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

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。

　　在整個硬件平臺的設計中，節(jié)能是一個重要因素，它決定著傳感器網(wǎng)絡的壽命。當節(jié)點目前沒有傳感任務并且不需要為其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，關閉節(jié)點的無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等以節(jié)省能耗，即讓其置于睡眠狀態(tài)。為控制子節(jié)點選擇合適的地點，提供較充足的能源，以便延長節(jié)點使用壽命，提高監(jiān)測預警系統(tǒng)有效性。在軟件設計上，通過動態(tài)電源管理(Dy-namic Power Management，DPM)技術使系統(tǒng)各個部分都運行在節(jié)能模式。在關閉空閑模塊狀態(tài)下，傳感器節(jié)點或其他部分將被關閉或者處于低功耗狀態(tài)，直到有“感興趣”的事件發(fā)生。

2 應用實例

2．1 應用背景

    清泉路滑坡為袁家蹬潛在滑坡的組成部分(見圖3)，位于袁家蹬潛在滑坡的前部，滑坡段北部位于長江左岸大溪溝右岸、東北部位于長江左岸河漫灘。清泉路滑坡外形似梨形，坐落在長江第一、二級階地上；袁家蹬潛在滑坡體(包括清泉路滑坡)形似腎形，坐落在長江第一至第三級階地上，西側(cè)與長堰塘滑坡相鄰。由于滑坡為大型松散堆積層滑坡，三峽水庫正常蓄水運行后，滑坡前緣大部分將被水淹沒，清泉路滑坡80％位于庫區(qū)水位變動帶，局部及整體失穩(wěn)的可能性大。從滑坡變形機制可以推斷清泉路滑坡為兩滑動的松散土體滑坡，具有兩級滑動面(見圖4)。滑坡預警的確定是監(jiān)測滑坡的重要內(nèi)容，也為治理滑坡提供了數(shù)據(jù)分析。 

    由于監(jiān)測信息的實時采集、傳輸和處理均與節(jié)點密不可分，所以著重介紹節(jié)點的軟硬件設計。

2．2 硬件系統(tǒng)設計

2．2．1 無線收發(fā)單元

    采用SRWF-501-50型微功率無線數(shù)傳模塊，該無線通信模塊具有很強的抗干擾能力，全透明傳輸，體積小，傳輸距離遠，低功耗及休眠功能。
2．2．2 MCU控制單元(AT89C52)

    數(shù)據(jù)處理模塊是傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的核心部分，一方面接收來自傳感器的測量數(shù)據(jù)，按要求對數(shù)據(jù)進行處理和計算等，交給通信模塊發(fā)送；另一方面讀取通信模塊送入的數(shù)據(jù)信息，對硬件平臺其他模塊的操作進行控制。

2．2．3 數(shù)據(jù)采集模塊

    傳感器采用傾角傳感器和液位傳感器，每個孔洞都會在最下端部署一個液位傳感器，在不同深度部署數(shù)個傾角傳感器，通過傾角傳感器可以監(jiān)測山體的運動狀況，液位傳感器采集地下水位深度的數(shù)據(jù)，圖5給出無線傳感器節(jié)點電路構成框圖。 

2．2．4 后臺監(jiān)控單元(嵌入式系統(tǒng))

    處理器模塊的CPU采用三星公司的基于ARM7的S3C4480微控制器，在ARM中移植了μCOS-Ⅱ?qū)崟r多任務操作系統(tǒng)，以進行實時多任務管理。對于共享同一種資源會存在資源競爭的問題，系統(tǒng)中采用了事件標志和信號量的方法來實現(xiàn)同步機制，使得原子操作不需要關掉所有的中斷，從而不會造成系統(tǒng)的響應延遲。

2．3 軟件模塊設計

    按照硬件電路設計思路，軟件采用模塊化結(jié)構程序設計方式。軟件模塊包括：系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、接收中斷服務、突發(fā)中斷采集、A／D采集模塊、UART串口模塊。系統(tǒng)初始化基本思路：上電后設置串口方式3，開啟定時中斷和外部中斷，啟動接收模塊，進行通信檢測，進入省電模式。這里簡單給出主程序流程圖(見圖6)，中斷流程圖(見圖7)，圖7中中斷為接收中斷，中斷1為突發(fā)中斷。

2．4 數(shù)據(jù)處理與圖形分析

    通過實驗對系統(tǒng)的誤碼率進行測試，在不同環(huán)境、不同距離的通信測試中，得出系統(tǒng)的信道誤碼率為10-2，傳輸距離在500～1 200 m時，平均誤碼率為10-5～10-6之間。對清泉路滑坡實際測試中，假設發(fā)送數(shù)據(jù)x幀時，接收到y(tǒng)幀，即發(fā)送11×x b，正確接收到11×y b，得到滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)，如表1所示，并根據(jù)計算公式： 

　　分析得出系統(tǒng)實際誤碼率，如圖8所示。從圖8中可看出，在數(shù)據(jù)較小時，誤碼率幾乎為0，隨著數(shù)據(jù)的增大，系統(tǒng)誤碼率維持在10-5～10-6之間，符合無線傳感器網(wǎng)絡的通信要求，證實了整個系統(tǒng)在滑坡監(jiān)測中的有效性。