基于無線傳感器網絡的地質遺跡監測平臺

羅興賢 肖建瓊 周曉慶

摘要：地質遺跡由于其特有屬性需要有效保護;我國根據不同分布特征的地質遺跡制定了相應的保護措施來保護人為因素對地質遺跡的破壞;無線傳感器技術使得其為監測非人為因素對地質遺跡的破壞成為可能;分析了破壞地質遺跡的非人為因素的監測需求，設計了基于ZigBee協議的無線傳感器網絡的地質遺跡監測平臺，以實現對非人為因素進行有效監測，以此來實現對地質遺跡的有效保護。

關鍵詞：地質遺跡;保護;監測;無線傳感器網絡

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）22-0087-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

A Geological Relics Monitoring Platform Based on Wireless Sensor Network

LUO Xing-xian， XIAO Jian-qiong， ZHOU Xiao-qing

（Education and Information Technology Center of China West Normal University， Nanchong 637009， China）

Abstract： Geological relics need effective protection because of their unique attributes;According to the different distribution characteristics of geological relics， China has formulated corresponding protection measures to protect the destruction of geological relics by human factors;Wireless sensor technology makes it possible to monitor the destruction of geological relics by non-human factors; Analyzed the monitoring requirements of non-human factors destroying geological relics，designed a geological heritage monitoring platform based on ZigBee protocol for wireless sensor network，in order to monitor the destruction of geological relics by both human and non-human factors，so to protect geological relics effectively。

Key words： geological relics; protection; monitoring; WSN

1 背景

地球在漫長的地質歷史演變過程中，由于內外力的地質作用，形成了千姿百態的地貌景觀、地層剖面、地質構造、古人類遺址、古生物化石、礦物、巖石、水體和地質災害遺跡等，其中具有獨特性和典型價值的，便成為人類所關注的地質遺跡。地質遺跡反映了地質歷史演化過程和物理、化學條件或環境的變化，它是人類認識地質現象、推測地質環境和地質演變條件的重要依據，是人們恢復地質歷史的主要參數。

由于地質遺跡不可再生的特性，使其成為全人類的共同財富，對地質遺跡的保護是社會的責任。常用的保護手段是建立地質公園或地質遺跡數據庫，它們是保護、規劃、開發與合理利用地質遺跡的基礎工作，也是推進地質遺跡的科學研究和地學普及的重要條件。

國際上十分重視地質遺跡的保護工作，聯合國教科文組織還專門設立了地質遺產工作組，專門負責全球地質遺產保護工作。英美等經濟發達國家在地質遺跡保護工作上制定了相關的法規體系，采取了一系列行之有效的措施，為世界其他國家的地質遺跡保護提供了很好的借鑒。我國對于地質遺跡的保護工作也十分重視，保護工作始于20世紀70年代，然后根據實際情況，出臺了多部相關法規，使地質遺跡的保護工作取得了很大的發展和進步。

2 地質遺跡的分類保護

由于我國地域廣闊，地理條件復雜多變，地質構造形式多樣，地質遺跡豐富多彩，是世界上地質遺跡種類齊全的少數國家之一，有的在世界上更是獨一無二。在實際保護地質遺跡的時候，往往是根據其分布特征來制定相應的保護措施來進行保護的，如表1所示。

從表1中可以看出，目前對地質遺跡的保護措施，主要是從制度和視頻監控安全網絡來限制來自人類的社會活動這些人為因素對地質遺跡所產生的破壞行為，而對于來自大自然本身的非人為因素對地質遺跡的破壞作用，則還未見具體的監測手段及相應措施。因此，要全面地保護好地質公園的地質遺跡，需要設計一種科學的是監測平臺，采用科學手段和全面的措施，從人為破壞因素和非人為破壞因素兩個方面來監測與保護地質遺跡。

3 無線傳感器網絡技術

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks， 簡稱WSN）是微電子技術、嵌入式計算技術、Ad Hoc無線網絡、分布式計算等信息技術發展和融合的產物，最早出現于20世紀70年代，20世紀80年代和90年代得到了一定的發展，但主要用于軍事領域。而從21世紀開始至今，WSN得到了迅速的發展，由于WSN具有自組織、動態性網絡、多跳路由和以數據為中心的特點，使得除了軍事領域，WSN還用于精細農業、安全監控、環保監測、建筑領域、醫療監護、工業監控、智能交通、物流管理、自由空間探索和智能家居等領域。

基于WSN上述特點，將其用于建設對地質公園地質遺跡進行保護的網絡，除了對人類行為的安全監測外，還可以對地質遺跡所在的大規模的分布范圍廣的自然環境的各種非人為因素進行監測，并實時將監測數據匯聚到監測服務器，供安全監管部門使用。

4 需求分析

為了有效保護地質遺跡，結合已有的保護制度和視頻監控安全網絡平臺，設計一種基于WSN的地質遺跡監測平臺，需實現如下功能：

融合視頻監控安全網絡，監視與地質遺跡相關的人類的活動;

監測光通量的大小，對于需要光保護的地質遺跡，可控制其環境中的光通量;

監測環境溫度，控制溫度變化;

監測環境水位，預防洪澇災害;

監測地表壓力，預防滑坡、泥石流等;

監測封閉環境中的熱量，預防高溫或火災;

監測土壤或水的酸堿度，預防化學腐蝕;

監測大氣成分，如大氣中二氧化碳或易燃易爆氣體的含量，及時疏散游客;

監測水中指定污染物的含量，預防水污染等。

5 監測平臺設計

根據上述需求，設計的地質遺跡監測平臺結構如圖1所示，整個平臺采用基于ZigBee無線傳感器網絡協議的光傳感器網絡、溫度傳感器網絡、水位傳感器網絡、壓力傳感器網絡、熱量傳感器網絡、酸堿度傳感器網絡、大氣傳感器網絡和污染物傳感器網絡等不同功能子網絡構成，關整合了已有的視頻監控安全網絡，這些子網絡通過互聯網或衛星與地質遺跡監測平臺服務器連接;監管用戶通過監控機以HTTP方式從服務器獲取各類所需要的監測數據以監控相關監測點的狀況，以便制定或啟動相應的安全措施。

而對于其中的每一個傳感器子網絡，都由同類傳感器組成如圖2所示的網絡。其中的小圓圈代表傳感器，傳感器節點可以實時地采集監測的數據，并讓這些數據沿著其他傳感器節點經過多跳地進行傳播，傳到匯聚節點，再由匯聚結點經互聯網或衛星網絡傳到平臺服務器存儲與處理。

在具體設計時可根據實際需要對所需的子網進行取舍，也可根據使用的控制器與收發器芯片的功能特點，將幾個子網絡合為一個子網絡，比如采用ST公司的STM32F107控制器和CC2430收發器芯片組成的傳感器子網絡即可同時對溫度、濕度和空氣中二氧化碳含量進行監測，將溫度、溫度和大氣成分幾個子網絡合并成一個子網絡。

6 結束語

系統平臺采用基于ZigBee的無線傳感器網絡體系，采用無線傳感器網絡能實時地集和傳遞監測數據，讓監管用戶可以即時掌握地質遺跡及其環境的相關狀況，在最快的時間對異常情況做出響應，科學有效地保護地質遺跡。

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