一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設計

引 言
隨著三峽庫區(qū)儲水，誘發(fā)沿江兩岸發(fā)生重大滑坡災害的概率增加，有關三峽庫區(qū)滑坡災害問題已經(jīng)引起有關部門和社會的廣泛關注。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)災害問題，傳統(tǒng)的方法是人工監(jiān)測，通過攜帶監(jiān)測儀器現(xiàn)場測試的方式對異動信號進行收集，獲取地質(zhì)災害發(fā)生前的相關信息。但是，由于地質(zhì)災害發(fā)生的偶然性，以及三峽庫區(qū)部分地區(qū)惡劣的地形環(huán)境等因素，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式無法有效把災害防患于未然。因此，建立實時的自動化監(jiān)測預警系統(tǒng)是必然的發(fā)展趨勢。
目前在巫山縣多個滑坡地帶的實時監(jiān)測系統(tǒng)中，普遍采用基于鉆孔傾斜儀深部位移監(jiān)測、GPS表變形監(jiān)測。傳感器和儀器設備檢測的信號，目前都采用線纜或者GPRS通信的方式匯集到中心計算機上，采用線纜的方式有明顯的弊端，除了在危險地帶不易布線，施工接續(xù)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上的局限性，并且在庫區(qū)一些偏遠地區(qū)和山區(qū)，信號較弱，甚至收索不到信號，因而無法建立有效的GPRS自動監(jiān)測網(wǎng)絡。
采用無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)技術實現(xiàn)庫區(qū)特殊地段地質(zhì)災害的實時監(jiān)測應該是一種技術上先進，適宜庫區(qū)地貌特征的有效嘗試。由于WSN本身的冗余性、無線性、網(wǎng)絡的自組織性，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。因此，把無線傳感器網(wǎng)絡技術應用到長江三峽庫區(qū)特殊地帶的滑坡災害監(jiān)測預警中，利用各種傳感器實時采集信息，通過無線的方式將信息傳輸給控制中心，能夠解決布設有線監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷，而且適用于GMS網(wǎng)絡信號無法覆蓋的偏遠山區(qū)滑坡災害監(jiān)測。

1 適合于滑坡監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)設計
1．1 監(jiān)測預警系統(tǒng)的總體結(jié)構
在大范圍監(jiān)控、預警的基礎上，以局域網(wǎng)為研究平臺，主要致力于數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的有效性及處理上的精確性，監(jiān)測預警系統(tǒng)的總體結(jié)構如圖1所示，可分為2個部分：上層的監(jiān)控中心和下層的監(jiān)控基站。監(jiān)控基站和監(jiān)控中心通過以太網(wǎng)連接起來，此外管理人員也可以通過自定義網(wǎng)絡訪問監(jiān)控基站。監(jiān)控基站和眾多的無線傳感器節(jié)點一起組成無線傳感器網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡具有很好的擴展性，隨意地增減節(jié)點，對網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構和組網(wǎng)模式無太大影響，因而可以方便地根據(jù)實際情況增加或減少監(jiān)控節(jié)點的數(shù)量。

1．2 適用于滑坡監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡設計
這種無線傳感器網(wǎng)絡由眾多具有感知和路由功能的無線傳感器節(jié)點組成，能夠協(xié)作實時監(jiān)測，感知并采集各種環(huán)境對象的信息，將其通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)傳送回主機進行分析、處理。以這些工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成網(wǎng)絡拓撲結(jié)構。
系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點，從組網(wǎng)通信上看，他們只是其功能的一個子集，稱為RFD(精簡功能設備)，這種設備不具有路由功能；另外還有一些節(jié)點負責與控制子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱為FFD(全功能設備或協(xié)調(diào)器)。如圖2所示為一個典型的遠程數(shù)據(jù)采集并返回到計算機終端的應用。每個節(jié)點由一個MCU作為主控設備。通過傾角傳感器可以監(jiān)測滑坡的運動狀況，通過液位傳感器監(jiān)測地下水位深度，數(shù)據(jù)采集間隔也可以由中心服務器靈活控制，在旱季可以調(diào)整為每24 h采集并傳遞1次數(shù)據(jù)，從而節(jié)省能量并避免大量的冗余數(shù)據(jù)。而在雨季危險期，其采集間隔可以密集到5 min／次，從而保證實時監(jiān)測預警功能。每個信號采集節(jié)點通過ADC從模擬傳感器得到實時數(shù)據(jù)，按照ZigBee協(xié)議把數(shù)據(jù)打包，并通過射頻芯片及前端天線發(fā)送給簇內(nèi)的RFD；經(jīng)過RFD預處理之后，再由RFD路由轉(zhuǎn)發(fā)到遠端計算機；結(jié)合地貌特點、滑坡的分布特點，多個水流量檢測點之間的相互關系等多種地質(zhì)學、水流動力學等方面的知識進行數(shù)據(jù)的融合和處理。在每個節(jié)點的外部可外接相應的。PIO芯片和其他外圍電路進行交互。