CN105632108A - 一种结合GPRS和ZigBee网络的泥石流监测及预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用GPRS和Zigbee网络技术实现泥石流监测及预警的系统。方案中，传感器节点可挂接多种泥石流传感器，传感器监测的数据经网关，然后由ARM设备初步处理，最后通过GPRS连接接入IP网络，再传输到远程数据与管理中心进行储存和处理，管理员则通过反向链路对传感器网络进行配置，发布监测任务，收集监测数据。当PC机接收到数据后，上位机软件立即对数据进行处理分析，根据各个关键因子的临界值，得出监测泥石流的数据信息，达到监测泥石流的效果，并在有灾害危险时及时发出泥石流预警，并能由监控人员实时开启ARM设备处的图像采集系统，经过高效的图像压缩算法后，通过GPRS无线网络将灾害发生地点的图像信息传输至上位机或者监测中心。
Description
技术领域
本发明属于一种地质灾害安全技术领域，具体是利用ZigBee和GPRS网络技术实现的泥石流灾情实时监测及预警的方法。
背景技术
我国是受泥石流危害最为严重的国家之一，建立完善的泥石流预警系统，使灾害在形成初期得到预警，进而降低自然灾害破坏力，保护人民的生命和财产安全已经成为相关研究领域专家和学者的共识。但泥石流发生的地点一般较为偏僻，电力供应缺乏，通信不便，给相关的监测带来巨大的挑战。
由于ZigBee网络的低功耗、低成本、高容量的特性，本项目提出一种基于ZigBee和GPRS网络的监测系统，旨在通过及时的预警来降低泥石流灾害的破坏性，保护人民的生命和财产安全。系统弥补了传统的雨量及地感遥测等方法的不足，能工作于人力难以到达的恶劣或者危险多变的环境，并能根据土壤参数的变化进行高效的泥石流预警，系统内置的图像压缩算法可以将采集的图像进行压缩处理后通过GPRS传输给远程控制终端，可以为灾害发生后的救援提供实时有效的图像信息。
发明内容
本发明项目通过分析泥石流的形成机理和现阶段监测方法的不足，提出了一种基于ZigBee和GPRS网络的泥石流监测方案。该发明方案中，传感器节点可挂接多种泥石流传感器，传感器监测的数据经网关，然后由ARM设备初步处理，最后通过GPRS连接接入IP网络，再传输到远程数据与管理中心进行储存和处理，管理员则通过反向链路对传感器网络进行配置，发布监测任务，收集监测数据。
当PC机接收到数据后，上位机软件立即对数据进行处理分析，根据各个关键因子的临界值，得出监测泥石流的数据信息，达到监测泥石流的效果，并在有灾害危险时及时发出泥石流预警，并能由监控人员实时开启ARM设备处的图像采集系统，经过高效的图像压缩算法后，通过GPRS无线网络将灾害发生地点的图像信息传输至上位机或者监测中心。
如图1所示为本发明所提出的基于ZigBee和GPRS网络的泥石流监测系统结构框图。
本发明的技术方案如下：
一种结合GPRS和ZigBee网络的泥石流监测及预警系统，其特征在于包括以下步骤：
(1)在可能发生泥石流的地域，布置大量泥石流传感器，采集环境中与泥石流相关的参数信息。这些传感器挂接在zigbee网络上，经由zigbee网络实现数据传输和控制，组成zigbee传感器网络；
(2)传感器网络采用树形拓扑结构。为了加强数据传输的可靠性，对树形网络进行了改进，形成了独特的双层树形网络；
(3)研制zigbee与GPRS双向透明传输网关，zigbee网络上传输的数据经由网关传输至GPRS网络，并经IP网络传输至远程监控中心。监控中心通过分析传感器数据，确定监测区域是否可能发生泥石流地质灾害，并按照相关预案实施预警；
(4)标示部分zigbee节点物理坐标，作为参考节点。其他所有zigbee节点通过获取与参考节点相互通信的RSSI值，自动对各个节点进行物理定位。该定位算法由FPGA实现硬件加速。
(5)通过自动定位获取各个zigbee节点数据，并读取到节点相应传感器数据值，这些数据为离散值，采用双线性插值算法，生成监测数据分布式图像信息。
(6)路由器、协调器及网关系统需要单独设计太阳能电池供电系统。
(7)根据预警模型编写上位机软件。传感器网络采集到的数据传输至远程控制中心，控制中心发布监测任务，对数据进行分析处理，进而判断可能的泥石流地质灾害，发布预警。
附图说明
图1为本发明无线网络结构图。
图2为本发明模块化网关设计结构图。
图3为本发明电源系统结构图。
图4为本发明上位机软件结构图。
具体实施方式
一种结合GPRS和ZigBee网络的泥石流监测及预警系统，包括以下步骤：
(1)在可能发生泥石流的地域，布置大量泥石流传感器，采集环境中与泥石流相关的参数信息。这些传感器挂接在zigbee网络上，经由zigbee网络实现数据传输和控制，组成zigbee传感器网络。
传感器节点主要挂接在zigbee终端上，终端数据经由路由器传输至协调器，通过zigbee/GPRS关进行数据格式转换，最终通过GPRS网络传输至远程控制中心。同时，远程控制中心可以通过反向链路向zigbee网络传输命令，发布检测任务。
(2)传感器网络采用树形拓扑结构。为了加强数据传输的可靠性，对树形网络进行了改进，形成了独特的双层树形网络。
数据传输网络拓扑一般分为星形、树形和网状形。星形网结构简单，便于建网和管理，网络延迟时间较小，传输误差较低，但是成本高、可靠性较低、资源共享能力较差。网状网络系统可靠性高，容错能力强。但是安装复杂、不经济，只有每个站点都要频繁发送信息时才使用这种方法。
树形结构是分级的集中控制式网络，一定程度上综合了星形网和网状网的优点，但除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路故障也会使系统受到一定影响。
为了克服数据传输可靠性不足的特点，采用双层树形网络结构，任一链路至少有两条物理连接，保证了所有节点和链路的数据传输可靠性。
(3)研制zigbee与GPRS双向透明传输网关，zigbee网络上传输的数据经由网关传输至GPRS网络，并经IP网络传输至远程监控中心。监控中心通过分析传感器数据，确定监测区域是否可能发生泥石流地质灾害，并按照相关预案实施预警。
由于ZigBee网络的有效通讯范围一般为10～300m，仅适合较小区域的组网互连，及时通过一定的扩展技术，也不能进行远距离的通信。因此，在泥石流检测系统中，ZigBee网络仅仅用于采集监测区域的各种相关信息参数，而将这些数据传输到上位机及远程监控中心的任务则由GPRS网络完成。
GPRS(通用分组无线服务)是一整套基于全球移动通信系统GSM的包模式通信服务，GPRS用户以有效利用GSM网络的非接入方式实现低成本通信，实现高速远距离通信。
ZigBee网关为ZigBee网络的一部分，节点类型为中心节点，在整个无线网络中具有唯一性，所有无线节点数据均发送给网关，并由其进行地址、协议转换后发送给GPRS。反之，GPRS数据也需由网关进行地址、协议转换后，才发送给ZigBee网络。总的来说，ZigBee网关是ZigBee无线网络与GPRS网络数据交换的中转站。ZigBee网关采用模块化分层设计方案，由硬件层、软件支持层和应用层构成，我们采用ARM9作为主控模块。
如图2所示为网关结构图，其中硬件层描述了网关的硬件实现；软件层移植uC/OS-II实时操作系统内核、ZigBee和嵌人式TCP/IP协议栈LwIP，实现了ZigBee和TCP/IP协议的双向透明转换，同时封装一些关键API函数供应用层程序调用；应用层运行的是用户编写的应用程序，用户可以根据实际需要使用下层定义的API自行扩充相关应用。
(4)标示部分zigbee节点物理坐标，作为参考节点。其他所有zigbee节点通过获取与参考节点相互通信的RSSI值，自动对各个节点进行物理定位。该定位算法由FPGA实现硬件加速。
参考节点物理坐标事先确定，坐标数据已知，非参考节点在于这些参考节点相互通信的过程中，接收方将测出接收到数据的无线电信号能量RRSI数值的衰减，以及节点独一无二的ID信息，并将这些信息传递出去。
每个节点与至少三个参考节点之间建立ID与RSSI数值联系，然后通过求解齐次方程组，可求得非参考节点的物理位置。为了加快运算，数据传递给FPGA，调用FPGA硬件资源实现硬件加速。
(5)通过自动定位获取各个zigbee节点数据，并读取到节点相应传感器数据值，这些数据为离散值，采用双线性插值算法，生成监测数据分布式图像信息。
通过传感器采集到相应泥石流监测数据，虽然传感器可大量布置，但毕竟采集到的为离散数据，仅仅代表着监测区域某一些点的值。为了获得观测区域连续区间上的值，采用数值分析领域常用的双线性插值算法，在横竖坐标分别进行线性差值。
(6)Zigbee网络具有低功耗的特点，对于终端节点来说，一般的电池即可长久供电。但是对于路由器、协调器以及网关来说，耗电量较大，需要单独设计一套电源系统。采用太阳能充电器和锂离子电池作为供电系统。充电器使用太阳能电池板，经电路进行直流电压变换后给锂离子电池充电，并能在电池充电完成后自动停止充电。电源系统如图3所示。
(7)采集到的泥石流相关监测数据经过建立的基于zigbee和GPRS数据传输网络传输至远程控制中心。控制中心根据泥石流预警模型，编写上位机程序，发布检测任务，并对监测到的数据实现进行分析，实现泥石流的预警。
上位机软件结构如图4所示。
Claims (9)
1.一种结合GPRS和ZigBee网络的泥石流监测及预警系统，其特征在于包括以下步骤：
(1)在可能发生泥石流的地域，布置大量泥石流传感器，采集环境中与泥石流相关的参数信息，这些传感器挂接在zigbee网络上，经由zigbee网络实现数据传输和控制，组成zigbee传感器网络；
(2)传感器网络采用树形拓扑结构，为了加强数据传输的可靠性，对树形网络进行了改进，形成了独特的双层树形网络；
(3)研制zigbee与GPRS双向透明传输网关，zigbee网络上传输的数据经由网关传输至GPRS网络，并经IP网络传输至远程监控中心，监控中心通过分析传感器数据，确定监测区域是否可能发生泥石流地质灾害，并按照相关预案实施预警；
(4)标示部分zigbee节点物理坐标，作为参考节点，其他所有zigbee节点通过获取与参考节点相互通信的RSSI值，自动对各个节点进行物理定位，该定位算法由FPGA实现硬件加速；
(5)通过自动定位获取各个zigbee节点数据，并读取到节点相应传感器数据值，这些数据为离散值，采用双线性插值算法，生成监测数据分布式图像信息；
(6)路由器、协调器及网关系统需要单独设计太阳能电池供电系统；
(7)根据预警模型编写上位机软件，传感器网络采集到的数据传输至远程控制中心，控制中心发布监测任务，对数据进行分析处理，进而判断可能的泥石流地质灾害，发布预警。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee和GPRS网络的泥石流监测系统，其特征在于：所述步骤(1)具体是利用zigbee网络挂接大量传感器，形成一种独特的用于泥石流灾害监测的传感器网络。
3.根据权利要求2所述的一种基于ZigBee和GPRS网络的泥石流监测系统，其特征在于：所述步骤(2)具体是对原始的树形网络进行改进，形成双层树形网络，增强了数据传输的可靠性。
4.根据权利要求3所述的一种基于ZigBee和GPRS网络的泥石流监测系统，其特征在于：所述步骤(3)具体是研制zigbee/GPRS网关，使得数据在zigbee网络和GPRS网络之间实现双向透明传输。
5.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee和GPRS网络的泥石流监测系统，其特征在于：所述步骤(4)具体是通过基于RSSI的定位算法，实现大量非参考节点的物理位置自动标定。
6.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee和GPRS网络的泥石流监测系统，其特征在于：所述步骤(5)具体是采用双线性插值解决只能采集到离散数据的问题，从而实现监测区域分布式图像的生成。
7.根据权利要求6所述的一种基于ZigBee和GPRS网络的泥石流监测系统，其特征在于：所述步骤(6)具体是设计单独用于路由器、协调器和网关的太阳能供电系统，解决电池容量小的问题。
8.根据权利要求8所述的一种基于ZigBee和GPRS网络的泥石流监测系统，其特征在于：所述步骤(7)具体是编写专门用于泥石流灾害预警的上位机控制软件，实现发布检测任务及对采集到的监测数据进行分析以判断是否可能发生泥石流地质灾害并发布预警的功能。
9.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee和GPRS网络的泥石流监测系统，其特征在于：将zigbee网络和GPRS网络初步融合起来，为今后物联网的发展打下一定基础。
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