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基于物联网的地质灾害监测系统

时间:2016-04-23  作者:佚名

摘要:针对传统的地质灾害监测方法存在数据收集不及时、信息覆盖面不足等缺点,设计了一种基于物联网的地质灾害监测系统,并构建了系统的总体架构,形成地质灾害监测物联网平台,重点描述其中感知终端硬件及单片机驱动程序设计。该系统利用STC12C5A60S2单片机作为控制核心,对传感器采集的降雨量、地下水位和山体移位等信息进行处理,并控制GPS定位模块获取监测点位置信息,然后将处理后的数据经GPRS模块封装成TCP/IP数据包,通过GPRS骨干网接入Internet网传送至监控中心。实验测试结果证明:该系统具有良好的可靠性、稳定性和通信实时性。
论文关键词:地质灾害,物联网,信号调理模块,GPRS模块,GPS模块

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4~20 mA电流信号,必须转换为0~5 V电压信号才能输入单片机,为此设计了4~20 mA转0~5 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,护理毕业论文网用于将4~20 mA输入信号转换为0~5 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CMR达86 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,L1和C2、L2和C1、L3和C3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 socket、UDP socket、FTP、HTTP、SMTP、POP3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MC55、MC55与SIM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4 800、9 600、38 400、57 600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VCC、TXD、RXD、GND)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3.3~4.8 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。

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