一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(zāi)害的概率增加，有關(guān)三峽庫區(qū)滑坡災(zāi)害問題已經(jīng)引起有關(guān)部門和社會(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(zāi)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(dòng)信號進(jìn)行收集，獲取地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前的相關(guān)信息。但是，由于地質(zhì)災(zāi)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(zāi)害防患于未然。因此，建立實(shí)時(shí)的自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)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(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(shè)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(jì)算機(jī)上，采用線纜的方式有明顯的弊端，除了在危險(xiǎn)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(zāi)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(qū)一些偏遠(yuǎn)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(dòng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。
采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)實(shí)現(xiàn)庫區(qū)特殊地段地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測應(yīng)該是一種技術(shù)上先進(jìn)，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(luò)的自組織性，而具有較強(qiáng)的抗破壞能力，因而可以在基礎(chǔ)通信設(shè)施可能被毀壞的情況下，完成一定的通信任務(wù)。因此，把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到長江三峽庫區(qū)特殊地帶的滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中，利用各種傳感器實(shí)時(shí)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(shè)有線監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷，而且適用于GMS網(wǎng)絡(luò)信號無法覆蓋的偏遠(yuǎn)山區(qū)滑坡災(zāi)害監(jiān)測。

1 適合于滑坡監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
在大范圍監(jiān)控、預(yù)警的基礎(chǔ)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(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，可分為2個(gè)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(luò)訪問監(jiān)控基站。監(jiān)控基站和眾多的無線傳感器節(jié)點(diǎn)一起組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很好的擴(kuò)展性，隨意地增減節(jié)點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組網(wǎng)模式無太大影響，因而可以方便地根據(jù)實(shí)際情況增加或減少監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

1．2 適用于滑坡監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由眾多具有感知和路由功能的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，能夠協(xié)作實(shí)時(shí)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(jī)進(jìn)行分析、處理。以這些工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過無線通信組成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)中大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，從組網(wǎng)通信上看，他們只是其功能的一個(gè)子集，稱為RFD(精簡功能設(shè)備)，這種設(shè)備不具有路由功能；另外還有一些節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與控制子節(jié)點(diǎn)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(shè)備或協(xié)調(diào)器)。如圖2所示為一個(gè)典型的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集并返回到計(jì)算機(jī)終端的應(yīng)用。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由一個(gè)MCU作為主控設(shè)備。通過傾角傳感器可以監(jiān)測滑坡的運(yùn)動(dòng)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(wù)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(xiǎn)期，其采集間隔可以密集到5 min／次，從而保證實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警功能。每個(gè)信號采集節(jié)點(diǎn)通過ADC從模擬傳感器得到實(shí)時(shí)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(yù)處理之后，再由RFD路由轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)；結(jié)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(shù)據(jù)的融合和處理。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的外部可外接相應(yīng)的。PIO芯片和其他外圍電路進(jìn)行交互。