基于無線傳感網與靜力水準集成的礦區地表沉降監測

楊文環 孫久運

(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

基于無線傳感網與靜力水準集成的礦區地表沉降監測

楊文環 孫久運

(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

隨著社會的發展，對礦區地表沉降與重要建筑物等監測的實時性、自動化、精確度要求越來越高，傳統的精密水準測量需野外作業，且周期長、花費大，不利于進行長期、實時、自動化監測。為此，將無線傳感器網絡技術與傳統的靜力水準監測相結合，構建了一套結合低成本ZigBee無線技術與GPRS技術的無線靜力水準監測系統。靜力水準儀作為傳感器連接于無線網絡子節點，子節點將采集到的數據發送至主節點，再通過DTU模塊，利用GPRS網絡發送到遠程的數據庫。系統可實現遠距離實時、高精度的礦區地表沉降監測，具有廣闊的應用前景。

地表沉降 靜力水準 無線傳感器網絡 ZigBee

地表沉降是當前全球范圍內一種重大地質災害，很多地表沉降是人類活動引起的，例如地下石油的開采，煤礦開采等[1]。中國是一個產煤大國，在開采和利用煤炭獲得巨大社會和經濟效益的同時，也不可避免地對礦區生態環境帶來了一系列的影響，其中比較典型的就是煤炭資源開采后形成大范圍采空區而造成的地表沉降塌陷[2]。礦區地表塌陷會造成建筑物、道路受損，大量耕地破壞等問題。因此，對礦區沉降監測方法進行研究，實時、準確地監測地表沉降就變得尤為重要。常規的監測技術和人工采集數據的方法，不僅存在監測范圍小、工作量大、效率低和投入高等問題，而且有限的測點難以反映目標系統的整體狀況，存在漏檢的弊端。本研究將傳統的靜力水準系統與無線傳感器網絡[3]技術相結合，可實現對礦區地表沉降高精度、自動化、遠距離、低成本、實時監測。

1 集成靜力水準的無線傳感器網絡監測體系

1.1 傳統沉陷監測方法

為了研究引起礦區地表沉降的原因以及發展過程與趨勢，了解沉陷發展規律，必須進行全面的監測。傳統的沉陷監測方法有水準測量、全站儀三角測量、GPS技術等[4]。其中水準測量是一種直接測量高程的方法，測量高差精度較高，但受地形影響較大，轉站多，測量速度慢，在丘陵、山地的礦區很難開展；全站儀三角測量可以快速準確地測得高程數據，具有較高的作業速度，但仍存工作量大，工作強度與測量成本較高等問題；GPS 技術具有數據獲取速度快、作業方法簡單、自動化程度高等優點，但其點位選擇自由度較低，數據處理時函數關系比較復雜。

傳統的有線靜力水準系統具有精度高、自動化性能好、可實現實時測量等優點，但由于有線系統存在布線復雜、網絡結構相對固定、長距離通信時信號衰減嚴重、監測成本較高，維護難度大等問題[5]，使得有線靜力水準系統通常不作為礦區地表沉降監測的一種選擇。而無線傳感器網絡具有規模大、密度高、多跳的路由、自組織網絡及動態變化的網絡拓撲等特點，非常適合應用于環境監測領域。因此本研究在傳統靜力水準測量的基礎上引入無線傳感器網絡技術，組成集成靜力水準的無線傳感器網絡，在滿足高精度觀測的同時，能夠大大降低人工作業量，實現大范圍、遠距離、自動化、低成本、實時監測。

1.2 常用的無線傳輸技術

目前常見的短距離無線通信技術主要有無線局域網802.11(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)、紅外數據傳輸(IrDA)、家庭無線電射頻技術(HomeRF)、紫峰(ZigBee)等[6]。其中Wi-Fi技術功耗較高，藍牙設備價格較高，紅外數據傳輸技術無法長時間維持網絡穩定，家庭無線射頻技術目前停止更新已退出歷史舞臺，以上幾種無線通信技術成本較高，且布設、運行環境要求高。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低成本、低復雜度的無線網絡技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中。ZigBee技術主要有低功耗、低成本、低傳輸速率、近距離、短延時、高容量、高安全、免執照頻段等特點。而且因其不需要固定網絡支持，可快速展開、抗毀性強。非常適用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸。

2 新型基于無線傳感網的沉陷監測

2.1 集成靜力水準儀的ZigBee無線傳感器網絡

ZigBee網絡中最基本的組成單元是設備，ZigBee協議將所有的ZigBee設備分為3種不同的類型[7]：①網絡協調器，負責網絡的建立、維護和管理，分配網絡地址等；②全功能設備FFD，具備路由功能，主要負責進行網絡中最佳數據傳遞路線發現，減少數據轉發次數，降低網絡整體功耗，延長網絡壽命，擴展網絡的覆蓋范圍；③簡化功能設備RFD，不具備路由功能，只能選擇加入已經形成的網絡，只能收發信息，不能轉發信息。ZigBee網絡中至少存在1個FFD作為網絡協調器，1個FFD可以同時和多個RFD或FFD通信，而1個RFD只能和1個FFD進行通信。ZigBee網絡可采用星型、樹型和網型網絡結構[8]，由1個主節點管理若干子節點，1個主節點最多可管理254個子節點。

本研究采用樹型網絡結構，將靜力水準儀作為傳感器連接到子節點，子節點將采集到的數據發送給主節點，遠距離子節點可采用多跳的方式傳遞信息。每個子節點可設置成睡眠模式，在沒有數據發送時自動休眠，以降低功耗，延長使用壽命。網絡中的數據傳輸采用碰撞避免機制與完全確認的數據傳輸機制，而且網絡層和MAC層都有可分級的安全策略，可靈活定義各個應用的安全屬性。整個網絡具有較高的可靠性和安全性。集成靜力水準儀的ZigBee無線傳感器網絡示意圖如圖1所示。

圖1 ZigBee無線傳感器網絡

2.2 ZigBee無線傳感器網絡結合GPRS實現遠程監測設計

2.2.1 GPRS技術

通用分組無線業務(General Packet Radio Service)[9]具有覆蓋范圍廣、數據傳輸速度快、通信質量高、永遠在線和按流量計費等優點。GPRS采用和GSM一樣的無線調制標準、頻帶、突發結構、調頻規則以及TDMA幀結構，允許用戶在端到端分組轉移模式下接發數據不需要利用電路交換的網絡資源，這種高效率、低成本的無線分組數據業務特別適用于少量的、頻繁的、突發性的、間斷性的數據傳輸業務或者偶爾數據量很大的傳輸應用，同時傳輸距離幾乎不受約束。因此，利用GPRS技術結合ZigBee無線傳感器網絡，實現數據大量傳輸及遠程控制成為一種可行方案。

2.2.2 ZigBee無線傳感器網絡結合GPRS遠程傳輸網絡設計

在ZigBee無線傳感器網絡中，監測區域子節點的傳感器采集到的數據直接發送或通過路由送往到協調器節點。協調器節點與GPRS模塊相連，將數據傳送給GPRS，然后發送到遠程的監控中心，從而實現實時遠程監測。數據傳輸過程如圖2所示。

圖2 數據傳輸示意

采用ZigBee無線傳感器網絡技術和GPRS無線遠程傳輸技術，構造了一種二者通信優勢互補的無線傳感網絡[10]。該系統具備了ZigBee技術的組網速度快、成本比較低、功耗比較小、網絡結構簡單、對參數能進行實時監控和遠程通信的特點。通過多個子節點采集到的數據發送到主節點，再經由網關傳輸至GPRS網絡，利用成熟的GPRS技術，實現了數據全無線的遠距離傳輸與監測，同時還能以短信的方式發送到指定的手機上。

3 實 驗

選取兗礦集團鮑店礦區為實驗礦區，選擇2處地點分裝布設靜力水準儀，組成1個小型樹形網絡，其中一處為基準點，另一處為監測點。每個傳感器節點定時發送數據到中心節點，節點發送完數據后進入休眠狀態，中心節點將數據發送至GPRS模塊，GPRS模塊再將數據發送到遠程監控中心的數據庫，如圖3所示。圖4為根據靜力水準儀數據手冊處理得到的最終觀測值。

圖3 遠程數據庫界面

圖4 靜力水準系統連續觀測值

4 結 語

通過將傳統靜力水準系統與無線傳感網技術相結合，構建一套基于ZigBee與GPRS的無線傳感器網絡，可實現對地表沉降的實時、高精度、連續觀測，極大地節省了人力物力。其成本低、便于布設、靈活性高、容易維護、可適應復雜的地質環境等特點使其具有廣闊的應用前景。同時在應用過程中應考慮溫度等因素的影響，而且靜力水準系統管路長短對監測結果也有一定的影響，要根據實際情況適當調整，提高靜力水準系統的使用效果。

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(責任編輯 石海林)

Surface Subsidence Monitoring Based on the Wireless Sensor Networks and Hydrostatic Leveling

Yang Wenhuan Sun Jiuyun

(SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China)

With the development of society，requirement on the real-time monitoring，automation and accuracy of Mining and surface subsidence and other important buildings are high，and the traditional precise leveling is costly and long cycle，and requires fieldwork.It is not conducive to long-term，real-time and automatic monitoring.Combining the wireless sensor network technology with the traditional hydrostatic leveling system，a wireless hydrostatic leveling system is built based on ZigBee wireless transmission at low cost and GPRS technology.In this system the static level as a sensor is connected to a child node in the wireless network.The data collected will be sent to the master node by the child node，and then to the remote Database by the DTU module and GPRS network.This system can realize remote，real-time，high precise monitoring on surface subsidence in mine with a broad application prospect.

Surface subsidence，Hydrostatic leveling，Wireless network，ZigBee

2015-02-28

江蘇高校優勢學科建設工程基金項目(編號：SZBF2011-6-B35)。

楊文環(1990—)，男，碩士研究生。

TD17

A

1001-1250(2015)-04-208-04