何守亮 重慶旅游職業(yè)學院

一、研究背景

中國是個多山的國家，山地約占全國面積的 2/3，是世界上山體滑坡較多的國家之一。除了自然因素引起的山體滑坡外，隨著國民經濟的蓬勃發(fā)展，各項工程活動也對山體地質環(huán)境往往起著破壞性的作用。在鐵路、公路、水利、航運、采礦、建筑以及國防建設中經常遇到斜(邊)的穩(wěn)定性問題。在中國，每年由山體滑坡引起的損失超過3 億美元，而在全世界卻高達 10 億美元之多。這些使山體滑坡成為除地震外最大的自然災害。由于山體滑坡引起如此多的財產損失、人員傷亡，而黔江位于武陵山腹地，很多住宅、道路修建在上坡上，若武陵山區(qū)發(fā)生山體滑坡就會嚴重影響人們的生命財產安全，故此早期預警系統(tǒng)的建立就顯得十分必要了。

二、國內外研究現(xiàn)狀

隨著科學的發(fā)展一些新的監(jiān)測技術進入人們視野，用傳感器作為監(jiān)測儀器來研究山體滑坡監(jiān)測的研究變得非常重要。這些研究及時捕捉崩滑災害的特征信息，為崩塌、山體滑坡的正確分析評價、預測預報及治理工程等提供可靠資料和科學依據(jù)。

目前，國內外不少研究工作者已經對大地精密測量法、GPS 法、儀器儀表監(jiān)測法、綜合自動遙測法在山體滑坡監(jiān)測中的運用有了一定的涉及和研究，甚至到后來較先進的山體滑坡監(jiān)測新技術——時域反射法(TDR)技術。這些研究及時捕捉崩滑災害的特征信息，為崩塌、山體滑坡的正確分析評價、預測預報及治理工程等提供可靠資料和科學依據(jù)。但是，用傳感器作為監(jiān)測儀器來研究山體滑坡監(jiān)測的研究并不多見，以無線傳感器網絡監(jiān)測的情況更是無人問津。

采用無線傳感器網絡（WSN）技術實現(xiàn)山區(qū)特殊地段地質災害的實時監(jiān)測應該是一種技術上先進，適宜山區(qū)地貌特征的有效嘗試。由于WSN本身的冗余性、無線性、網絡的自組織性，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 ,把無線傳感器網絡技術應用到武陵山區(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送給節(jié)點，利用已有的4G和GSM雙網絡將節(jié)點與控制中心進行通訊，若4G網絡無法通訊，則立即啟用GSM網絡來彌補，保證節(jié)點與控制中心的通訊正常。這樣就能夠解決布設有線監(jiān)測系統(tǒng)的缺陷，而且適用于4G和GSM網絡信號無法覆蓋的偏遠山區(qū)滑坡災害監(jiān)測。

三、本系統(tǒng)研究內容

本系統(tǒng)主要擬建立一個無線傳感器網絡, 無線傳感器網絡內所有節(jié)點采用射頻收發(fā)模塊，通過4G和GSM雙網絡與監(jiān)控中心通信,網絡內通信時序由監(jiān)控中心統(tǒng)一控制，而通過無線接受裝置連接4種不同的監(jiān)測山體滑坡變化的傳感器,從而形成一個有效的監(jiān)測網絡。

3.1.預警系統(tǒng)結構

山體滑坡預警系統(tǒng)由無線傳感器監(jiān)測網絡、4G和GSM網絡和遠程監(jiān)控中心三部分組成。為了得到監(jiān)測區(qū)域的實時有效信息，在監(jiān)測區(qū)域安放大量的傳感器節(jié)點測量山體位移值和加速度值，由于山體滑坡主要是由地下水侵蝕產生，因此，地下水位深度是顯示山體滑坡危險度的重要指標，通過現(xiàn)場打孔，由部署在孔洞最下端的液位深度傳感器采集并由無線網絡發(fā)送液位值。

測量過程中，傳感器節(jié)點自動調節(jié)信息的采集頻率和信息的采集量，通過建立的網絡，對采集的信息進行傳輸與匯聚。對信息進行去冗余處理后，通過4G和GSM無線網絡把匯聚的信息以自定義的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。遠程監(jiān)控中心對收到的信息進行處理，從而實現(xiàn)對山體滑坡準確的預警預報。

3.2.無線傳感器監(jiān)測網絡結構

無線傳感器監(jiān)測網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絡拓撲結構。

系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點，從組網通信上看，它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)調器）。每個節(jié)點由一個MCU作為主控設備。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)送給簇內的FFD；經過FFD預處理之后，再由FFD通過4G和GSM無線網絡轉發(fā)到遠端計算機。

3.3 4G和GSM雙無線網絡

（1）4G無線網絡

第四代移動通信技術（4rd-generation，4G），是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術。4G 服務能夠同時傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百kbps以上。目前4G 存在四種標準：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。

目前我國三大電信運營商分別使用不同的 4G 標準：聯(lián)通運營 WCDMA，電信運營 CDMA2000，移動運營TD-SCDMA。各個運營商4G 的理論速度是：聯(lián)通4G 上網WCDMA的下行理論峰值高達7.2Mbit/s，上行最高速率為5.8Mbit/s；電信4G上網CDMA2000 EVDO 的下行理論峰值則是3.1Mbit /s，上行最高速率為1.8Mbit/s；移動4G 上網TD-SCDMA 的下行理論峰值是2.8Mbit/s，上行最高速率為384.0kbit/s。

（2）GSM無線網絡

GSM分別采用900 MHz頻段和1800 MHz頻段的頻率配置。目前我國GSM 900MHz頻段的使用情況：中國移動的上行頻段為890～909 MHz，下行頻段為935～954 MHz；中國聯(lián)通的上行頻段為909～915 MHz，下行頻段為954～960 MHz。而1800MHz頻段的使用情況：中國移動的上行頻段為1710～1720 MHz，下行頻段為1805～1815 MHz；中國聯(lián)通的上行頻段為1745～1755 MHz，下行頻段為1840～1850 MHz。

為了確保系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)以中國聯(lián)通的WCDMA 4G無線網絡作為系統(tǒng)通信的主網絡，而中國移動的GSM無線網絡作為系統(tǒng)通信的輔助網絡。在4G無線網絡信號較弱、沒有信號或連網不成功的情況下，則連接切換到GSM無線網絡下進行通信，保證系統(tǒng)的正常通信，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。