一種結(jié)合GPRS和ZigBee網(wǎng)絡的泥石流監(jiān)測及預警系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于一種地質(zhì)災害安全技術(shù)領域，具體是利用ZigBee和GPRS網(wǎng)絡技術(shù)實現(xiàn)的泥石流災情實時監(jiān)測及預警的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國是受泥石流危害最為嚴重的國家之一，建立完善的泥石流預警系統(tǒng)，使災害在形成初期得到預警，進而降低自然災害破壞力，保護人民的生命和財產(chǎn)安全已經(jīng)成為相關研究領域?qū)＜液蛯W者的共識。但泥石流發(fā)生的地點一般較為偏僻，電力供應缺乏，通信不便，給相關的監(jiān)測帶來巨大的挑戰(zhàn)。
[0003]由于ZigBee網(wǎng)絡的低功耗、低成本、高容量的特性，本項目提出一種基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡的監(jiān)測系統(tǒng)，旨在通過及時的預警來降低泥石流災害的破壞性，保護人民的生命和財產(chǎn)安全。系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)的雨量及地感遙測等方法的不足，能工作于人力難以到達的惡劣或者危險多變的環(huán)境，并能根據(jù)土壤參數(shù)的變化進行高效的泥石流預警，系統(tǒng)內(nèi)置的圖像壓縮算法可以將采集的圖像進行壓縮處理后通過GPRS傳輸給遠程控制終端，可以為災害發(fā)生后的救援提供實時有效的圖像信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明項目通過分析泥石流的形成機理和現(xiàn)階段監(jiān)測方法的不足，提出了一種基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡的泥石流監(jiān)測方案。該發(fā)明方案中，傳感器節(jié)點可掛接多種泥石流傳感器，傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關，然后由ARM設備初步處理，最后通過GPRS連接接入IP網(wǎng)絡，再傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)與管理中心進行儲存和處理，管理員則通過反向鏈路對傳感器網(wǎng)絡進行配置，發(fā)布監(jiān)測任務，收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。
[0005]當PC機接收到數(shù)據(jù)后，上位機軟件立即對數(shù)據(jù)進行處理分析，根據(jù)各個關鍵因子的臨界值，得出監(jiān)測泥石流的數(shù)據(jù)信息，達到監(jiān)測泥石流的效果，并在有災害危險時及時發(fā)出泥石流預警，并能由監(jiān)控人員實時開啟ARM設備處的圖像采集系統(tǒng)，經(jīng)過高效的圖像壓縮算法后，通過GPRS無線網(wǎng)絡將災害發(fā)生地點的圖像信息傳輸至上位機或者監(jiān)測中心。
[0006]如圖1所示為本發(fā)明所提出的基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡的泥石流監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種結(jié)合GPRS和ZigBee網(wǎng)絡的泥石流監(jiān)測及預警系統(tǒng)，其特征在于包括以下步驟:
[0009](I)在可能發(fā)生泥石流的地域，布置大量泥石流傳感器，采集環(huán)境中與泥石流相關的參數(shù)信息。這些傳感器掛接在zigbee網(wǎng)絡上，經(jīng)由zigbee網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制，組成zigbee傳感器網(wǎng)絡；
[0010](2)傳感器網(wǎng)絡采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)。為了加強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，對樹形網(wǎng)絡進行了改進，形成了獨特的雙層樹形網(wǎng)絡；
[0011](3)研制zigbee與GPRS雙向透明傳輸網(wǎng)關，zigbee網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)關傳輸至GPRS網(wǎng)絡，并經(jīng)IP網(wǎng)絡傳輸至遠程監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過分析傳感器數(shù)據(jù)，確定監(jiān)測區(qū)域是否可能發(fā)生泥石流地質(zhì)災害，并按照相關預案實施預警；
[0012](4)標示部分zigbee節(jié)點物理坐標，作為參考節(jié)點。其他所有zigbee節(jié)點通過獲取與參考節(jié)點相互通信的RSSI值，自動對各個節(jié)點進行物理定位。該定位算法由FPGA實現(xiàn)硬件加速。
[0013](5)通過自動定位獲取各個zigbee節(jié)點數(shù)據(jù)，并讀取到節(jié)點相應傳感器數(shù)據(jù)值，這些數(shù)據(jù)為離散值，采用雙線性插值算法，生成監(jiān)測數(shù)據(jù)分布式圖像信息。
[0014](6)路由器、協(xié)調(diào)器及網(wǎng)關系統(tǒng)需要單獨設計太陽能電池供電系統(tǒng)。
[0015](7)根據(jù)預警模型編寫上位機軟件。傳感器網(wǎng)絡采集到的數(shù)據(jù)傳輸至遠程控制中心，控制中心發(fā)布監(jiān)測任務，對數(shù)據(jù)進行分析處理，進而判斷可能的泥石流地質(zhì)災害，發(fā)布預警。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖2為本發(fā)明模塊化網(wǎng)關設計結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖3為本發(fā)明電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖4為本發(fā)明上位機軟件結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0020]一種結(jié)合GPRS和ZigBee網(wǎng)絡的泥石流監(jiān)測及預警系統(tǒng)，包括以下步驟:
[0021](I)在可能發(fā)生泥石流的地域，布置大量泥石流傳感器，采集環(huán)境中與泥石流相關的參數(shù)信息。這些傳感器掛接在zigbee網(wǎng)絡上，經(jīng)由zigbee網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制，組成zigbee傳感器網(wǎng)絡。
[0022]傳感器節(jié)點主要掛接在zigbee終端上，終端數(shù)據(jù)經(jīng)由路由器傳輸至協(xié)調(diào)器，通過zigbee/GPRS關進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，最終通過GPRS網(wǎng)絡傳輸至遠程控制中心。同時，遠程控制中心可以通過反向鏈路向zigbee網(wǎng)絡傳輸命令，發(fā)布檢測任務。
[0023](2)傳感器網(wǎng)絡采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)。為了加強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，對樹形網(wǎng)絡進行了改進，形成了獨特的雙層樹形網(wǎng)絡。
[0024]數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡拓撲一般分為星形、樹形和網(wǎng)狀形。星形網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，便于建網(wǎng)和管理，網(wǎng)絡延遲時間較小，傳輸誤差較低，但是成本高、可靠性較低、資源共享能力較差。網(wǎng)狀網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性高，容錯能力強。但是安裝復雜、不經(jīng)濟，只有每個站點都要頻繁發(fā)送信息時才使用這種方法。
[0025]樹形結(jié)構(gòu)是分級的集中控制式網(wǎng)絡，一定程度上綜合了星形網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)的優(yōu)點，但除了葉節(jié)點及其相連的線路外，任一節(jié)點或其相連的線路故障也會使系統(tǒng)受到一定影響。
[0026]為了克服數(shù)據(jù)傳輸可靠性不足的特點，采用雙層樹形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，任一鏈路至少有兩條物理連接，保證了所有節(jié)點和鏈路的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。
[0027](3)研制zigbee與GPRS雙向透明傳輸網(wǎng)關，zigbee網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)由網(wǎng)關傳輸至GPRS網(wǎng)絡，并經(jīng)IP網(wǎng)絡傳輸至遠程監(jiān)控中心。監(jiān)控中心通過分析傳感器數(shù)據(jù)，確定監(jiān)測區(qū)域是否可能發(fā)生泥石流地質(zhì)災害，并按照相關預案實施預警。
[0028]由于ZigBee網(wǎng)絡的有效通訊范圍一般為10?300m，僅適合較小區(qū)域的組網(wǎng)互連，及時通過一定的擴展技術(shù)，也不能進行遠距離的通信。因此，在泥石流檢測系統(tǒng)中，ZigBee網(wǎng)絡僅僅用于采集監(jiān)測區(qū)域的各種相關信息參數(shù)，而將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C及遠程監(jiān)控中心的任務則由GPRS網(wǎng)絡完成。
[0029]GPRS (通用分組無線服務)是一整套基于全球移動通信系統(tǒng)GSM的包模式通信服務，GPRS用戶以有效利用GSM網(wǎng)絡的非接入方式實現(xiàn)低成本通信，實現(xiàn)高速遠距離通信。
[0030]ZigBee網(wǎng)關為ZigBee網(wǎng)絡的一部分，節(jié)點類型為中心節(jié)點，在整個無線網(wǎng)絡中具有唯一性，所有無線節(jié)點數(shù)據(jù)均發(fā)送給網(wǎng)關，并由其進行地址、協(xié)議轉(zhuǎn)換后發(fā)送給GPRS。反之，GPRS數(shù)據(jù)也需由網(wǎng)關進行地址、協(xié)議轉(zhuǎn)換后，才發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡?？偟膩碚f，ZigBee網(wǎng)關是ZigBee無線網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換的