无线传感器网络在滑坡监测中的应用研究

摘  要： 分析了滑坡形成机理和主要影响因子，在分析、归纳和总结已提出的滑坡监测方法的基础上，提出基于无线传感器网络的滑坡监测方法，给出了无线传感器网络总体构建方案和传感器节点、网关的设计方法，应用射频模块CC2520完成了温湿度感知数据的点对点无线通信实验，并对节能路由协议进行了仿真。仿真和物理实验显示所给出无线传感网架构能满足长期观测和数据传输的要求。无线传感器网络在滑坡监测中有着良好的前景。
关键词： 滑坡；形成机理；应力；无线传感器网络
       2010年我国滑坡灾害频发，给国家和人民带来了巨大的灾难和损失。滑坡是由于地层结构、河流冲刷、大气降水、人类活动等因素，致使部分或全部土体(或岩体)在重力作用下，失去原有平衡条件而沿一定的软弱面整体向下移动的现象。滑坡地带在中国分布十分广泛，且随着环境破坏的日益严重，滑坡的发生呈现越来越频繁的态势。1949年到2009年的45年间，我国共发生了破坏较大灾害6 000多次，造成重大损失的灾害事件至少有1 200次[1]。影响滑坡形成的主要因素有：地质构造、地形地貌、外部动力触发和人类活动等，可以概括为地质构造因素、地形地貌因素、外部动力触发因素和人类活动因素等。其中，大气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、岩石应力发生变化、抗剪强度降低，当地表形变发展到一定程度时，产生滑坡。
     降雨量、地表变形、地应力、地下水、孔隙水压力是反映滑坡形成机理的主要参数，因而成为滑坡观测的主要对象。已提出的滑坡监测方法有GPS 与InSAR结合的观测方法[2]、近景摄影测量方法[3]、TDR(Time Domain Reflectometry)检测技术和声发射检测[4]等，这些方法对复杂地理环境的适应性、观测周期和性价比等方面还不能满足滑坡研究的需求。因此需要研究新的方法对地理环境复杂地区滑坡进行监测。
1 基于无线传感器网络的滑坡监测方法
     无线传感器网络(WSN) 具有冗余性、无线性和自组织性，有较强的抗破坏能力，而且成本低、能耗低，适合重点局部地区和偏远地区的长期观测。国内外已有专家学者研究运用无线传感器网络监测滑坡的方法,但是到目前为止，尚未形成一套完整、权威的解决方案。
     本文在分析研究滑坡的形成机理和现有观测方法的基础上，提出基于无线传感器网络的滑坡监测方案，以期实现对局部重点区域的长期观测，为滑坡研究和预警机制的制定提供技术支撑和观测数据。
1.1 网络总体架构
     本文设计的总体目标是在典型地貌特征区域建立滑坡主要影响因子的长期观测无线传感器网络,对降雨量、地表变形、地应力和地下水等相关数据进行长期采集和处理，为数学建模提供必要的观测数据，为滑坡的形成机理和预警研究提供参考依据。
     无线传感器网络整体设计方案如图1所示，网络由若干个无线局域网组成，无线局域网通过网关和GSM移动通信网连接。传感器节点采集的数据，经无线局域网传递到网关，再经GSM移动通信网转发到远程服务器终端。远程控制终端则通过反向链路，把控制信号传递到传感器节点。网关不仅是无线局域网和GSM移动通信网的连接桥梁，它还控制无线局域网的工作模式，并管理无线局域网内的传感器节点。
   
   1.2 滑坡观测传感器节点的设计方案
     传感器节点由采集模块、处理模块、无线通信模块和电源模块组成，其中每个控制模块上通过不同的接口挂载多个传感器，每个传感器负责采集一个参数，如图2所示。
   
   
     (1)采集模块：采用RY-YLH02翻斗式雨量计、BQ-1XN-232倾角传感器、BJ216液位传感器和光纤光栅应力传感器（GFS-P）分别负责对监测区域内的降雨量、山体倾角和山体内部的液位以及应力参数进行数据采集。
     (2)处理模块：采用C8051F单片机控制传感器节点的操作，该CPU负责收集并暂时存储传感器的观测数据，通过串口将传感器数据送到无线通信模块，经无线局域网传输给网关。
     (3)无线通信模块：主要采用低功耗CC2520芯片，实现与其他传感器节点和网关的无线数据通信。CC2520具有选择性／共存性、出色链路预算、高达125 ℃的工作温度以及低工作电压等出色特性，适合于野外工作环境。
     (4)电源模块：以蓄电池（或太阳能板）为基础，通过电源转换芯片LM2678、AS1117、SP6205等为其他模块提供能量。
1.3 滑坡观测无线传感网络部署方案
     如图3所示，在易发生滑坡的软弱斜面处向山体内打孔，在垂直孔中由下至上依次埋入液位传感器、应力传感器和倾角传感器[5]。其中,由下而上的多个应力传感器负责采集山体内部不同深度的应力参数,在山体表面安装雨量计，每个传感器通过电路连线与控制单片机相连，负责相应数据的观测和采集。