马玉昆

基于OneNET云平台的山体滑坡监测预警系统设计

马玉昆;杨延宁;徐陈帅;朱鹏

【摘要】为了实现对山体滑坡的监测和预警,保障民众生命安全和财产安全,设计了

一种基于OneNET云平台的山体滑坡监测预警系统.利用MSP430G2553作为采

集点电路控制芯片,控制土壤湿度、山体倾角及山体动量等传感器采集数据,并通过

ZigBee通信技术将采集数据发送给STM32F103C8T6主控电路,随后由SIM800C

联网模块发送至OneNET云平台.该系统利用物联网和ZigBee通信技术,进行远距

离数据采集和监测,对多个数据进行融合得出山体滑坡危险系数,进而实现山体滑坡

的监测和预警.通过模型的实验结果设定危险系数,危险系数在75％时发出预警信号,

危险系数达到100％时检测到发生滑坡,发出报警信号可在5秒内到达OneNET云

平台.结果表明,该系统稳定、报警及时、可靠,可有效应用于山体滑坡事故多发地段.

【期刊名称】《电子设计工程》

【年(卷),期】2019(027)014

【总页数】5页(P92-96)

【关键词】物联网;ZigBee;山体滑坡;预警

【作者】马玉昆;杨延宁;徐陈帅;朱鹏

【作者单位】延安大学物理与电子信息学院,陕西延安716000;延安大学物理与电

子信息学院,陕西延安716000;延安大学物理与电子信息学院,陕西延安716000;延

安大学物理与电子信息学院,陕西延安716000

【正文语种】中文

【中图分类】TN98

近些年以来，大规模的山体滑坡事件频发，如2013年7.10四川都江堰三溪村高

位山体滑坡[1]、2015年8.12山阳县山体滑坡、2017年6.24茂县山体滑坡等。

山体滑坡主要形成原因有降雨，人工开采及地质运动等[2-3]，会引起房屋倒塌、

道路堵塞等灾情，严重威胁到人民的人身和财产安全。由于山体滑坡预警这一问题

在国内的研究起步比较晚[4]，现在还没有可应用的大规模产品，与山体滑坡监测

预警有关的研究成果有如下几个方面：1）统计降雨量，利用降雨量数值的大小，

对是否会发生山体滑坡等自然险情做出判断。2）基于ZigBee无线通信技术和倾

角传感器的倾角检测装置[5]，这个检测装置将采集的倾角信号通过ZigBee方式

无线发送至上位机进行数据分析处理[6]。3）利用高精密的检测设备，对土壤黏度、

含水量等一系列参数检测。但是这些检测设备价格比较高，数据采集单一，不能做

到广泛应用。基于以上的问题，论文研究并设计了一种基于OneNET物联网云平

台的山体滑坡监测预警系统[7]。

1设计方案

为了实现基于OneNET物联网云平台的山体滑坡监测预警系统的功能[8-9]，数据

共分采集、传输及处理3个部分。数据采集模块由土壤湿度传感器、空气温湿度

传感器、山体倾角测量传感器、山体运动量检测传感器以及电池电量管理模块构成。

系统总体框图如图1所示。

图1系统总体框图

整套系统工作原理为：通过土壤湿度、空气温湿度、电量采集、山体倾角及山体运

动量传感器采集最底层数据，采集的数据输入到MSP430G2553微处理器中，

MSP430G2553微处理器对采集到的数据进行简单的分析和处理，随后将各个传

感器采集的数据打包并通过ZigBee1发送到由ZigBee2和STM32F103C8T6微

处理器组成的主控电路[10-11]。STM32F103C8T6对各个子节点MSP430G2553

发来的数据拆包分析，将每一个点的各个数据一一分开，并以GPRS网络报文的

方式打包，发送到OneNet云端中。保存在云端的数据可以通过网页Web和手机

APP等方式显示给用户。

2硬件电路设计

2.1采集点硬件电路设计

主控制器采用STM32F103C8T6，它是一款高性能的MPU，其内置两个UART

通信串口，适合于此次设计数据的接收和发送。为了对采集的数据进行处理和分析，

选用MSP430G2553微处理器做采集点控制芯片，MSP430系列是超低功耗混合

信号微控制器，可以通过程序进入睡眠模式，非常适合此次设计野外的低功耗设计。

本系统采集点电源采用一节14500可充电电池，并通过一块5V、2.5W的太阳

能电板为其充电。其中，TP4056的外围器件少、设计简单且满足充电和充电保护

的基本要求（当电池的电压达到4.2V时即自动停止充电，当电池的电压低于3.7

V时再次进行充电），采集点电源电路如图2所示。

图2采集点电源电路原理图

图2中VSUN为太阳能电板的5V输出，而在该芯片的第5管脚为电池的输入，

在TEMP引脚可以接入NTC或PTC热敏电阻实现过热保护，由于该装置使用环

境在阴凉处所以温度的影响已不做考虑。CHRG和STDBY为充电指示灯，为了降

低功耗而将其省去，PROG为充电电流控制引脚。充电电流与其相应的RPROG

的对应关系如表1所示。

表1充电电流与RPROG的关系RPROG/KIBAT/mA3054321.661.51.33

1.2500

本系统中采用Si7021温湿度传感器模块，此传感器模块体积小，故可方便地将其

嵌入很多高集成的环境中；该传感器的精度高，其精度可达±0.4℃和±3%RH；此

模块还有毫秒级的测量转换时间，即启动测量与读取数据之间无需等待，方便集成

测试。该模块的工作电压可在1.9～3.6V内，待机电流为60nA，宽的温度测量

范围（-40～85℃）和湿度测量范围（0～100%RH）。系统中除了有温湿度传感

器模块还有电池电压采集电路模块，此模块可以显示当前系统电池的剩余电量。

在对土壤层进行数据采集时，由于长时间在地下工作，因此在选择器件时，还需考

虑器件的抗干扰性和稳定性。地下的环境比较恶劣，故在空气中使用的传感器不能

再使用于土壤层中。根据以上分析，最终选用电阻式传感器，即土壤中的水分发生

改变时传感器电阻也将发生相应变化。在实际应用中该传感器可以插入土壤层中，

对土壤中的数据进行实时的采集。只需要测量该传感器的电阻值即可知道该土壤中

的含水量。本次的探讨中，通过AD采样，得到该传感器上面的分压，最后得出相

应的电阻与含水量的关系。

土壤数据中还需采集山体倾角值，用山体的倾斜度是否发生变化来判断山体是否发

生运动。倾角传感器使用的是ADXL345，其是一种具有SPI和I2C数字输出功能

的三轴加速器，静止时可以用来测量角度。山体滑坡检测预警系统采集点总电路原

理图如图3所示。

图3采集点总电路原理图

山体滑坡检测预警系统采集点电路由MSP430G2553微处理器作为主控芯片，控

制空气温湿度、土壤浓度、电量管理、山体倾角、山体动量及ZigBee1信息传输

模块。采集点采集的数据通过ZigBee1发送至STM32F103C8T6主控电路的

ZigBee2中，随后通过SIM800C联网模块发送至OneNET云端。

2.2STM32F103C8T6主控电路设计

SIM800C与STM32F103C8T6之间的通信协为UART串口通信，SIM800C的发

送端口TXD和接收端口RXD分别与STM32F103C8T6的接收端口RXD（PA3）

和发送端口TXD（PA2）相连接，如图4所示。STM32F103C8T6通过串口发送

AT命令来控制SIM800C模块如何工作。

3软件设计

图4STM32F103C8T6主控电路

STM32F103C8T6微处理器主要功能是接收各子节点ZigBee1发来的数据，并对

数据进行拆包分类，然后结合网络报文，发送至互联网云端[12]。

首先，微处理器上电后对时钟、UART等模块进行初始化。然后，程序将在

UART2接收中断处进行等待，一旦有数据传入时，程序将立即进入UART2中断

子程序中。子程序中对接收到的数据进行分类，首先判断是哪一个子节点发送的数

据，随后对数据进行位合并，分类放在不同的字符串当中。

随后结合设备ID、GSM模块协议以及数据进行网络报文的打包，实现与云平台

的连接。网络报文主要为设备ID、数据流名称、数据几个部分。主控处理器工作

流程图如图5所示。

图5主控微处理器工作流程图

MSP430G2553微处理器的主要功能是进行数据采集，然后将采集到的数据通过

ZigBee1发送到STM32F103C8T6主控电路中[13]。

程序循环在传感器数据采集中，每个循环结束后，对所有采集到的数据进行打包处

理。空气温湿度传感器和倾角传感器均为I2C通信协议下的，只需软件写出I2C

的读取程序，读取数值即可。而土壤湿度和电量检测为电压采集，配置ADC电压

采集程序即可。

将采集到的所有数据进行打包，报文内容具体如下：第一位为报头FE，第二位为

报文长度，第五、六位为发送端ZigBee1的地址，第七、八位为空气的温度，第

九、十位为空气的湿度，第十一、十二、十三位为倾角，第二十位为标志警告位，

第二十一、二十二位为土壤湿度，第二十三、二十四、二十五位为系统电量，第二

十六位为报尾FF。采集点数据流程图如图6所示。

图6采集点微处理器工作流程图

数据处理模块主要的步骤是：主处理器将各采集点ZigBee1传输回来的数据存储

20次，然后用均值滤波算法得到相对稳定的山体监测数据，以防止由于系统误差

产生的误报现象。设置危险系数，山体倾角的变化和土壤含水量是决定危险系数的

大小。最后，通过阈值算法对危险值进行分析，判断是否会发生滑坡。数据处理流

程图如图7所示。

图7数据处理流程图

预警功能是指主处理器在通过对各采集点数据综合分析后，得出一个危险系数，当

危险系数达到阈值时，物联网平台可以通过之前的设定，对预存手机号发送短信，

达到预警的功能[14]。

危险系数初始值为0，不同土壤环境下危险系数值的变化不同，危险系数主要受山

体斜率及土壤含水量的影响。通过在黄土高原模型中的实验数据得知，当危险系数

大于75%时，将发出预警信号。

首先在物联网平台功能配置时加入接收预警的手机号码，当平台自己检测的危险值

超过阈值时，自动对预存手机发送预警短信。具体流程图如图8所示。

图8预警模块流程图

4系统调试结果

通过调试后，山体滑坡预警系统可以正常工作。首先在卡槽中插入SIM卡；其次，

接通电源使主控电路通电；然后给各个采集点电路通电，此时各个采集点通过

ZigBee1会不断的给主控电路发送数据，主控电路会将各个采集点的数据汇总并

发送到云端中。

网络搜索中国移动OneNET并进入，选择山体滑坡监测预警系统即可进入物联网

云平台[15-20]。从图中可以看到上下共十个表盘，分别代表采集点一和采集点二

两组数据。从左到右分别为空气温度、湿度、土壤含水量、电池电量以及危险系数，

系统采集到的数据实时传入云平台。用户可通过网页、手机APP随时查看，无需

登录、注册，快捷方便。整体的效果如图9所示。

图9监测界面图

5结论

基于OneNET云平台山体滑坡监测预警系统，可以满足野外环境下24小时不间

断工作要求。采集到的数据由ZigBee模块汇总到主控电路，最后通过SIM模块

将数据上传到OneNET物联网云平台。在云平台网页端中可以随时查看各山体监

测点的实时数据，同时也可以与手机APP关联，任何人随时随地都可查看监测数

据。当发生险情时，系统可以通过短信的方式发出警报。整个系统成本低，时效性

好，使用方便。

参考文献:

【相关文献】

[1]殷志强，徐永强，赵无忌.四川都江堰三溪村“7·10”高位山体滑坡研究[J].工程地质学报，2014，

22（2）:309-318.

[2]苏富彬.山体滑坡的成因分析及防治研究[J].资源信息与工程，2018，33（2）:169-170.

[3]李甜，李正媛，樊俊屹，等.降雨对滑坡的影响与基于ANSYS的滑坡数值模拟研究[J].大地测量

与地球动力学，2017，37（1）:106-110.

[4]周航，刘乐军，王东亮，等.滑坡监测系统在北长山岛山后村山体滑坡监测中的应用[J].海洋学报，

2016，38（1）:124-132.

[5]徐建，刘三军.基于Zigbee技术的山体滑坡监测系统设计[J].湖北民族学院学报:自然科学版，

2015，33（2）:197-199.

[6]宋禹辰，单正阳，马唯佳，等.山体滑坡远程无线GPRS监测报警系统[J].辽宁科技大学学报，

2015（6）:457-462.

[7]陈炜峰，席万强，周峰，等.基于物联网技术的山体滑坡监测及预警系统设计[J].电子器件，2014，

37（2）:279-282.

[8]王鲁琦.谈基于物联网技术的山体滑坡监测预警系统[J].山西建筑，2015，41（10）:50-52.

[9]王成良.基于物联网技术的额河生态淹灌监测系统[J].中国水运（下半月），2018（4）:182-183.

[10]周海鸿，周嘉奉.基于ZigBee技术的温湿度监测系统[J].国外电子测量技术，2015，34

（7）:75-79.

[11]曹炯清.基于IEEE802.15.4无线传感器网络的山体滑坡检测系统[J].电脑知识与技术，2009

（8）:1817-1819.

[12]陈庆惠，郭福燕.一种基于物联网的智能家居系统设计[J].电子技术与软件工程，2018（7）:53-

54.

[13]朱望纯，庞少东.一种基于Zigbee与GPS山体滑坡监测系统开发[J].计算机测量与控制，2014，

22（9）:2779-2780.

[14]蔡清礼，王国民，陈劲斌.汶川“4·8”龙溪乡阿尔村山体滑坡灾害成功应对经验及启示[J].中国

减灾，2018（13）:50-53.

[15]陈尔奎，张敏，尹晓钢，等.基于OneNET的矿山综合监控系统的研究[J].煤炭技术，2017，

36（9）:195-197.

[16]王小宁，魏圆圆，王儒敬.基于OneNET平台的智能设备的数据获取与显示[J].仪表技术，2018

（8）:1-4.

[17]张华.物联网异常节点定位方法的改进[J].西安工程大学学报，2017（2）：749-756.

[18]牟萍.云技术及物联网在高校公共资源管理中的应用[J].重庆师范大学学报（自然科学版），

2017（3）:96-102.

[19]王国春，杨健.基于现状分析的智能用电技术发展趋势研究[J].陕西电力，2016（12）:49-51，

61.

[20]郑琳子，张莉.基于云服务和物联网访控技术的智能电缆井盖研究[J].智慧电力，2017

（8）:103-105，110.