滑坡監測系統數據傳輸方式優化設計

代煒佳 ，王洪輝 ，張 濤

（1.中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，綿陽 621000；2.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059）

地質災害是一種由自然因素或人為活動引發的危害人民生命和財產安全的山體滑坡、崩塌、泥石流等有關的災害[1]。我國是世界上地質災害最嚴重的國家之一，具有災害種類繁多、分布廣泛、活動頻繁、危害嚴重等特點，而其中滑坡災害占災害總數的51%。

現有的滑坡監測預警系統，一般基于GSM網絡的無線數據傳輸。GSM通信模塊的發射功率有限，需要經地面信號塔（信號基站）中繼，才能實現遠距離的無線數據傳輸。然而，在地震、泥石流、暴雨等極端環境下，不僅會發生GSM信號中斷、時間延遲加大、數據丟失等情況，還可能由于地面信號塔通信中繼中斷，進而導致監測數據的長時間傳輸中斷，由此降低了系統對“防災減災”工作的支持效果。

中國北斗衛星通信系統由空間段、地面段和用戶段3部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高可靠的數據通信功能，幾乎不受地質條件及環境限制。將基于北斗短報文通信技術替代現有基于GSM模塊的數據傳輸方式，很大程度上提高系統的實時監測性能，在災害孕育的過程中，實時傳送監測數據，為“防災減災”工作提供決策支持。

1 現有系統架構

1.1 系統組成

滑坡監測預警系統由野外監測點和室內監測站組成。

野外監測點，選取經過研究論證的高危滑坡隱患滑坡體，在適當位置安放監測滑坡位移、傾斜度、降雨量參數的傳感器，形成一個小型地質災害監測點。每一個監測點傳感器采集到的數據，經微型單片控制器MCU（micro controller unit）SOC-C8051F530控制GSM通信模塊以短信形式發送出去，經信號中繼站通信中繼后，發送至室內監測站的數據接收主機。

室內監測站是由數據接收主機及監控主機組成，數據接收主機會接收來自野外采集點發送的數據，經串口轉送至安裝地質災害監測預警軟件的PC機，并在屏幕上呈現出近期相關參數的詳細監測界面。現有系統總體結構如圖1所示。

圖1 現有系統總體結構Fig.1 Block diagram of the existing system

其具體的工作流程如下：

（1）野外監測點的傳感器以固定時間間隔或事件觸發的方式，采集滑坡的實時參數；

（2）野外監測點的MCU控制GSM通信模塊，將數據以短信編碼的方式發送至室內監測中心的數據接收主機；

（3）數據接收主機將野外采集節點的數據經串口送監控主機；

（4）監控主機提取出數據中包含的時間、監控地點及監測量等參數，直觀呈現在監測軟件的界面上。

1.2 不足與分析

GSM通信模塊選用上海移遠電子的M72-D，該模塊是采用SMD封裝的GSM/GPRS雙頻模塊，支持900/1800 MHz的短信、數據傳輸，尺寸小，功耗低，已成熟應用于無線POS機、無線抄表等領域[2]。但是，該模塊發射功率較小（在GSM900頻段下，僅2 W），在10 km以上遠距離數據傳輸時，必須通過通訊基站對其進行通信中繼；通信基站完成前向接收、功率增強、后向發射等功能后[3]，才能使得數據在逐級傳輸的過程中不丟失。現有數據傳輸方式的原理如圖2所示。

圖2 現有數據傳輸方式原理Fig.2 Schematic diagram of the existing data transmission method

參照圖2，數據逐級傳輸的過程中，所經過的通訊基站數量與傳輸距離成正比關系。在傳輸過程中，數據傳輸中斷或不穩定的情況有如下幾種可能：

（1）數據傳輸距離較大時，數據由野外監測點的發射端到達室內監測站的接收端，需經過若干級通訊中繼，這個過程會產生較大的時間延遲，較大程度上影響了數據的實時性；

（2）若某個區域內的天氣狀況惡劣（如狂風、雨雪天氣等），則該區域內通信基站的信號穩定性將下降，數據傳輸的可靠性也將大幅下降，數據丟失幾率增大；

（3）監測滑坡體位于偏僻山區，若發生地震、泥石流、暴雨等災害，相關部門會在第一時間切斷主要公共設施供電，區域內通信基站將全部停止工作，基于此方式的數據傳輸將全部中斷。

1.3 實例分析

2013年8月17日，綿陽某地爆發泥石流災害，位于該地區所有野外監測點的監測數據傳輸全部中斷，中斷時間近72 h，室內監測站無法獲取滑坡體的現場實時情況，不僅降低了監測預警系統的實效性，而且也在一定程度上影響了當地有關部門對“防災減災”工作的部署實施。

事后調查得知，該地區唯一的35 kV主干輸電線路遭到了邊坡垮塌破壞，所有電力供應中斷，移動通訊基站斷電停止工作，監測區域成為了信息孤島，導致GSM數據傳輸無法完成通信中繼，野外監測點的監測數據無法傳輸。

故此，提出采用北斗衛星通信替代GSM通信，克服通信基站受當地電力供應制約的困難，以提高地質災害監測預警系統的時效性，特別是對于西南山區地災監測尤為重要。

2 數據傳輸技術對比

2.1 幾種遠距離數據傳輸技術對比

數據傳輸技術作為滑坡監測預警系統的關鍵之一，很大程度依賴于現代通信技術，如GPRS/CDMA、GSM 短信、Internet、衛星通信等。

GPRS/CDMA、GSM短信通信相對簡單，易于架設，傳輸速率也基本滿足地質災害監測的需要，但對通信基站依賴性強，在基站通信繁忙或者網絡信號差的地區，容易發生數據傳輸延時，甚至數據丟失；而且，在某些偏遠地區（如山區與城市郊區）存在通信盲區，不利于建立覆蓋全國范圍內的地質災害實時監測系統[4]。Internet傳輸速率快，但其傳輸方式為有線，不易架設，且保密性不高。衛星通信最大的優點在于幾乎不存在通信盲區，具有極高的數據傳輸可靠性，適合其他通信手段無法覆蓋的偏遠地區的地質災害監測[5]；但是由于其通信容量小，運行費用比較高，不適合大數據量的地質災害監測。表1對目前幾種常用的通信技術的性能與特點進行了比較。

2.2 基于衛星通信的數據傳輸技術

北斗衛星定位導航系統是繼美國全球定位系統GPS（global positioning system）、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）導航系統之后，世界三大全球衛星導航系統之一[6]。這三大衛星系統都具備定位導航功能，而只有北斗系統具有短報文通信功能。

表1 幾種通信方式性能與特點比較Tab.1 Performance comparing of the several communication methods

北斗衛星定位系統的短報文通信功能，采用點對點雙向數據傳輸，主要方式是數據報告，傳輸形式為數據包，單次最大發送量為100 kB[7]。北斗通信終端通過安裝IC卡方式，以卡號ID對卡號ID，實現兩臺終端之間的短報文數據傳輸，而IC卡的類型決定了單次發送報文的長度和發送頻率。在北斗民用領域，發放的IC卡通信頻率通常為每分鐘一次，單次通信的報文長度不超過78.5 kB，即北斗通信的帶寬為每分鐘傳輸78.5 kB[8]。

3 基于北斗衛星通信技術的數據傳輸優化

3.1 數據傳輸方式優化

數據傳輸方式優化的關鍵在于野外監測點采集的數據經電平轉換后，不需要任何通信中繼，直接通過北斗發射終端采用算法加密后上傳空間衛星；在地面控制中心的協調下，將空間衛星的實時數據轉發至室內監測站的北斗接收終端；接收終端會校驗接收到數據的合法性，并解碼提取出其中包含的時間、監控地點及監測量等參數，并經RS232串口送至監控主機；監測數據顯示界面上直觀呈現出滑坡體位移量、傾斜度、雨量等實時監測情況。優化方案總體框圖如圖3所示。

圖3 數據傳輸方式優化總體框圖Fig.3 Block diagram of the optimized data transmission method

要實現基于北斗衛星通信技術的數據傳輸，需要完成如下的數據傳輸流程：

（1）地面控制中心實時掌控衛星及用戶工作情況；

（2）用戶終端主動發射信號進行通信申請，衛星接收到后將其轉發到地面控制中心；

（3）地面控制中心收到用戶信號后，解讀出用戶申請的服務內容，再將相關信息或通信內容發送到衛星；

（4）衛星在收到控制中心發來的通信內容后，轉發給用戶或收件人，實現通信服務。

3.2 北斗通信終端

北斗通信終端采用成都新橙智聯科技的民用北斗/GPS一體式發送/接收用戶機，具有北斗短報文數據傳輸功能，并具備良好的野外環境適應能力。

北斗通信發送端與野外監測點連接，MCU完成與終端的握手、數據加密、校驗碼生成、發送校驗等功能后，將數據上傳至終端緩存，終端將數據發送至北斗軌道衛星；地面控制中心會在接收到衛星發送的通信申請后，解讀終端申請的服務內容，并將響應發送至衛星；衛星在接到響應后，將數據轉發至指定接收終端。終端由鉛酸蓄電池提供12 V電源，出于低功耗考慮而處于睡眠模式下，會在接受操作后立即喚醒，并在15 s內完成數據發送。

北斗通信接收終端與室內監測站連接，在接收到北斗衛星發送的數據后，對校驗碼進行真偽校驗。若為真，表示其符合北斗通信協議，則提取出其中包含的時間、監控地點及監測量等參數，經RS232串口送監控主機處理；若為偽，則棄置不用。終端12 V直流電源由恒孚電源公司AC-DC模塊AC220S12DC-20W提供，處于待機模式下（一直開機）。北斗衛星通信技術的原理示意圖如圖4所示。

圖4 北斗衛星通信技術原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the Beidou communication system

3.3 通信編碼協議

野外監測點要將信息通過北斗發送終端發送到北斗接收終端，必須將數據編碼成北斗短報文格式，再送北斗終端發送。北斗通信編碼協議基本格式：通信命令，報文總長，發方ID，報文類型、收方ID，報文正文長度，應答位，報文正文，校驗碼。

例如：發方ID為424412的北斗終端機，向收方ID為424411的終端，發送數據‘123’。該操作的通信編碼協議如表2所示（表中均采用16進制，省略 0x）。

表2 北斗通信編碼協議Tab.2 Beidou communication coding protocol

4 優化后系統架構

4.1 野外監測點

野外監測點由傳感器電路、信號調理電路、主控SOC-C8051F530、北斗通信發射終端、太陽能充電電路、蓄電池電源管理電路。具體框圖如圖5所示。

圖5 野外監測點結構框圖Fig.5 Block of the on-site monitoring nodes

4.2 室內監測站

基于北斗通信的數據傳輸方式，北斗接收終端能獨立完成數據的校驗、解碼、信息提取、傳送等功能，將野外監測點發射終端發送的數據經RS232串口，送PC監控主機處理，故此取消了先前提到的數據接收主機。監測預警軟件集成了數據分析、歸類整理、存儲等功能，并在屏幕上呈現出近期相關參數的詳細監測界面。

5 示范應用

優化后的系統應用于“貴州省地質災害監測預警與決策支持平臺”項目，監測點位于貴州省畢節市赫章縣野馬川鎮K93巖質高邊坡 （經度104.7724，緯度27.1476，高程 1641 m），至威寧高速公路第 4～6合同段人工開挖邊坡，地表裂縫位移監測儀（量程1000 mm）、地表傾斜度傳感器（量程±90°）安裝于邊坡開挖形成的危巖體，雨量監測儀（量程7 mm/min）位于第8級支護平臺，在巖體平面安裝，采用12 V/60 Ah的膠體鉛酸蓄電池作為電源。

經過近2年的監測應用，系統數據采集分辨率達到位移 2 mm、傾斜角 0.025°、雨量 0.1 mm，北斗數據傳輸無時間延遲、無丟包，極端氣候條件下也能可靠傳輸，系統總體工作正常穩定。系統現場布置如圖6所示。

圖6 北斗采集系統布置圖Fig.6 Photo of the Beidou acquisition system

6 結語

本文提出了基于北斗通信技術的滑坡災害監測預警系統數據傳輸優化方案，解決了GSM通信在極端環境下可能出現的數據中斷問題，一定程度上提高了監測預警系統“減災防災”功能的可靠性。同時，監測數據精度高、實時有效，能為災害應急、科學研究提供決策支持。

[1]鐘永輝.論我國地質災害的現狀及主要類型[J].科技資訊，2009（2）：233.

[2]廖斌，王洪輝，庹先國，等.基于北斗通信的滑坡監測系統設計[J].自動化與儀表，2014，27（5）：22-25.

[3]李小兵，張庭園，宋濤，等.移動中繼通信技術綜述[J].電子科技，2014，27（11）：185-188.

[4]范本堯，李祖洪，劉天雄.北斗衛星導航系統在汶川地震中的應用及建議[J].航天器工程，2008，17（4）：6-7.

[5]朱永輝，白征東，羅騰，等.“北斗一號”導航衛星系統在青藏高原地應力監測中的應用[J].工程勘察，2009，37（5）：76-79.

[6]佚名.GPS、GLONASS、北斗、四大衛星導航系統[J].軍民兩用技術與產品，2012（5）：10-12.

[7]武震，賈文，張寧.北斗衛星通信在水文測報數據傳輸中的應用[J].中國新通信，2013（21）：60.

[8]妙英紅.基于北斗衛星通信的偏遠地區用電信息采集[J].電子設計工程，2015，23（10）：152-154.