周麗娟

摘 要：設(shè)計出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)實時采集、數(shù)據(jù)可靠遠(yuǎn)程傳輸、建立數(shù)據(jù)庫，從而掌握邊坡的變化趨勢，了解邊坡的穩(wěn)定性，為可能造成的危害及后期的加固處理提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；山體滑坡；災(zāi)害預(yù)警；GPS；ZigBee

引言

近年來，山體滑坡已成為僅次于地震的第二大地質(zhì)災(zāi)害，不僅造成了一定程度的人員傷亡和財產(chǎn)損失，也對道路交通造成了嚴(yán)重的威脅。對滑坡災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)報不僅是必需的，而且是完全可能的。采取科學(xué)合理的監(jiān)測預(yù)報手段，可以防患于未然，可以將滑坡災(zāi)害損失減少到最低點。因此，研發(fā)高性能、高實時性和高可靠性的山體滑坡在線監(jiān)測系統(tǒng)成為當(dāng)前滑坡研究迫切需要解決的問題。本文設(shè)計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通信架構(gòu)由ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，將現(xiàn)代通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，能夠及時、準(zhǔn)確、全面地反映監(jiān)測山體的情況，同時很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式的缺點。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通信架構(gòu)由ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，將現(xiàn)代通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起，能夠及時、準(zhǔn)確、全面地反映監(jiān)測山體的情況，同時很好的彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式的缺點。山體滑坡監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)由山體數(shù)據(jù)采集部分、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸終端、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心三大塊組成，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計山體參數(shù)在線監(jiān)測裝置硬件結(jié)構(gòu)采用如圖2所示的硬件框架。主要包括微處理器、ZigBee芯片、傳感器和存儲器。微處理器選用Atmega128L，MCU將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大濾波處理后將數(shù)據(jù)傳送到射頻模塊。射頻模塊選用Chipcon公司的CC2530芯片作為無線收發(fā)前端，遵循ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的數(shù)據(jù)包向路由節(jié)點/網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送，同時也接收路由節(jié)點/網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)來的指令及數(shù)據(jù)。系統(tǒng)發(fā)射發(fā)射頻率為2.4GHz，在不加功率放大器的前體現(xiàn)，點對點通信能力可達(dá)120M，并且通過ZIGBEE自組織、自修復(fù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)容量理論上可達(dá)65536個。

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。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(qiáng)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(jī)理的主要參數(shù)，因而成為滑坡觀測的主要對象。因此，傳感器主要選用雨量傳感器、傾角傳感器、加速度傳感器、溫濕度傳感器和應(yīng)力傳感器對山體的雨量、地表變形、滑坡位移和地應(yīng)力等參數(shù)，對山體參數(shù)的全面監(jiān)測。

網(wǎng)關(guān)接入模塊是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布處理節(jié)點的監(jiān)測任務(wù)，并把收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)，硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。網(wǎng)關(guān)接入模塊的硬件設(shè)計選取GPRS（General Packet Radio Service）無線方式與外部Internet網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。因此，在進(jìn)行網(wǎng)關(guān)接入模塊設(shè)計時，利用GPRS通信模塊實現(xiàn)與外部Internet網(wǎng)絡(luò)和個人移動終端進(jìn)行通信。網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了與傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各節(jié)點通訊，與外部網(wǎng)絡(luò)的互連，成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)連接的可靠紐帶，是整個設(shè)計的關(guān)鍵。其中 MCU 是主控部分選用嵌入式ARM芯片；ZigBee芯片選用CC2530；GPRS射頻選用采用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM900E， 該模塊具有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為GSM語音、短消息以及GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。網(wǎng)絡(luò)接口備用。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括監(jiān)測節(jié)點軟件和后臺監(jiān)控軟件兩部分。底層節(jié)點監(jiān)測到山體環(huán)境數(shù)據(jù)后，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸Internet，后臺服務(wù)器通過Socket監(jiān)測端口數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析、存儲和顯示，實現(xiàn)山體滑坡預(yù)警，整體流程圖如圖4所示。

監(jiān)測節(jié)點通過雨滴傳感器、角度傳感器、溫濕度傳感器監(jiān)測山體環(huán)境信息，然后通過ZigBee組網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點再通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，整個流程如圖5所示。

傳感器采集數(shù)據(jù)傳送到CC2530終端，再發(fā)送到協(xié)調(diào)器，最后到GPS 模塊。

4、結(jié)束語

本文設(shè)計了山體滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)，研制出了高可靠性、高穩(wěn)定性、低功耗的山體滑坡參數(shù)在線監(jiān)測節(jié)點，集成了ZigBee無線通信技術(shù)、GPRS通信技術(shù)，實現(xiàn)山體土壤的溫度、濕度、角度、雨量等參數(shù)的在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程無線傳輸功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 過珺，楊久龍，丁志剛等.GPS 在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究—以四川雅安峽口滑坡為例[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2004，10（1）：65-70.

[2] 張友誼，胡卸文，朱海勇.滑坡與降雨關(guān)系研究展望[J]自然災(zāi)害學(xué)報.2007，16（1）：104-108.

[3] 卜方玲，陳祠，孔林，袁子晴，吳瑤鋒.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2012， 31（2）.