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土石流防灾物联网
第十二届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告

【作者: 林照峰】2018年03月14日 星期三

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摘要

台湾身处於天然灾害高风险区,近年来猛爆性的天灾不断,瞬间的强降雨带来的灾害更不计其数,举凡淹水、河川水位暴涨、土石流等等都与强降雨有密切的关系,这些灾害也造成了不少民众生命财产的损失,而这类的灾害预警系统仅是针对大范围大区域所防范,无法针对个别的地区来做出防范与警示。因此以低成本使用者简单方便安装、维护容易、准确性高等方向为本系统开发主轴,小至个人居家大至整个乡镇甚至城市皆可运用的,具有物联网功能的综合型防灾系统。


本系统可以安装在土石流警戒区或接近山坡的住家,安装於山坡地上的六轴位移感测器,当侦测到土石位移量异常超过标准值立即发出警报争取逃生时间,以及利用本系统中雨量感测器侦测雨量数据,如果雨量超过豪雨标准立即发出提醒远离河床地,当土石流警戒时土壤湿度感测器侦测到土壤中含水量接近饱和时便有土石流发生的危险,立即发出警告让使用者增加逃生预备时间,使用者可以透过本系统迅速了解住家附近所有的危险,以便於灾害发生时立即避难能够争取逃生的黄金时间,不需再等待广播通知或是国军撤离。


1. 前言

土石流所带来的灾害非常巨大,发生时总会造成许多危及到民众性命安全及财产的损失,而我们必须耗费许多财力及物力才能阻止大自然现象所带来的灾害,而且在讯息传递不易的地区,更是难以通知居民撤离,虽然难以阻止这自然现象的发生,但我们可以加以预防及提早警示灾害的出现。预先在高危险地区的山坡安装感测器来观测土壤中含水量及边坡是否有滑动的迹象,并加入雨量量测,在有异常状况发生时,即刻通知居住於危险警示区内的居民进行疏散,避免波及无辜,同时让讯息不易接收地区的居民可透过这套系统更准确掌握边坡土石的状况,争取更多黄金撤离时间。


利用盛群晶片(HT32F52352)做为系统的核心并融合土石流防灾物联网概念,搭配上土石流感测(MPU-6050)、土壤湿度感测器及雨量感测器,并将汇集到的所有资讯,透过LCD显示、APP及语音警告来提醒使用者,且结合物联网概念透过Zigbee来传送所侦测到的资讯;在六轴位移感测器上的电源利用太阳能板来进行发电来做为土石流侦测器的电力来源,并且利用18650锂电池作为储存电力的媒介;利用单晶片控制,当平常无异常状况发生时降低Zigbee回传的次数达到省电的目的,而在有异常状况发生时,如土壤含水量上升或有异常震动位移发生时便增加回传的次数,而回传至接收的使用者端,再经由蓝芽将所有收到的讯息或是警告即时传送至手机APP中,让使用者可以更快获得即时讯息,以防止土石流灾害悲剧再次发生。



图1 : 模拟示意图
图1 : 模拟示意图

2. 工作原理

本系统采用HT32F52352作为主接收端、山坡倾斜感测与雨量感测之主要晶片,在主接收端使用了UART、GPIO、PWM、RTC等相关功能,主要透过UART连接ZIGBEE模组接收由山坡各个感测器所回传资料,并利用MCU分析计算各项数据後使用LCD将即时资讯显示在画面中,并利用UART连接蓝芽模组再将相关警告及资料传送至手机APP中,而在LCD的部分利用GPIO并配合相对的控制位元方能进行资料的显示,并搭配按键的输入可切换显示的画面让使用者可查看相关即时的资讯,此外由於降雨量与土壤湿度对於土石流的发生机率有密切的关系,藉由这几项数据预测土石流发生的可能性,并且有别於一般在土石已经发生崩塌才警告的系统,本套系统更能在危险可能发生前提出警告并在LCD上显示警讯外并利用PWM讯号驱动蜂呜器发出连续性的警告声来提醒使用者危险的发生。



图2 : 主控版电路图
图2 : 主控版电路图

在山坡倾斜感测端使用了ADC、UART与I2C等相关功能,利用MPU6050六轴加速度感测器测量山坡端即时的倾斜角度并利用I2C的介面与MCU进行沟通并取得XY轴的相关数据,而收集到的资讯有些许误差与杂讯因此利用程式排除杂讯并转换成方便系统解析的讯息,此外在土壤湿度感测的部分使用了ADC的功能,由於土壤在不同的湿度时电阻值也会也有所不同,藉此在探棒的一端加上电压另一端利用ADC取得土壤湿度所产生的数值,进而分析,并可得到土壤的湿度数据,另外也使用分压电阻的方式取得电池即时的电压存量再藉由ADC转换数据以便主接收端知晓感测器目前的电量状态,而所有的数据利用UART介面连结到ZIGBEE模组并传送回主接收端。



图3 : 土石流感测电路图
图3 : 土石流感测电路图

2.1 土石流感测器

我们主要是利用MPU-6050土石流感测器来侦测土石移动情况,当感测器侦测到土石有滑动情况,就会透过Zigbee对主控版传输讯号,主控版判断为异常时,主控版会提出语音警示并在LCD上显示,并同步蓝芽传送至手机APP上。


图4 : MPU-6050示意图
图4 : MPU-6050示意图
图5 : MPU-6050脚位图
图5 : MPU-6050脚位图

2.2 雨量感测器

在雨量的量测方面使用倾斗式雨量仪,这是目前计算雨量最方便有效的方式,并且精确度可达0.3mm~0.5mm,倾斗式雨量仪是利用简单的机械原理方式运作,雨量仪中有两个三角形的量测斗当一侧的斗中接到2cc的水时即会倾斜使另一端的量测斗开始接水测量,并在两斗中间安装磁铁,利用霍尔效应感测磁铁是否通过感测器前,每当倾斜发生时磁铁便会通过霍尔感测器(A3144E)一次雨量便累加0.3mm。


图6 : A3144E霍尔感测器脚位图
图6 : A3144E霍尔感测器脚位图

2.3 Zigbee与主控版传递

CC2530是一颗包含了8051及Zigbee传输模组的晶片,具有低功耗高效能的特性只需2.0V~3.6V便可驱动,且具有16个通信通道传输速率可达250Kbps,此晶片能够有效的整合SOC与Zigbee之间的线路有利缩小且简单化电路,并且成本低能够有效的降低产品的价格让市场容易接受。


图7 : CC2530
图7 : CC2530

2.4 供电系统

电力的方面首先利用太阳能发电并且选用18650 锂电池作为储存电力的媒介,因此款电池具有高稳定性、储存能量密度高、无记忆效应、外观简单、方便更换等诸多的好处故选择此款电池。并且搭配TP4056充电管理晶片,它具有周边电路简单、充电稳定且精确等优点并且可经由电路设定充电电流大小(0.1A~1A)。且主控端外部断电後自动启用内部备用电源之电路,电路主要功能在当停电或是不可抗力的断电因素下扔可保持接收主控制端正常运作之设计,其设计利用两路继电器作为切换元件,其继电器之控制信号为外部输入电力,当电力输入正常状态下继电器启动,并使用外部电源对整体主控端系统供电并且同时利用充放电模组为电池进行充电,当外部电力中断时继电器控制电力信号随之关闭,并让继电器跳脱至关闭端,随之开始使用电池之电力对整体主控系统进行供电。


3. 作品架构


图8 : 系统方块图
图8 : 系统方块图

3.1 主接收端

接收端使用HT32F52352作为所有周边的主控制晶片并搭配的相关的部件如:CC2530 ZIGBEE模组、蓝芽模组HC-05、LCD显示器LCD1602、蜂呜器。



图9 : 表1:主接收端零件表
图9 : 表1:主接收端零件表

透过UART连接ZIGBEE模组接收由山坡各个感测器所回传资料,而回传的讯息包含相当多的资料因此特别使用一组编码进行传输,资料中”!”为标头紧接着是预先编制好的资料号码接续是”#”为资料开始的标记,随後即是要传输的资料,藉由此方法可传输多笔资料,并且错误率低。


而收到的各项数据交由MCU分析计算各项数据,其中因土壤的湿度、雨量与土石流的发生有着密切的关系,经由MUC计算分析两个数值是否有过标准进而提出可能发生的机率,而LCD将即时资讯显示在画面中,并利用UART连接蓝芽模组再将相关警告及资料传送至手机APP中。


3.2 山坡倾斜感测端

倾斜感测端使用HT32F52352作为主要控制晶片并利用ADC负责将土壤湿度及电池电压转换,并利用I2C介面与MPU6050进行连线,UART介面负责与ZIGBEE CC2530模组连线。



图10 : 表2:山坡倾斜感测端零件表
图10 : 表2:山坡倾斜感测端零件表

利用I2C的介面与MPU6050进行沟通并利用六轴加速度感测器测量山坡即时的顷斜角度XY轴的相关数据,而在土壤湿度方面由於土壤在不同的湿度时电阻值也会也有所不同,藉此在探棒的一端加上电压另一端利用ADC取得土壤湿度所产生的数值,进而分析并可得到土壤的湿度数据。


3.3 雨量感测端

雨量的量测采用倾斗式雨量筒的机械结构并且在倾斜斗上安装磁铁利用霍尔效应取得是否切换之讯号,其主要利用GPIO及UART之功能,利用霍尔感应器(A3144E)读取切换讯号,每GPIO读取到切换一次便累加0.3mm的雨量,将其获得的资料再利用UART传送至Zigbee模组将资料回传至主控端进行分析。



图11 : 表3:雨量感测零件表
图11 : 表3:雨量感测零件表

3.4 流程图


图12 : 山坡感测端流程图
图12 : 山坡感测端流程图

4. 测试方法

4.1 土石流感测器

将感测器安置在斜坡上并洒满土石,检测当以手动将数块土石不定时及数量丢下时,是否正确侦测到位移量并是否可以透过主控版向手机传递讯号。


4.2 雨量感测器

利用针筒吸水,再将水滴入三角斗并计算滴入量,藉此得知每次顷斜发生时所需的水量。


4.3 土壤感测器

将侦测晶片埋入花盆中,并不定时定量情况下测试感测器侦测是否有侦测到土壤的含水量数值。将感测器部分安置在山坡後,在主控版上的LCD显示器会显示目前感测器所侦测到的土壤湿度、雨量及山坡位移……等资讯。主控版接收到资讯後会经由蓝芽来与手机结合,手机APP上会显示出接收到的讯号,让使用者可以随时掌控家里附近所有可能会发生的灾害,可以提早预警以免发生无可挽回的悲剧。


当雨量感测器或流速感测器感测到雨量或水流时,会立刻传送讯号至主控版来判断是否超过警戒值,如果主控版判断超过警戒值会透过蓝芽对手机APP提出警告并传送警示音提醒使用者,而当山坡有异常土石滑动时感测器会立刻做出判断是否有超过警戒值,如超过警戒值会将资讯显示在LCD面板上,同时会传送警告讯号。


5. 叁考资料

1. 董胜源,"微处理机设计与实务迈向AMA中级与高级先进微控制器应用认证使用ARM Cortex-M3 ARMINNO之Holtek 32位元晶片附系统范例光碟 - 最新版",台科大,2014年3月。


2. 陈琼兴,“LabVIEW 2010与Zigbee 感测电路附多媒体教学光碟”,台科大,2011年9月。


3. 李泰成审校(Razavi),”类比CMOS积体电路设计(修订版)(Razavi)” ,沧海图书,2005。


4. 谢金龙等,”物联网无线传感器网络技术与应用(Zigbee版)”,人民邮电出版社,2016/04/01。


5. 孙 棣,Zigbee开发手册,全华图书,2009/03/04。


6. 陈源林,HOLTEK 32━bit微控制器应用━C语言实例,全华图书,2015/9/14。


7. 蔡朝洋、蔡承佑,单晶片微电脑8051/8951原理与应用(C语言),全华图书,2010/8/20。


8. 曾俊杰,Zigbee无线网路中减少端到端延迟与延长网路生命期之网路结构优化技术,硕士淡江大学资讯工程学系硕士班,2016。


9. 许乃文撰,以Zigbee技术设计一套智慧家庭监测系统,硕士 国立高雄海洋科技大学微电子工程系暨研究所,2016。


10. 刘耀宇,土石流现地监测与地声试验分析,国立中央大学土木工程学系,2016。


11. 吴柏翰,土石流灾害防救效能与抢救精进评估之研究,中华科技大学土木防灾与管理硕士班,2013。


(本文作者为亚东技术学院 林照峰教授、张咏儒、张??帏、石玉铨、李毖峰)


6. 附录

图13 : 部分程式码
图13 : 部分程式码
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