【毕业设计】泥石流远程监测系统开发及其模拟教学法案例设计

毕业设计题目泥石流远程监测系统开发及其模拟教学法案例设计学生学号1院（系）职业技术学院专业电子信息工程指导教师2015年05月15日泥石流远程监测系统开发及其模拟教学法案例设计摘要近年来，关于地质灾害的报道屡见不鲜。这些灾害报道反映了实时监测预警系统建设的滞后，迫切需要建立我国地质灾害高易发区的滑坡、泥石流的智能监测预警系统，通过快速感知地质灾害的前兆信息，快速预警和实施应急避险，最大限度地避免造成人员的伤亡。随着无线通信等相关学科发展，为地质灾害监测预警技术的发展带来了新的契机。本文将以对滑坡泥石流地质灾害形成原理为依托，将综合应用无线通信技术、嵌入式技术、传感器技术等来实现对地质灾害监测防御点进行远程的监测和预警做出研究。文章将主要对基于ZIGBEE和GSM通信技术的地质灾害预警系统的建立做一个阐述，以及对系统中的基于TI公司的CC2431芯片硬件节点制作，软件程序的编写等做一个详细的介绍。其主要内容有1研究滑坡泥石流地质灾害的形成原理，为系统的功能需求做出阐述，从而以便于能够选择系统所需要监测的参数和传感器参数。2研究系统所适用的通信方案和硬件节点方案。系统将采用ZIGBEE通信与GSM通信的来实现整个系统的通信构架，与此同时将采用CC2431芯片来实现节点的硬件控制设计和ZIGBEE通信，应用西门子MC37I实现GSM通信，选用倾角、温湿度、节点位移、降雨量作为系统的环境监测参数。3研究系统节点中各传感器电路、电源电路、通信电路的设计。同时自主设计一款独立雨量监测装置，能够自主实现雨量的计算和通信。关键词无线通信，CC2431，预警，ZIGBEE，GSMLANDSLIDEREMOTEMONITORINGSYSTEMDEVELOPMENTANDTHECASEOFTHESIMULATIONMETHODOFTEACHINGDESIGNABSTRACTINRECENTYEARS,THEREPORTSONTHEGEOLOGICALDISASTERSARENOTUNCOMMONTHESEDISASTERREPORTSREFLECTTHEREALTIMEMONITORINGANDWARNINGSYSTEMCONSTRUCTIONLAG,THEREISANURGENTNEEDTOESTABLISHTHEGEOLOGICALDISASTERSINHIGHPRONEAREASOFLANDSLIDESANDDEBRISFLOWSINTELLIGENTDETECTIONWARNINGSYSTEMINCHINA,WHICHISCAPABLEOFRAPIDWARNINGANDIMPLEMENTATIONOFEMERGENCYREFUGETOAVOIDCASUALTIESTHROUGHQUICKLYCOLLECTINGGEOLOGICALDISASTERSPRECURSORYINFORMATIONWITHTHEDEVELOPMENTOFWIRELESSCOMMUNICATIONSANDOTHERRELATEDDISCIPLINES,ITBRINGSANEWOPPORTUNITYFORTHEDEVELOPMENTOFGEOLOGICALDISASTERMONITORINGANDEARLYWARNINGTECHNOLOGYTHISPAPERWILLBEBASEDONTHEFORMINGPRINCIPLEOFTHEGEOLOGICALDISASTERSOFLANDSLIDEANDDEBRIS,ANDINTEGRATELYAPPLYWIRELESSCOMMUNICATIONSTECHNOLOGYANDEMBEDDEDTECHNOLOGYANDSENSORTECHNOLOGYTOACHIEVETHEMONITORINGANDPREVENTIONOFGEOLOGICALDISASTERSINAREASREMOTEMONITORINGANDEARLYWARNINGTHEARTICLEWILLDOAELABORATEONTHEESTABLISHMENTOFGEOLOGICALDISASTERWARNINGSYSTEMWHICHISBASEDONZIGBEEANDGSMCOMMUNICATIONTECHNOLOGY,ASWELLASADETAILEDDESCRIPTIONOFTHESYSTEMHARDWARENODEPRODUCTIONBASEDONTISCC2431CHIPANDSOFTWAREPROGRAMTHESTUDYMAINLYHASTHEFOLLOWINGCONTENT1APRINCIPLEOFFORMINGLANDSLIDEANDDEBRISFLOWISRESEARCHEDTOMAKEELABORATETHEFUNCTIONALREQUIREMENTSOFTHESYSTEM,WHICHINORDERTOBEABLETOSELECTTHESYSTEMPARAMETERSANDTHESENSORPARAMETERSNEEDTOBEMONITORED2SOMEAPPLICABLEPROGRAMSOFCOMMUNICATIONSYSTEMANDHARDWARENODEARERESEARCHEDTHESYSTEMWILLUSETHEZIGBEECOMMUNICATIONWITHGSMCOMMUNICATIONTOACHIEVETHECOMMUNICATIONARCHITECTUREOFTHEWHOLESYSTEM,ANDATTHESAMETIMEWILLUSETHECC2431CHIPTOACHIEVEHARDWARENODECONTROLDESIGNANDZIGBEECOMMUNICATION,WILLAPPLYSIEMENSMC37ITOACHIEVEGSMCOMMUNICATION,SELECTSINCLINATION,TEMPERATUREANDHUMIDITY,THENODALDISPLACEMENTSANDRAINFALLASTHESYSTEMOFENVIRONMENTAL3SOMEDESIGNSOFEACHOFTHESENSORCIRCUIT,THEPOWERSUPPLYCIRCUIT,THECOMMUNICATIONCIRCUITARERESEARCHED,ANINDEPENDENTRAINFALLMONITORINGDEVICEISINDEPENDENTLYDESIGNEDTOACHIEVEAUTONOMOUSCOMPUTINGANDCOMMUNICATIONSRAINFALLKEYWORDSWIRELESSCOMMUNICATION,CC2431,EARLYWARNING,ZIGBEE，GSM目录摘要IIABSTRACTII1绪论111课题的背景的和意义112国内外研究现状及发展趋势2121研究现状2122发展趋势313论文的主要研究内容414论文的组织结构52系统方案设计621地质灾害形成与功能需求分析研究6211泥石流灾害形成分析6212滑坡灾害形成分析6213功能需求722无线通信方案723网络构架方案设计8231ZIGBBEE通信技术8232GSM通信技术9233网络通信构架1024传感器节点方案设计10241节点整体方案选择10242环境节点设计方案11243雨量节点设计方案1225本章小结153系统软件设计1631初始化模块程序设计1632终端数据程序设计16321环境终端数据采集程序设计16322倾角数据采集程序设计17323超声波测距采集程序设计19324湿度采集处理程序设计20325温度采集处理程序设计22326雨量终端数据采集程序设计2433组网通信程序设计25331路由通信设计25332协调器组网通信设计27333终端数据组网通信设计2934灾害预警模型分析与设计3035实验监测界面设计3236本章小结354系统功能测试3641系统分析测试3642系统改进方案3743本章小结385模拟教学法3951理论基础39511模拟教学法的概念39512模拟教学法的起源41513模拟教学法的发展4252实施步骤46521模拟教学法的设计原则4653模拟教学法主要特征48531模拟教学法与传统教学法的比较48532模拟教学法主要特点4954模拟教学法教学案例51541模拟教学法教学案例简介51542案例构思53543实施范例53544教学反思55致谢56参考文献571绪论11课题的背景的和意义我国地域辽阔，地貌特征与气候分布各不相同，特别是南方地区，一到夏秋季节，很多地区都会遭遇暴雨袭击，而很多山地丘陵地区的平坝河谷地区非常容易形成滑坡泥石流地质灾害，很容易受到自然气候等影响而形成山洪泥石流灾害。每到了一年的雨季，地质结构不稳定的地区的地质灾害的发生频率总是居高不下，给这些地区的经济发展和人民的生命财产造成巨大的损失。各级政府部门总是希望通过加大对地质灾害的监控和预警力度，可又因为这些地区的地形地貌复杂，监测技术水平又十分有限，造成对地质灾害的预警监测显得力不从心基于这种状况，地质灾害的预警预报就成为社会进步和地区可持续发展的必然要求，是对人类防灾减灾科学技术的一种推动。气象和环境监测部门的预警预报对某一个地区大范围进行监测，对具体的地质灾害点缺乏针对性，并不能真正做到准确切实的预报。对于一些野外生产基地的地质灾害监测，对于很多精密仪器工作条件要求比较高难于普及应用，特别是不适应于生产现场、野外、边远地区的应急监测。很多监测系统采用的是有线或有线加调制解调器或光纤等通讯方式，但是在实际运用中，很多监控点必须是野外并有一定危险的地方，无人值守的，不适合搭建有线网络的环境。因此研究使用的地质灾害预警系统也就显的尤其重要。各地区滑坡泥石流等地质灾害的发生，其重要原因还是强降雨的形成，造成严重地区的民众伤亡，比如2010年8月，甘肃舟曲发生大面积泥石流灾害，对舟曲的城区造成大面积损害，同时也引起了1700多人的死亡和失踪，对城区的河道造成阻塞，形成堰塞湖。四川自从汶川地震以后，很多山区区域的地质结构复杂，一遇到强降雨很容易形成滑坡泥石流等地质灾害。2012年8月30日，川西凉山州木里、盐源、冕宁三县交界的锦屏地区，由于地区的强降雨力度大，造成该地区的30多处塌方泥石流等地质灾害，使得该地区许多道路、桥梁等基础设施被损害，通信电力等系统全部中断，总计造成了10人死亡14人失踪。2012年8月17日，四川龙门山银厂沟国家级自然风景区自2005年以来最大的暴雨袭击，12小时内最大降雨量达247毫米，受暴雨影响，爆发严重的泥石流灾害，灾害致使已在汶川地震中严重受损的银厂沟成为了“孤岛”。个别严重的受灾路段泥石流方量达5000立方米，龙门山地区已经有1200多米道路和3座桥梁被毁。龙门山地区多条道路中断，多处通信设施、电力设施和水厂被毁，近3000名游客被困。这些自然灾害都给地区造成严重的破坏，损害了国家利益和人民生命财产的安全，因此，区域性地质灾害预警系统的研发也就势在必行了。地质灾害监测预警工程是一个集多种学科技术于一体的系统工程，包括专业监测预警系统和多方位的群测群防系统。专业地质灾害监测预警系统由地质灾害监测系统、数据采集管理及分析系统、预测预报系统、专家决策系统、预报信息传输和实时发布系统等构成。为了提高地质灾害监测预警水平以及系统的工作效率，就必须进行地质灾害监测预报关键技术方法的研究工作，解决监测预警过程中的各种技术问题，注重提高和优化每一个技术环节，将先进的无线传感器网络技术，应用于地质灾害的预测预报过程中，研究基于无线器传感器网络的地质灾害预警系统，具有很高的理论价值和实用价值。这不仅可以提高我国地质灾害的监测预报技术水平，而且对人民生命财产的保护起到重要的示范作用和指导意义，实现提高区域性地质灾害预报的准确性，增强对不同监测区域的实用性，实时监控监测点的环境参数，提高预报的速度，为监测区域的人身财产安全做出一定的保障，推动地质灾害预报技术的进一步发展的愿望。12国内外研究现状及发展趋势121研究现状地质灾害的发生是多因素的复杂过程，它的形成原因不仅仅与地区的降雨有关系，还与这些地区的地形地貌、岩体结构、植被状况以及人类活动等诸多因素紧密相连。国内外相关学科科研学者投入了大量的精力来多地质灾害的发生进行研究，以美国、法国为代表的欧美国家和以印度、日本为代表亚洲国家都积极开展了地质灾害危险性、预测问题、危险性区域划分的研究，并逐渐形成了通过数学统计分析模型、水文模式与地质力学耦合模式相结合的方式手段来预测地质灾害发生的可能性预测。与此同时随着非线性科学的和计算机技术的发展而兴起元胞自动机模型、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）的成熟都给地质灾害的监测预警技术的发展提供了有效的技术支撑。在地质灾害监测中无线传感网络技术应用上，国内许多高校和研究机构纷纷加入了无线传感器网络研究的行列。比如中科大、上海微电子所、半导体所、声3学所、软件所等已经初步建立了传感器网络系统研究平台，在无线传感网络通信技术、传感器节点、微型传感器、簇点以及应用系统等方面取得了很大的进展。中国科技大学、清华大学、浙江大学、南开大学、西安交通大学、电子科技大学、华中科技大学、北京邮电大学、上海交通大学、成都大学、沈阳理工大学等高校都开展了无线传感器网络方面的应用研究工作。一些企业如沈阳东软、中兴通讯股份有限公司、亿阳信通、北大青鸟等也投入无线传感器网络技术的研究中，这些学术推动都有利地质灾害预警系统的发展。国内已经有很多的地区已经开始应用各种监测系统对灾害进行监测。通常情况下，地质灾害监测系统主要由专业监测系统、信息系统和群测群防系统构成。专业的监测系统应用全球定位、遥感、地表和深部位移监测等技术来对滑坡泥石流易发区域进行专业化的监测。能够对地面裂缝、倾斜程度、建筑物变形度等多住因素进行监控。而群测群防系统则是通过地方行政部门和专业技术部门共同组织和指导地区群众进行监测巡查。信息系统是应用灾害防治数据库、网络信息管理系统等对在还灾害信息进行管理和发布，以提供给政府行政部门做防灾减灾决策。例如三峡库区山体滑坡监测系统和云南东川蒋家沟泥石流综合实验观测系统都对这地区的地质灾害起到了良好预警预报作用，也推动了滑坡泥石流预警防治技术的发展。目前，国内外对地质灾害的监测预报方面的处理技术主要体现在对各种数据的处理方面。例如国内研究比较多的信息模型法，及研究出滑坡中各因素的比重关系并采用具体的数学概率信息来加以明确。国内外的科研机构和学者通过大量的信息统计分析以后，认为滑坡泥石流等地质灾害的出现是由于各种各样的主观和客观的因素造成的，主观因素通常是指地质灾害区域本身的地质结构、地形地貌等，而客观因素通常是指外界降雨、人类对自然环境的影响等，这些因素对于某一地质灾害发生都特殊的权重关系，只有把这些因素在灾害发生重所占的权重关系数据系统化，明确各因素在灾害中的主要作用和从属作用，才能在地质灾害预测中取得较高的精度。斋藤法是国内外科研机构研究滑坡泥石流等地质灾害监测预报的初始理论，该方法基于灾害区域的土壤地质结构，研究土壤的蠕变理论，并将土壤在滑坡等地质灾害中趋势作为预测的主要因子。还有就是根据德国生物学数学家VEDLULST应用灰色系统理论所建立的应用于生物繁殖量的预测模型，并最终演变过来的滑坡时间监测预报模型，灰色理论的预测是能够进行趋势性预测，在实际应用中，为了保证预测的现实渐进性，通常需要加入最新的实测数据进行数学建模。122发展趋势地质灾害预警系统是地质灾害防御的重要组成部分，地质灾害预警系统作为人民生命财产保护的重要组成部分，大大提高了社会和谐、稳定和人民的幸福指数，改善了人们生产生活的方式，本文试图通过分析国内外地质灾害发生的研究现状，以期望对地质灾害防御有一个较为系统的评价，并对地灾预警的未来发展方向进行展望，能够推动地质灾害预警系统中将有更大发展。应用ZIGBEE，GPRS/GSM，3G等无线通信网，结合地理信息系统（GIS）、无线传感器网络技术（WSN）等来对国内外地质灾害监控预测预报系统进行无人工作面研究和实验，如果实现了地质灾害多发地段监控全自动化，不但可以大大减少人力，提高地质灾害区域的安全水平，还可以进一步做到准确指挥导向，减少灾害发生带来的生命和财产损失；针对地质灾害的具体表现及其孕育、形成、破坏性等特点，地质灾害监测预报的发展方向应以地理考察为依托，结合地形地貌、自然天气、地质结构和历史地质资料，将地理信息，全球定位，无线通信等技术手段相整合，综合的从系统工程观点出发，把勘测评估、预测监测以及灾害整治三者结合成一体建立地质灾害预警立体防治系统。监控网络信息化的另一个发展趋势是利用现代信息采集技术得到环境监测依据，实现崩塌、滑坡监测、泥石流监测等地质灾害的预测预报。对地质灾害的环境信息尽心实时连续的采集能够有效增加地质灾害监测预警的准确性与实效性。重点研究无线网络、高集成度的监测变量传感器等方面，可以研制新型传感器实现高起点、高智能化，充分利用智能微处理器的优点，做到自校正、自诊断、配置标准、自调零远传接口，统一传感器的输出信号制式，以提高传输的可靠性、数据的简单性和传感器的可换性。研究配置齐全、高可靠性的地质土壤等方面的传感器是监控系统发展的关键技术之一，以及更优的数据通信方案。在以后的地质灾害预警监测发展趋势主要有1对监测点环境评估，能够对地质灾害监测降雨量进行评估。运用地质灾害预报的相关先进技术，实现区域性地质灾害的全天候自动监测。研究地质灾害前兆信息与地质灾害的关系并准确及时获取。2多元预警模型系统建立，能够提前做出地质灾害发生判断和区域定位。能够通过对广泛的灾害数据查询和统计，得出区域性地质灾害发生的相关因子，并建立灾害发生强度和可能性这些相关因子的逻辑关系模型。（3）多渠道发布灾害预警信息，提前做出灾害防范。通过对监测区域的环境5评估，和多元预警模型的建立，做出地质灾害发生可能性和强度的判断以后，能够将信息发布，警示提前做到灾害的防范和人身财产的保护。4多维立体监控和数据存储，用于灾害评估和救援。例如应用高清视频监控技术直观的监测区域性的环境状态，监督是自然和非自然因素造成的灾害发生，可在灾害发生以后对灾害的发生情况进行分析，对以后的地质灾害防御有着更好的依据。结合互联网、移动通信网，无线通信网、GIS等多渠道灾害监测预报13论文的主要研究内容滑坡泥石流地质灾害是自然灾害主要类型，但也因区域的不同有着各自的差异。四川盆地降雨频繁，除成都平原以外，周边的地质结构复杂，特别受到汶川地震以后，许多丘陵山地区域地质结构不稳定，特别容易发生因降雨量而引起的滑坡泥石流等地质灾害。气象部门的灾害预警能够做到大范围的地质灾害进行预报，但是对具体的山区却缺乏针对性，而区域性地质灾害可能使周边的居民受到严重的人身伤害，并破坏当地的道路、通信等基础设施，对人民的生命财产造成巨大威胁。建立基于ZIGBEE/GSM的地质灾害预警系统，能够应用于具有潜在地质灾害发生地区的村庄、工地、企业等区域。其主要研究内容1地质灾害前兆信号传感或信号获取技术，主要包括对各种物理信号转变为电信号，包括对各种物理信号（温湿度，倾斜角，物理位移等）转变为电信号，采用直接或间接接入采样电路的方法获取模拟外界环境电信号变化量，设计出电源、滤波、跟随、振荡电等路来配合传感器获取信号。2设计体积小巧、高效节能、便于部署安装的无线传感器网络环境信息采集终端。该终端实时获取被监控的复杂环境地质信息，并传输给具有地灾模型数据处理的协调终端进行判断。3自主设计降雨量智能监测终端。能够做到对监测点雨量进行准确的估算，具有ZIGBEE的通信传输功能，将监测的雨量信息传输到主节点中，作为灾害预警模型的重要因子。降雨量是监测的重要因子，雨量监测点的布置也相对比较密集，因此自主设计的雨量监测装置在做到监测和通信的同时还可以降低设计成本。4研究适合本项目应用的无线传感器网络通信协议，包括传感节点通信格式制定、网络拓扑结构优化设计，高效路由选择、节点通信控制等。需要将雨量和其他环境参数监测终端进行多点的布控，并且形成相互的通信网络，应用ZIGBEE/GSM无线传感网络中实现节能、可靠性高、时延断、容量大的优点。5信息分析处理技术，主要包括对特征信息的提取、信号滤波及变换等，既包括模拟信号采样量化处理个方面，也包括数字信号处理中利用信息和知识处理的数学理论处理等各种方法，针对项目中系统分析和设计各种有效的软件算法程序、硬件实现等。6研究上位机试验监控界面设计。界面能够对每一个节点的初始值、相邻环境值、相邻的环境差值、累计的环境差值进行显示，当这些差值达到一定预警值，将产生相应的预警信号。7对地质灾害预警模型初步研究。本课题研究的地质灾害预警技术主要是依赖于对监测区域性的降雨量以及实地节点监测所得到的山体位移，山体倾角，温湿度的变化情况，通过广泛的资料查询和数据统计，对数据突变率，累变量，临差量来进行比较来对地质灾害预警初步评估。14论文的组织结构本论文介绍了基于ZIGBEE/GSM的地质灾害预警系统研究，其主要的研究内容如下第一章绪论部分主要是对课题的选题依据及意义，同时对行业的发展现状和趋势做简要的介绍，并结合这些课题信息来提出本系统所需研究的具体内容。第二章首先对地质灾害形成机理做出分析，特别是对滑坡、泥石流两种地质灾害的形成原因做出分析，通过这些分析提出本预警系统的参数需求和功能需求。然后简要介绍无线传感器技术，对本系统中的所应用的ZIGBEE通信与GSM通信做了简要的分析介绍，并最终提出了本系统的通信体系构架和系统设计方案。第三章针对硬件的设计特点，主要描述ZIGBEE/GSM通信协议栈软件的设计、环境终端和雨量终端的数据采集程序的设计、无线协调器网关节点的软件设计。第四章对灾害预警模型进行初步研究和对系统试验监控界面的设计做了详细的阐述。第五章，结合模拟教学法对此毕业设计的某一项设计进行一次教学案例设计。2系统方案设计21地质灾害形成与功能需求分析研究山体滑坡和泥石流灾害都是属于地质灾害，他们都是由于地形地貌、地层岩性、植被覆盖、人类活动、地震、强降水等诸多内因和外因共同作用而产生的。但经过大量数据表明，90以上的滑坡泥石流灾害都是由强降水而诱发形成的，本研究将结合对监测区域的环境参数进行监测结果，以强降水而形成的地质灾害作为研究重点。在研究过程中主要是在灾害发生强对监测环境数据进行采集，便于后期数据的分析和预测的进一步研究。211泥石流灾害形成分析泥石流通常是指由降雨引起的，夹杂有大量的泥沙、碎石等固体物质粘稠状流体，具有较大的流动性，是一种高密度的固体液体混合颗粒流。泥石流发生通常需要三个条件能量条件，物质条件（土岩成分），触发条件（如强降雨）。能量条件主要是指区域的地形地势差来体现的，是指上游和山坡坡面松散固体物质由于重力而引起颗粒流体，故山体的形状，山体的坡度，植被情况等来决定能条件的形成。物质条件是有指固体的琐碎程度，水分的储备量等。而琐碎固体又受到多方面的环境条件的影响，如地层条件，土壤条件，植被条件等等，泥石流多发生在地质条件复杂的地区，如是否处于地壳活动活跃地带。地表岩体破碎、错落、滑坡等不良地质发育，为泥石流发生提供了大量的固体物质。人类活动也影响固体物的形成，如滥伐森林，开山采矿等。触发条件通常是由于降雨引起的。由于连续降雨、急速降雨等原因，造成岩体中的含水量过饱和，破坏了碎岩体的稳定性，在雨量继续冲刷的情况下，过量雨水和碎岩体就形成了泥石流。结合到地形地貌、岩体成分等能量条件和物质条件就造成了泥石流的形成。212滑坡灾害形成分析滑坡的形成于泥石流形成的条件有很多相似的条件。在滑坡形成的过程中有着强烈的地形条件要求。斜坡是滑坡形成的必要条件，从滑坡的发生地域分析也8可以看出，滑坡通常发生在丘陵和山地地区，不具备斜坡的平原盆地也就不会发生。通过统计数据表明，斜坡的坡度在1040之间是最容易发生滑坡灾害的。也与斜坡的坡形有着密切的关系，通常为凸形的斜坡和纵向坡（坡形垂直于沟壑延伸方向）综合也就最易发生滑坡。滑坡还与具体的监测区域的地质岩体，地质环境有着密切的关系。但滑坡的形成有其一个十分重要的条件，那就是降雨量的多少，当斜坡中的含水量超标，斜坡中张力已经不能束缚斜坡体，其也就引起了滑坡。213功能需求通过对泥石流和滑坡形成分析，降雨量和地形变化在监测中至关重要，也与空气土壤的含水量有着密切的关系。本研究根据需求，拟对监测点的降雨量，斜坡角度，温度和空气湿度，滑动位移几种参数做出监测分析，其中降雨量信息，斜坡角度作为主要监测参数。温度和湿度参数主要是用于辅助测量或者对土壤中的含水量监测做出参考。滑动位移是指监测节点的移动变化，其主要作用是通过监测节点装置的移动变化来判断监测点山体的变化情况。22无线通信方案现阶段对地质灾害信息的预报主要依赖于气象局对各地天气的预报来进行一定概率的推断，尽管其在预报方面有一定的准确性，但其预报的地域只能说面在一个相对较大的范围内部，对具体的某一点缺乏一些必要的科学依据做出判断。随着3S技术的发展，对地理信息的预报也就愈加准确和成熟了。在预报方面主要是停留在对降雨量与地质灾害可能发生地的地质关系来做出推断。因此在地质灾害预报中存在缺陷监测区域的范围过于广泛，缺乏一定的针对性监测的成功率不高，容易误报。对于没有一个具体的山区、工地等区域无法做出较为有效的布控3S技术应用成本较高。为了能够对某个地段的地质灾害做出较为准确的预警预报和成本的降低，就必须对该地段的地理环境参数做出监测，通过这些地理环境参数的统计分析做出一个合理的分析，得出发生地质灾害发生的可能性预报，提高对该地段的地质灾害预报的针对性，因此本文将依据无线传感器网络技术来进行研究。无线传感器网络技术是一种新型的信息获取技术，它是将现代的微电子技术、计算机技术、无线通信技术等综合应用而形成的一种信息科学技术。随着这些技术的进一步发展应用，使得传感器网络中的节点装置能够集成在微小的体积内，完成信息获取、信息分析、信息无线传输等功能。无线传感器网络技术是通过设计大量的低成本，低功耗的传感器节点装置部署在监测区域内，相互之间通过无线通信方式来完成网络组建，共同协作的对监测区域的感知对象数据进行获取，并最终将这些信息传输给观察者。其主要的三个组成要素包括有传感器、观察者以及感知对象。这种技术的研究实现了人与自然界的交流，让自然界许多非生命的物体有了“生命”，也能够人们更好的认识和改变世界，很好的推动了人类文明的发展。现代移动通信网不仅要追求低成本、高通信速率，还要能够在无专用通信设施的情况下，能够在各种复杂环境具有较强的适应性和生存力，无线传感器网络技术和自组织网络技术很好的满足了新生代移动通信网络的要求。无线传感网络拥有大量体积小、低成本，由有无线通信、传感、数据分析处理能力的传感器节点构成。传感器节点通常是具有传感、分析处理、收发数据、电源等多功能的模块构成。与此同时，在不同的环境下，还拥有定位、电源再生、移动互信的功能模块。由于无线传感器网络技术拥有优越的通信性能，能够在完成有效数据采集和数据通信的同时还能保证低成本，因此在环境监测、远程医疗中被广泛的应用。在观测区域广泛布置传感器节点，各个传感器节点对感知对象的数据进行获取，获取的原始数据通过数据整合以后，采用路由多跳的方式将这些信息数据传输给信息汇聚点，随后通过各种有线或无线远程通信的方式将数据传递给需求用户。与其他传统的通信网络相比，其本身有一些特有的特点1、大规模网络特征。通过在观测区域广泛的部署传感器节点，这些节点不仅分布在很大的区域范围内，同时这些节点部署密集。这样不仅提高监测的精确度，也降低了单个节点的精度要求，增大了监测网络的信噪比和容错能力。2、自组织网络特征。在无线传感网络中，部署节点的区域一般都是无任何基础设施的地方，其自身和邻居节点部署的位置都不确定，故这些传感器节点进行自主管理和配置，通过网络拓扑结构和网络协议来完成自身位置的确定，并能够适应拓扑结构随机变化的情况。3、动态性网络特征。通常情况下节点的寿命都是有限的，或者有失效的情况，或者需要加入新节点，且感知对象、观测者以及节点本身都有改变的可能。其动态网络特征就能够很好的适应这些变化。4、网络以数据为中心。在网络中，节点编号、节点位置、节点采集数据共同作用才能够形成数据查询和传输功能，给予用户已有用信息，也就更利于人与自然的相互交流。5、传感器网络是用来感知物理世界，获取物理世界信息，不同的物理世界也就需要不同的软硬件平台和网络协议，因此在开发无线传感器网络系统的时候只有根据不同的传感环境来设计更高效的应用系统，故也要求应用网络协议、网络安全、能量管理、数据融合、移动管理等多种技术。23网络构架方案设计地质灾害预警监测需要对监测区域的环境数据进行采集，而这些监测区域通常处在环境复杂，通信网络不易构建的地域。这就要求系统在监测区域的小范围内，构建一个短程通信的无线局域网络，通过这种无线网络的信息传输以后，让信息附加到另外一种可以远程通信，覆盖的区域又比较广泛的通信方式，本系统是基于ZIGBEEGSM通信的体系结构，其中ZIGBEE通信的距离范围通常在100米范围内，结合不同的射频天线有着不同的距离值，能够有效自主的建立局域网络，同时ZIGBEE通信协议套件还具有完整的数据检查功能，具有较好的信息安全性。而GSM通信是成熟的移动通信网络，覆盖的区域也十分广泛，信号的强度也十分可观。231ZIGBBEE通信技术ZIGBEE是一种低速无线个域网（LOWRATEWIRELESSPERSONALNETWORKLRWPAN），其通信标准符合IEEE专门针对低速率的无线个域网而制定的IEEE802154无线通信标准。它拥有三个频段，其中868MHZ和915MHZ两个频段适用于欧美地区，而24GHZ的频段却适用于全球，因此在国内市场上ZIGBEE通信市场上大都采用24GHZ的通信频段。在这个的频段上有16个通信速率为250KBIT/S的信道，因此它适用于通信数据量不大，数据传输速率相对较低，分布范围较小，但对数据的安全可靠有一定要求，而且要求成本和功耗非常低，并容易安装使用的场合。ZIGBEE以其低成本、低功耗、数据传输可靠和网络容量大等诸多特点。IEEE802154的数据传输过程中引入了几种延长电池寿命和节省功率的机制，限制器件的收发时间，在无数据传输的时候进入休眠状态。ZIGBEE标准总共定义了49个物理层和MAC层基本参数，仅为蓝牙通信的1/3的定义参数量，使得这种通信标准很适用于存储和计算能力有限的简单器件，IEEE802154中通常定义了两种器件，一种称为全功能器件，另一种为简单功能器件。全功能器件要支持所有的49个基本参数，而简化功能器件只需满足其中的38个基本参数，在无线传感器网络中全功能器件通常作为网络中的协调器器件，而简化功能器件则作为终端和路由器件。这种通信标准也就在更多的领域里具有较高的应用价值和实用性。虽然数据传输速率相对比较低，一般适用于数据量不大的场合，然而仍能满足地质灾害监测中传感器数据传输要求和功能要求，所以ZIGBEE技术是本系统短距离无线通信的最优选择。232GSM通信技术GSM/GPR全称为全球移动通信系统（GLOBALSYSTEMFORMOBILECOMMUNICATIONS），是一种全球应用最为广泛的移动通信系统，也是第二代（2G）移动通信网络。它是由欧洲电信标准组织（ETSI）制定的一种数字移动通信标准，其空中接口采用时分多址（TDMA）技术。GSM是一个蜂窝网络，也就是说移动电话要连接到它能搜索到的最近的蜂窝单元区域。GSM系统主要由四个功能单元组成，即移动台（MS）、网络子系统（NSS）、基站子系统（BSS）、操作维护子系统（OSS）。GSM系统是一种支持多业务的系统，能够根据用户的需求为用户提供诸如话音业务、数据业务等各种形式的通信。另外GSM提供了一种类似于寻呼业务的短消息服务，移动台被设计成可用于通话又可用于寻呼，使用户可以用GSM移动台来传递一些简单的消息。短消息服务SMS（SHORTMESSAGESERVICE）是GSM网络最基本的的一种业务，由于其使用便捷，短消息服务被广泛应用于诸多行业。SMS是目前普及率最高的一种短消息业务，打破了时间和地域的限制，真正实现了用户与信息的同步，其传播效率具有传统媒体与互联网不可比拟的优势。由于GSM网络具有系统功耗和成本低、数据传输可靠、性能稳定等特点，越来越多远程监控、远程通信等领域采用GSM网络的SMS业务，短消息服务为远程信息的传输和数据通信提供了良好的条件和基础。将SMS短消息业务应用到远程医疗监护系统中，开发设计的系统具有以下七个特点（1）数据传输速率较低。（2）通信距离远。（3）高可靠性。（4）成本较低且开发难度小。（5）数据长度有限，一般被限制在140个字节以内。（6）支持流动监护。（7）随时随地发送短消息。GSM技术是现行移动通信技术中最为成熟的通信技术，其覆盖网广，通信信号稳定，拥有成熟的通信协议和机制。通过多年的发展，其网络布局日趋合理，网络资源的应用也越来成熟，最大限度提高了网络的平均服务质量。目前我国的GSM网络主要应用的是GSM900和GSM1800频段，在每段中留有200KHZ的保护12带。利用GSM的短信通信机制来对实现远程信息的传输将能够地质灾害的远程布控起到重要的作用。233网络通信构架将这两种通信方式结合在一些就形成了本系统的主要通信体系，终端功能应用点（雨量和其他环境信息采集点）采集监测点的环境信息，通过分析处理以后将数据传输到路由功能应用节点，然后通过协调器设备的远程发送功能发送出去，在到移动基站，最后到远程上位机接收端，安装设备的远程接收功能应用点接收数据并通过RS232上传至上位机软件分析界面，同时将信息发送给移动手机用户。上位机分析软件接收到环境信息以后对多次采集的数据进行分析，对监测点的状态趋势进行分析，当到达预警值以后，发送预报信息。24传感器节点方案设计241节点整体方案选择方案的选择学习研究无线传感器网络机制，了解地质灾害的形成机制，学习ZIGBEE通信协议。在主体方案上仍然以ZIGBEEGSM来设计整个系统的通信和控制机制。在节点的硬件设计上方案主要选择，方案一以MSP430CC2420TC35I作为控制中心的方案。各种传感器的感知模拟量变化并转化为微弱电信号，送入多路数据选择器ADG707的数据输入端口，ADG707的选通控制信号由主控制器MSP430提供，以此决定处理哪一种传感器信号输入，然后输入模拟信号量经低功耗放大器AD627进行比例放大后，送入主控制器MSP430的模数转换端口，由MSP430内部集成的高精度A/D转换模块转换后用于后续数据处理。这种方案实际增大了硬件设计的复杂程度，也就必然带来更多的信号干扰。方案二以CC2430CC2591MC39I作为控制中心的方案，该种方案相比于第一种方案，简化了已有的设计流程，但其在内核的处理速度，内存存储上有一定的限制。方案三本次设计中CC2431MC37I，其中MC37I是选用西门子GSM模块它是替代现已停产的MC39I的GSM模块,温度特性好，性能更高。满足传感器节点对于数据计算处理的更高的要求，且在体积和成本有所下降，CC2431以其卓越的性能以及小巧的体积，满足了以上两方面的要求。CC2431/CC2430的8051内核经过特别设计，8倍于常规51芯片，拥有AES协处理功能，可以和24GHZ的ZIGBEE无线收发电路完美的配合工作，绝不会因为其8051内核的高速运行而对高频无线通讯有任何影响。CC2431包括FLASH存储MCUZIGBEERF全集成，是真正的单芯片解决方案。在比较几种节点方案以后，本次设计选择了基于CC2431的设计方案。在理解CC2431芯片的处理机制，更进一步了解与CC2431相吻合ZIGBEE2006协议栈。以及研究MC37I与CC2431想融合的问题。在这研究过程中，对CC2431芯片的内部微控制器和ZIGBEE协议栈在项目的研究中起着重要的作用。在CC2431MC37I控制方案中，CC2431是要作为雨量监测终端节点和环境终端节点的控制中心，而MC37I要在协调器节点中要负责信息远程发送和接受，故协调器节点才会涉及到。习ZIGBEE通信协议。在主体方案上仍然以ZIGBEEGSM来设计整个系统的通信和控制机制。242环境节点设计方案本设计方案采用无线龙公司的CC2431模块为主控制器，CC2431是一款集合有微控制器和ZIGBEE通信的高性能低成本的一款TI芯片，其数据分析处理能力也完全能够满足节点数据采集的需要。无线监测节点的主要功能包括有采集监测区域环境的温湿度信息、倾角变化信息、节点位移变化等。其中振动信息的采集为一个接触式传感器提供外部中断。节点主要有传感器模块、电源模块、处理器模块和GSM通信模块几个部分组成，另外还包括有传感器接口、RS232通信接口、天线接口、程序下载调试接口等，其节点的设计框图如图21所示。倾角传感器超声波传感器温度传感器湿度传感器AD数字接口RF串口射频装置GSMMC37I电源电源8051内核CC2431图21环境节点设计框图传感器负责采集环境的信息，经过信号处理电路处理以后送入传感器负责采集环境的信息，经过信号处理电路处理以后送入到CC2431中进行分析处理，CC2431有21个通用I/O口，并且这些I/O都具有特定的外设功能，倾角传感器采集的模拟信号通过具有A/D转换外设功能P0口送到MCU中进行信息处理和判断，温湿度信号数字I/O口送入给为控制器中，P1口分配有为超声波测距信号的通信口，CC2431的串口之一与GSM通信，这些数据不仅可以通过CC2431外设射频电路发送出去，也可以同GSM远程发送。243雨量节点设计方案降雨量在气象预报、环境监测等多个方面有着重要的作用，通常的雨量测量都停留在单一的功能设计上，缺乏对雨量信息的通信传输，市场上雨量监测装置本身的成本高、体积大，不利于在灾害监测中广泛采用。本雨量计设计主要采用具有ZIGBEE通信功能的CC2431模块作为主控制器，在实现雨量的智能控制测量的同时还实现对雨量信息的无线传输，有利于雨量计的进一步广泛应用和扩展。（一）单桶单阀方案其基本思想是利用水的导电性能来设计。当有雨水产生的时候，电点A、B导通对微控制器MCU产生一个脉冲。从而启动液位传感器C，常闭型放水阀D的工作其结构方案图如图23所示。图22雨量单桶单阀方案图（1）装置初始状态处于休眠模式（2）雨水到来以后，A、B两电点导通，产生一个电脉冲，给MCU一个外部中断，整个装置开始进入正常工作模式，传感器C开始采集液位，进行AD数据转换送入到MCU中。当液位达到E位置（设置的传感器C来采集的液位最高值H），放水阀D迅速放水，放水阀并记录其放水次数N，放水结束以后立即关闭放水阀。（3）在放水阀未再次开启的时间段中，每相隔一段时间测量两次液位高度，如果液位高度在改变，则认为降雨未停止。若两次液位高度为改变，则认为降雨已经并记录下此时液位H并打开放水阀，放水结束后关闭放水阀（4）降雨停止，由于在设计盛雨桶的时候已经知道每个单位液位代表N毫米降雨量。（5）将测得的雨量值送入到雨量预报模型中建模和预报传输。并让雨量监测装置重新进入休眠模式该方案的设计能够测量出降雨量值，但是有几大弊端有待解决第一外部脉冲不稳定。在第一阶段中，是利用水的导电性来产生外部脉冲，从而使装置跳出休眠状态，而进入监测状态，但是利用水导电性产生的外部脉冲并不能像真正的导电溶液产生满意的脉冲波形，存在着严重的畸变和误判，从而不能唤醒行休眠状态。由于雨水的跳动，也会产生像按键中断一样的抖动现象。第二长时间电解雨水弊端和对装置功耗的影响。由于两电点是一直浸泡在水中，如果放水缓慢的话,两电点也会和水形成电解现象，或许电解雨水的量很少,但是如果雨量也偏小的话，放水阀放水的次数频率也会很低，这样就会长时间电解雨水，产生误差。除此外，长时间电解水也会对电源的能源功耗产生重要影响。第三同时进入雨量和放掉雨量产生误差。由于该装置只有一个收集雨水的16装置，但当降雨量偏大的时候，放水阀放水的次数也会偏多，经过对多个放水阀进行测试，放水阀并不能做到快速的放水，因此这是就存在放水阀在放水，盛雨器又不断有新雨水进入，而新进入的雨量装置并未进行判断和测量，就一同放掉了，产生测量误差。第四传感器误差。在第三阶段中，由于选用传感器对雨水高液位测量精度较高，但是当液位较低（小于7MM）的时候，就不能较为准确的测出了，而盛雨装置偏大的话，这样在低液位时候产生的误差也就增大了。（二）双桶双阀方案针对单桶单阀方案的弊端，改进后的方案主要采用双雨量容器测量装置，应用零水压的常闭型电磁阀来实现双雨量容器的关放水，并集合液位传感器以及利用水导电性实现的降雨的感应。硬件的方案如图23所示。图23雨量双桶单阀方案图甲为收集雨量容器，乙为标准测试雨量容器（已知容器的低面积S和满液位L），D1、D2为常闭型电磁阀，A、B为具有水导通性的电点，C为具有液位传感器，E、F为两容器的溢出控制点。在默认情况下，D1、D2均处于闭合状态，当有降雨进入甲容器的时候，由于雨水的导电作用，A、B量电点导通，产生外部中断唤醒MCU，MCU控制D1打开，雨水流入乙容器中，当雨水到达F点的时候,MCU控制D1关闭，D2打开，当液位传感器C测到的液位为零的时候D2关闭，D1打开，如此循环，MCU记录D1打开的次数N。A、B两点长时间不导通的时候，证明降雨已经停止，这是液位传感器测量乙容器的液位高度H，最后打开D2放掉遇水后，关闭D1和D2。根据雨量计的方案叙述，雨量计的控制电路设计制作主要有电源电路，电磁阀控制电路，液位传感器电路，电点触发电路，CC2431模块可直接应用其I/O口通信。25本章小结本章首先对地质灾害形成进行了分析，主要是对降雨性的滑坡和泥石流形成所需的条件进行了分析，其分析的主要目的是为了更好找出监测方案所需要的监测的数据类型；确定了监测的数据类型以后，对监测中的网络通信方案做了介绍。最后针对要监测的降雨量、倾斜角等环境信息，提出了几种节点设计方案，经过比较以后，选取了CC2431MC37I的控制方案。并详细分析了降雨量监测节点和环境信息监测节点的方案组成。3系统软件设计31初始化模块程序设计在TICC2431的硬件的基础上，系统的软件设计平台都是基于IAREW8051集成开发环境的，IAREW8051是IAREMBEDDEDWORKBENCHFORMCS51,是一套用于汇编、C或C编写的嵌入式应用程序开发工具，具有IAR的C/C编译器，汇编器，连接器，文件管理器，文本编辑器，工程管理器和CSPY调试器的多功能平台，非常适合本系统的软件开发。在整个系统的软件研发中，无论是数据的采集，还是路由传输，都是基于一个TIZSTACK的一个ZIGBEE2006协议栈来进行研究的。TIZSTACK是一种基于轮转查询式的操作系统，在TIZSTACK中的MAIN函数主要做两件事情，一个是系统的初始化，通过启动程序代码来初始化硬件系统都和软件架构中所需的各个模块，除此之外就是执行操作系统的实体。系统的启动程序编码需要实现硬件平台的初始化和软件构件中各个模块的初27始化，为操作系统的运行做好准备，其主要包括有系统时钟、芯片工作电压、堆栈、各硬件模块、FLASH存储、芯片MAC