無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究

卜方玲，陳 祠，孔 林，袁子晴，吳瑤鋒

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢430079）

2010年我國滑坡災(zāi)害頻發(fā)，給國家和人民帶來了巨大的災(zāi)難和損失。滑坡是由于地層結(jié)構(gòu)、河流沖刷、大氣降水、人類活動等因素，致使部分或全部土體(或巖體)在重力作用下，失去原有平衡條件而沿一定的軟弱面整體向下移動的現(xiàn)象。滑坡地帶在中國分布十分廣泛，且隨著環(huán)境破壞的日益嚴(yán)重，滑坡的發(fā)生呈現(xiàn)越來越頻繁的態(tài)勢。1949年到2009年的45年間，我國共發(fā)生了破壞較大災(zāi)害6 000多次，造成重大損失的災(zāi)害事件至少有1 200次[1]。影響滑坡形成的主要因素有：地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、外部動力觸發(fā)和人類活動等，可以概括為地質(zhì)構(gòu)造因素、地形地貌因素、外部動力觸發(fā)因素和人類活動因素等。其中，大氣降水是滑坡形成的最主要外部因素，降雨致使地下水位上升、巖石應(yīng)力發(fā)生變化、抗剪強度降低，當(dāng)?shù)乇硇巫儼l(fā)展到一定程度時，產(chǎn)生滑坡。

降雨量、地表變形、地應(yīng)力、地下水、孔隙水壓力是反映滑坡形成機理的主要參數(shù)，因而成為滑坡觀測的主要對象。已提出的滑坡監(jiān)測方法有GPS與InSAR結(jié)合的觀測方法[2]、近景攝影測量方法[3]、TDR(Time Domain Reflectometry)檢測技術(shù)和聲發(fā)射檢測[4]等，這些方法對復(fù)雜地理環(huán)境的適應(yīng)性、觀測周期和性價比等方面還不能滿足滑坡研究的需求。因此需要研究新的方法對地理環(huán)境復(fù)雜地區(qū)滑坡進行監(jiān)測。

1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡監(jiān)測方法

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)具有冗余性、無線性和自組織性，有較強的抗破壞能力，而且成本低、能耗低，適合重點局部地區(qū)和偏遠地區(qū)的長期觀測。國內(nèi)外已有專家學(xué)者研究運用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測滑坡的方法,但是到目前為止，尚未形成一套完整、權(quán)威的解決方案。

本文在分析研究滑坡的形成機理和現(xiàn)有觀測方法的基礎(chǔ)上，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡監(jiān)測方案，以期實現(xiàn)對局部重點區(qū)域的長期觀測，為滑坡研究和預(yù)警機制的制定提供技術(shù)支撐和觀測數(shù)據(jù)。

1.1 網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

本文設(shè)計的總體目標(biāo)是在典型地貌特征區(qū)域建立滑坡主要影響因子的長期觀測無線傳感器網(wǎng)絡(luò),對降雨量、地表變形、地應(yīng)力和地下水等相關(guān)數(shù)據(jù)進行長期采集和處理，為數(shù)學(xué)建模提供必要的觀測數(shù)據(jù)，為滑坡的形成機理和預(yù)警研究提供參考依據(jù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體設(shè)計方案如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)由若干個無線局域網(wǎng)組成，無線局域網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)和GSM移動通信網(wǎng)連接。傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)無線局域網(wǎng)傳遞到網(wǎng)關(guān)，再經(jīng)GSM移動通信網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到遠程服務(wù)器終端。遠程控制終端則通過反向鏈路，把控制信號傳遞到傳感器節(jié)點。網(wǎng)關(guān)不僅是無線局域網(wǎng)和GSM移動通信網(wǎng)的連接橋梁，它還控制無線局域網(wǎng)的工作模式，并管理無線局域網(wǎng)內(nèi)的傳感器節(jié)點。

1.2 滑坡觀測傳感器節(jié)點的設(shè)計方案

傳感器節(jié)點由采集模塊、處理模塊、無線通信模塊和電源模塊組成，其中每個控制模塊上通過不同的接口掛載多個傳感器，每個傳感器負責(zé)采集一個參數(shù)，如圖2所示。

(1)采集模塊：采用 RY-YLH02翻斗式雨量計、BQ-1XN-232傾角傳感器、BJ216液位傳感器和光纖光柵應(yīng)力傳感器（GFS-P）分別負責(zé)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的降雨量、山體傾角和山體內(nèi)部的液位以及應(yīng)力參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集。

(2)處理模塊：采用C8051F單片機控制傳感器節(jié)點的操作，該CPU負責(zé)收集并暫時存儲傳感器的觀測數(shù)據(jù)，通過串口將傳感器數(shù)據(jù)送到無線通信模塊，經(jīng)無線局域網(wǎng)傳輸給網(wǎng)關(guān)。

(3)無線通信模塊：主要采用低功耗CC2520芯片，實現(xiàn)與其他傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的無線數(shù)據(jù)通信。CC2520具有選擇性／共存性、出色鏈路預(yù)算、高達125℃的工作溫度以及低工作電壓等出色特性，適合于野外工作環(huán)境。

(4)電源模塊：以蓄電池（或太陽能板）為基礎(chǔ)，通過電源轉(zhuǎn)換芯片LM2678、AS1117、SP6205等為其他模塊提供能量。

1.3 滑坡觀測無線傳感網(wǎng)絡(luò)部署方案

如圖3所示，在易發(fā)生滑坡的軟弱斜面處向山體內(nèi)打孔，在垂直孔中由下至上依次埋入液位傳感器、應(yīng)力傳感器和傾角傳感器[5]。其中,由下而上的多個應(yīng)力傳感器負責(zé)采集山體內(nèi)部不同深度的應(yīng)力參數(shù),在山體表面安裝雨量計，每個傳感器通過電路連線與控制單片機相連，負責(zé)相應(yīng)數(shù)據(jù)的觀測和采集。

如圖1所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含傳感器節(jié)點、簇頭節(jié)點和網(wǎng)關(guān)。由于觀測范圍大，無線傳感器節(jié)點比較多，觀測周期長，綜合考慮各方面因素后，采用LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議將各節(jié)點連接成局域網(wǎng)，它以循環(huán)的方式從節(jié)點中隨機選擇簇頭節(jié)點，將整個網(wǎng)絡(luò)的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中。簇頭節(jié)點和傳感器節(jié)點組成簇網(wǎng)絡(luò)，簇網(wǎng)絡(luò)將前端傳感器采集的信息匯聚到簇頭節(jié)點，再轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要由處理器、存儲器、CC2520無線模塊和GPRS模塊組成，其功能主要是接收簇頭節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后通過GPRS模塊轉(zhuǎn)發(fā)到遠程服務(wù)器終端，遠程服務(wù)器終端負責(zé)對觀測數(shù)據(jù)進行存儲、分析和發(fā)布。同時，遠程服務(wù)器終端也可以通過網(wǎng)關(guān)對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)。

2 仿真和物理實驗

2.1 物理通信實驗

在實驗室，采用土壤溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)采集和傳輸實驗，傳感器節(jié)點和簇頭之間相距約15 m，實驗結(jié)果如圖4所示，其中T表示溫度，H表示濕度，圖4顯示相對濕度約為48%RH，溫度約為27.7℃。

仿真和物理實驗結(jié)果說明，本文提出的方法中，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議可以滿足滑坡監(jiān)測的基本需求。盡管就長期觀測而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在節(jié)能通信、自組織網(wǎng)絡(luò)和時間同步等方面有待進一步研究，但是隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，必將在滑坡監(jiān)測中得到廣泛的應(yīng)用。

2.2 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仿真

采用網(wǎng)絡(luò)仿真模擬器NS2對LEACH協(xié)議進行仿真。模擬的場景是100個節(jié)點隨機分布在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)生的仿真場景如圖5所示。

從100個節(jié)點中隨機選取了其中的4個，分別為18號節(jié)點、65號節(jié)點、80號節(jié)點、96號節(jié)點，仿真過程記錄了各個節(jié)點的能量消耗與時間關(guān)系，如圖6所示。

圖6說明各個節(jié)點在大部分生存周期內(nèi)能量消耗比較平穩(wěn)，并且不同節(jié)點在整個生存周期內(nèi)消耗能量的大小相差不大。這一仿真結(jié)果驗證了LEACH協(xié)議采用循環(huán)方式選擇蔟首節(jié)點、將網(wǎng)絡(luò)的能量負載平均分配到每個節(jié)點的思想。LEACH協(xié)議可以達到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時間的目的。

本文指出了影響滑坡形成的主要因素，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡監(jiān)測架構(gòu)，闡述了無線傳感器節(jié)點的設(shè)計方案和采用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，仿真和物理實驗表明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其經(jīng)濟性、實用性以及易于設(shè)計與部署等特性，將在滑坡監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。

本文闡述的傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)已設(shè)計出原理樣機，節(jié)能通信協(xié)議還有待于完善。今后將通過在三峽庫區(qū)滑坡監(jiān)測的實踐，深化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究。

[1]鄭鑫，劉男男.滑坡的形成機理與其安全防護措施[J].黑龍江科技信息，2010，6（12）：27.

[2]范青松，湯翠蓮.GPS與InSAR技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].測繪科學(xué)，2006，31（5）：60-62.

[3]江峰.DP Matrix3D近景攝影測量系統(tǒng)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].福建地質(zhì)，2010，29（2）：164-170.

[4]韓向陽.基于聲發(fā)射的地震、山體滑坡監(jiān)測診斷系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2007：8-11.

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