可以在監控軟件中設置相應的預警值，當現場某一點采集的數據超過預警值時就會發出報警消息，引起監測人員的注意。
    本文以低功耗單片機PIC32作為硬件基礎，采用ZigBee無線傳感器技術，通過無線方式進行數據傳輸，對數據進行分析、存儲、查詢等操作，可以通過遠程數據監控中心直觀分析地質災害現場信息，實現了地質災害現場的實時數據采集和在線監測。系統結構簡單，成本較低，維護方便，具有很強的實用價值。
參考文獻
[1] 殷松遷，郭培源，王建華. 基于嵌入式及ZigBee技術的居室環境監測系統[J].電子技術應用，2012，38（8）：23-25.
[2] 陳繼海，魏曉慧.基于 ZigBee 無線網絡的氣體監測報警系統設計[J].電子科技，2012，25(10)：29-30.
[3] 吳呈瑜，孫運強.基于ZigBee技術的短距離無線數據傳輸系統[J].儀表技術與傳感器，2008(5)：38-39.
[4] 鄧興，王華軍，王合闖.基于無線網絡技術的地質災害預警系統[J].電腦知識與技術，2010，31(6)：8695-8696.
[5] 雷文禮，任新成，樊延虎，等.基于ZigBee的大壩監測系統接收終端研究[J].現代電子技術，2012，35(12)：4-6.
[6] 王延年，穆文靜．基于ZigBee的無線信號采集傳輸系統的研究[J]．西安工程大學學報，2010，24(4)：510-515．