一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的滑坡監測系統設計

引 言
隨著(zhù)三峽庫區儲水，誘發(fā)沿江兩岸發(fā)生重大滑坡災害的概率增加，有關(guān)三峽庫區滑坡災害問(wèn)題已經(jīng)引起有關(guān)部門(mén)和社會(huì )的廣泛關(guān)注。針對危巖、塌方、滑坡、地面沉降、地裂縫、泥石流，甚至地震等地質(zhì)災害問(wèn)題，傳統的方法是人工監測，通過(guò)攜帶監測儀器現場(chǎng)測試的方式對異動(dòng)信號進(jìn)行收集，獲取地質(zhì)災害發(fā)生前的相關(guān)信息。但是，由于地質(zhì)災害發(fā)生的偶然性，以及三峽庫區部分地區惡劣的地形環(huán)境等因素，傳統的人工監測方式無(wú)法有效把災害防患于未然。因此，建立實(shí)時(shí)的自動(dòng)化監測預警系統是必然的發(fā)展趨勢。
目前在巫山縣多個(gè)滑坡地帶的實(shí)時(shí)監測系統中，普遍采用基于鉆孔傾斜儀深部位移監測、GPS表變形監測。傳感器和儀器設備檢測的信號，目前都采用線(xiàn)纜或者GPRS通信的方式匯集到中心計算機上，采用線(xiàn)纜的方式有明顯的弊端，除了在危險地帶不易布線(xiàn)，施工接續困難外，還易被人為破壞，容易受到自然災害的破壞性影響。采用GPRS通信的方式也有其技術(shù)上的局限性，并且在庫區一些偏遠地區和山區，信號較弱，甚至收索不到信號，因而無(wú)法建立有效的GPRS自動(dòng)監測網(wǎng)絡(luò )。
采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)技術(shù)實(shí)現庫區特殊地段地質(zhì)災害的實(shí)時(shí)監測應該是一種技術(shù)上先進(jìn)，適宜庫區地貌特征的有效嘗試。由于WSN本身的冗余性、無(wú)線(xiàn)性、網(wǎng)絡(luò )的自組織性，而具有較強的抗破壞能力，因而可以在基礎通信設施可能被毀壞的情況下，完成一定的通信任務(wù)。因此，把無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用到長(cháng)江三峽庫區特殊地帶的滑坡災害監測預警中，利用各種傳感器實(shí)時(shí)采集信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式將信息傳輸給控制中心，能夠解決布設有線(xiàn)監測系統的缺陷，而且適用于GMS網(wǎng)絡(luò )信號無(wú)法覆蓋的偏遠山區滑坡災害監測。

1 適合于滑坡監測無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統設計
1．1 監測預警系統的總體結構
在大范圍監控、預警的基礎上，以局域網(wǎng)為研究平臺，主要致力于數據采集和發(fā)送的有效性及處理上的精確性，監測預警系統的總體結構如圖1所示，可分為2個(gè)部分：上層的監控中心和下層的監控基站。監控基站和監控中心通過(guò)以太網(wǎng)連接起來(lái)，此外管理人員也可以通過(guò)自定義網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)監控基站。監控基站和眾多的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)一起組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有很好的擴展性，隨意地增減節點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構和組網(wǎng)模式無(wú)太大影響，因而可以方便地根據實(shí)際情況增加或減少監控節點(diǎn)的數量。

1．2 適用于滑坡監測的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計
這種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由眾多具有感知和路由功能的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)組成，能夠協(xié)作實(shí)時(shí)監測，感知并采集各種環(huán)境對象的信息，將其通過(guò)多跳轉發(fā)傳送回主機進(jìn)行分析、處理。以這些工作節點(diǎn)為依托，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信組成網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。
系統中大部分的節點(diǎn)為子節點(diǎn)，從組網(wǎng)通信上看，他們只是其功能的一個(gè)子集，稱(chēng)為RFD(精簡(jiǎn)功能設備)，這種設備不具有路由功能；另外還有一些節點(diǎn)負責與控制子節點(diǎn)通信、匯集數據和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱(chēng)為FFD(全功能設備或協(xié)調器)。如圖2所示為一個(gè)典型的遠程數據采集并返回到計算機終端的應用。每個(gè)節點(diǎn)由一個(gè)MCU作為主控設備。通過(guò)傾角傳感器可以監測滑坡的運動(dòng)狀況，通過(guò)液位傳感器監測地下水位深度，數據采集間隔也可以由中心服務(wù)器靈活控制，在旱季可以調整為每24 h采集并傳遞1次數據，從而節省能量并避免大量的冗余數據。而在雨季危險期，其采集間隔可以密集到5 min／次，從而保證實(shí)時(shí)監測預警功能。每個(gè)信號采集節點(diǎn)通過(guò)ADC從模擬傳感器得到實(shí)時(shí)數據，按照Z(yǔ)igBee協(xié)議把數據打包，并通過(guò)射頻芯片及前端天線(xiàn)發(fā)送給簇內的RFD；經(jīng)過(guò)RFD預處理之后，再由RFD路由轉發(fā)到遠端計算機；結合地貌特點(diǎn)、滑坡的分布特點(diǎn)，多個(gè)水流量檢測點(diǎn)之間的相互關(guān)系等多種地質(zhì)學(xué)、水流動(dòng)力學(xué)等方面的知識進(jìn)行數據的融合和處理。在每個(gè)節點(diǎn)的外部可外接相應的。PIO芯片和其他外圍電路進(jìn)行交互。