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土石流防災物聯網
第十二屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告

【作者: 林照峰】   2018年03月14日 星期三

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摘要

台灣身處於天然災害高風險區,近年來猛爆性的天災不斷,瞬間的強降雨帶來的災害更不計其數,舉凡淹水、河川水位暴漲、土石流等等都與強降雨有密切的關係,這些災害也造成了不少民眾生命財產的損失,而這類的災害預警系統僅是針對大範圍大區域所防範,無法針對個別的地區來做出防範與警示。因此以低成本使用者簡單方便安裝、維護容易、準確性高等方向為本系統開發主軸,小至個人居家大至整個鄉鎮甚至城市皆可運用的,具有物聯網功能的綜合型防災系統。


本系統可以安裝在土石流警戒區或接近山坡的住家,安裝於山坡地上的六軸位移感測器,當偵測到土石位移量異常超過標準值立即發出警報爭取逃生時間,以及利用本系統中雨量感測器偵測雨量數據,如果雨量超過豪雨標準立即發出提醒遠離河床地,當土石流警戒時土壤濕度感測器偵測到土壤中含水量接近飽和時便有土石流發生的危險,立即發出警告讓使用者增加逃生預備時間,使用者可以透過本系統迅速了解住家附近所有的危險,以便於災害發生時立即避難能夠爭取逃生的黃金時間,不需再等待廣播通知或是國軍撤離。


1. 前言

土石流所帶來的災害非常巨大,發生時總會造成許多危及到民眾性命安全及財產的損失,而我們必須耗費許多財力及物力才能阻止大自然現象所帶來的災害,而且在訊息傳遞不易的地區,更是難以通知居民撤離,雖然難以阻止這自然現象的發生,但我們可以加以預防及提早警示災害的出現。預先在高危險地區的山坡安裝感測器來觀測土壤中含水量及邊坡是否有滑動的跡象,並加入雨量量測,在有異常狀況發生時,即刻通知居住於危險警示區內的居民進行疏散,避免波及無辜,同時讓訊息不易接收地區的居民可透過這套系統更準確掌握邊坡土石的狀況,爭取更多黃金撤離時間。


利用盛群晶片(HT32F52352)做為系統的核心並融合土石流防災物聯網概念,搭配上土石流感測(MPU-6050)、土壤濕度感測器及雨量感測器,並將匯集到的所有資訊,透過LCD顯示、APP及語音警告來提醒使用者,且結合物聯網概念透過Zigbee來傳送所偵測到的資訊;在六軸位移感測器上的電源利用太陽能板來進行發電來做為土石流偵測器的電力來源,並且利用18650鋰電池作為儲存電力的媒介;利用單晶片控制,當平常無異常狀況發生時降低Zigbee回傳的次數達到省電的目的,而在有異常狀況發生時,如土壤含水量上升或有異常震動位移發生時便增加回傳的次數,而回傳至接收的使用者端,再經由藍芽將所有收到的訊息或是警告即時傳送至手機APP中,讓使用者可以更快獲得即時訊息,以防止土石流災害悲劇再次發生。



圖1 : 模擬示意圖
圖1 : 模擬示意圖

2. 工作原理

本系統採用HT32F52352作為主接收端、山坡傾斜感測與雨量感測之主要晶片,在主接收端使用了UART、GPIO、PWM、RTC等相關功能,主要透過UART連接ZIGBEE模組接收由山坡各個感測器所回傳資料,並利用MCU分析計算各項數據後使用LCD將即時資訊顯示在畫面中,並利用UART連接藍芽模組再將相關警告及資料傳送至手機APP中,而在LCD的部分利用GPIO並配合相對的控制位元方能進行資料的顯示,並搭配按鍵的輸入可切換顯示的畫面讓使用者可查看相關即時的資訊,此外由於降雨量與土壤溼度對於土石流的發生機率有密切的關係,藉由這幾項數據預測土石流發生的可能性,並且有別於一般在土石已經發生崩塌才警告的系統,本套系統更能在危險可能發生前提出警告並在LCD上顯示警訊外並利用PWM訊號驅動蜂鳴器發出連續性的警告聲來提醒使用者危險的發生。



圖2 : 主控版電路圖
圖2 : 主控版電路圖

在山坡傾斜感測端使用了ADC、UART與I2C等相關功能,利用MPU6050六軸加速度感測器測量山坡端即時的傾斜角度並利用I2C的介面與MCU進行溝通並取得XY軸的相關數據,而收集到的資訊有些許誤差與雜訊因此利用程式排除雜訊並轉換成方便系統解析的訊息,此外在土壤溼度感測的部分使用了ADC的功能,由於土壤在不同的濕度時電阻值也會也有所不同,藉此在探棒的一端加上電壓另一端利用ADC取得土壤濕度所產生的數值,進而分析,並可得到土壤的溼度數據,另外也使用分壓電阻的方式取得電池即時的電壓存量再藉由ADC轉換數據以便主接收端知曉感測器目前的電量狀態,而所有的數據利用UART介面連結到ZIGBEE模組並傳送回主接收端。



圖3 : 土石流感測電路圖
圖3 : 土石流感測電路圖

2.1 土石流感測器

我們主要是利用MPU-6050土石流感測器來偵測土石移動情況,當感測器偵測到土石有滑動情況,就會透過Zigbee對主控版傳輸訊號,主控版判斷為異常時,主控版會提出語音警示並在LCD上顯示,並同步藍芽傳送至手機APP上。


圖4 : MPU-6050示意圖
圖4 : MPU-6050示意圖
圖5 : MPU-6050腳位圖
圖5 : MPU-6050腳位圖

2.2 雨量感測器

在雨量的量測方面使用傾斗式雨量儀,這是目前計算雨量最方便有效的方式,並且精確度可達0.3mm~0.5mm,傾斗式雨量儀是利用簡單的機械原理方式運作,雨量儀中有兩個三角形的量測斗當一側的斗中接到2cc的水時即會傾斜使另一端的量測斗開始接水測量,並在兩斗中間安裝磁鐵,利用霍爾效應感測磁鐵是否通過感測器前,每當傾斜發生時磁鐵便會通過霍爾感測器(A3144E)一次雨量便累加0.3mm。


圖6 : A3144E霍爾感測器腳位圖
圖6 : A3144E霍爾感測器腳位圖

2.3 Zigbee與主控版傳遞

CC2530是一顆包含了8051及Zigbee傳輸模組的晶片,具有低功耗高效能的特性只需2.0V~3.6V便可驅動,且具有16個通信通道傳輸速率可達250Kbps,此晶片能夠有效的整合SOC與Zigbee之間的線路有利縮小且簡單化電路,並且成本低能夠有效的降低產品的價格讓市場容易接受。


圖7 : CC2530
圖7 : CC2530

2.4 供電系統

電力的方面首先利用太陽能發電並且選用18650 鋰電池作為儲存電力的媒介,因此款電池具有高穩定性、儲存能量密度高、無記憶效應、外觀簡單、方便更換等諸多的好處故選擇此款電池。並且搭配TP4056充電管理晶片,它具有周邊電路簡單、充電穩定且精確等優點並且可經由電路設定充電電流大小(0.1A~1A)。且主控端外部斷電後自動啟用內部備用電源之電路,電路主要功能在當停電或是不可抗力的斷電因素下扔可保持接收主控制端正常運作之設計,其設計利用兩路繼電器作為切換元件,其繼電器之控制信號為外部輸入電力,當電力輸入正常狀態下繼電器啟動,並使用外部電源對整體主控端系統供電並且同時利用充放電模組為電池進行充電,當外部電力中斷時繼電器控制電力信號隨之關閉,並讓繼電器跳脫至關閉端,隨之開始使用電池之電力對整體主控系統進行供電。


3. 作品架構


圖8 : 系統方塊圖
圖8 : 系統方塊圖

3.1 主接收端

接收端使用HT32F52352作為所有周邊的主控制晶片並搭配的相關的部件如:CC2530 ZIGBEE模組、藍芽模組HC-05、LCD顯示器LCD1602、蜂鳴器。



圖9 : 表1:主接收端零件表
圖9 : 表1:主接收端零件表

透過UART連接ZIGBEE模組接收由山坡各個感測器所回傳資料,而回傳的訊息包含相當多的資料因此特別使用一組編碼進行傳輸,資料中”!”為標頭緊接著是預先編制好的資料號碼接續是”#”為資料開始的標記,隨後即是要傳輸的資料,藉由此方法可傳輸多筆資料,並且錯誤率低。


而收到的各項數據交由MCU分析計算各項數據,其中因土壤的濕度、雨量與土石流的發生有著密切的關係,經由MUC計算分析兩個數值是否有過標準進而提出可能發生的機率,而LCD將即時資訊顯示在畫面中,並利用UART連接藍芽模組再將相關警告及資料傳送至手機APP中。


3.2 山坡傾斜感測端

傾斜感測端使用HT32F52352作為主要控制晶片並利用ADC負責將土壤濕度及電池電壓轉換,並利用I2C介面與MPU6050進行連線,UART介面負責與ZIGBEE CC2530模組連線。



圖10 : 表2:山坡傾斜感測端零件表
圖10 : 表2:山坡傾斜感測端零件表

利用I2C的介面與MPU6050進行溝通並利用六軸加速度感測器測量山坡即時的頃斜角度XY軸的相關數據,而在土壤濕度方面由於土壤在不同的濕度時電阻值也會也有所不同,藉此在探棒的一端加上電壓另一端利用ADC取得土壤濕度所產生的數值,進而分析並可得到土壤的溼度數據。


3.3 雨量感測端

雨量的量測採用傾斗式雨量筒的機械結構並且在傾斜斗上安裝磁鐵利用霍爾效應取得是否切換之訊號,其主要利用GPIO及UART之功能,利用霍爾感應器(A3144E)讀取切換訊號,每GPIO讀取到切換一次便累加0.3mm的雨量,將其獲得的資料再利用UART傳送至Zigbee模組將資料回傳至主控端進行分析。



圖11 : 表3:雨量感測零件表
圖11 : 表3:雨量感測零件表

3.4 流程圖


圖12 : 山坡感測端流程圖
圖12 : 山坡感測端流程圖

4. 測試方法

4.1 土石流感測器

將感測器安置在斜坡上並灑滿土石,檢測當以手動將數塊土石不定時及數量丟下時,是否正確偵測到位移量並是否可以透過主控版向手機傳遞訊號。


4.2 雨量感測器

利用針筒吸水,再將水滴入三角斗並計算滴入量,藉此得知每次頃斜發生時所需的水量。


4.3 土壤感測器

將偵測晶片埋入花盆中,並不定時定量情況下測試感測器偵測是否有偵測到土壤的含水量數值。將感測器部分安置在山坡後,在主控版上的LCD顯示器會顯示目前感測器所偵測到的土壤濕度、雨量及山坡位移……等資訊。主控版接收到資訊後會經由藍芽來與手機結合,手機APP上會顯示出接收到的訊號,讓使用者可以隨時掌控家裡附近所有可能會發生的災害,可以提早預警以免發生無可挽回的悲劇。


當雨量感測器或流速感測器感測到雨量或水流時,會立刻傳送訊號至主控版來判斷是否超過警戒值,如果主控版判斷超過警戒值會透過藍芽對手機APP提出警告並傳送警示音提醒使用者,而當山坡有異常土石滑動時感測器會立刻做出判斷是否有超過警戒值,如超過警戒值會將資訊顯示在LCD面板上,同時會傳送警告訊號。


5. 參考資料

1. 董勝源,"微處理機設計與實務邁向AMA中級與高級先進微控制器應用認證使用ARM Cortex-M3 ARMINNO之Holtek 32位元晶片附系統範例光碟 - 最新版",台科大,2014年3月。


2. 陳瓊興,“LabVIEW 2010與Zigbee 感測電路附多媒體教學光碟”,台科大,2011年9月。


3. 李泰成審校(Razavi),”類比CMOS積體電路設計(修訂版)(Razavi)” ,滄海圖書,2005。


4. 謝金龍等,”物聯網無線傳感器網絡技術與應用(Zigbee版)”,人民郵電出版社,2016/04/01。


5. 孫 棣,Zigbee開發手冊,全華圖書,2009/03/04。


6. 陳源林,HOLTEK 32-bit微控制器應用-C語言實例,全華圖書,2015/9/14。


7. 蔡朝洋、蔡承佑,單晶片微電腦8051/8951原理與應用(C語言),全華圖書,2010/8/20。


8. 曾俊杰,Zigbee無線網路中減少端到端延遲與延長網路生命期之網路結構優化技術,碩士淡江大學資訊工程學系碩士班,2016。


9. 許乃文撰,以Zigbee技術設計一套智慧家庭監測系統,碩士 國立高雄海洋科技大學微電子工程系暨研究所,2016。


10. 劉耀宇,土石流現地監測與地聲試驗分析,國立中央大學土木工程學系,2016。


11. 吳柏翰,土石流災害防救效能與搶救精進評估之研究,中華科技大學土木防災與管理碩士班,2013。


6. 附錄

圖13 : 部分程式碼
圖13 : 部分程式碼

(本文作者為亞東技術學院 林照峰教授、張詠儒、張鈜幃、石玉銓、李旻峰)


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