基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的山體滑坡預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張紅月

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，陜西西安，710300）

0 引言

目前山體滑坡的監(jiān)測(cè)手段主要有衛(wèi)星實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量（INSAR）和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wireless sensor networking)等。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)代價(jià)太大，成本較高，合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量要求較高，所以不具備大范圍推廣條件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是比較理想的選擇，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用需要在GPRS覆蓋較好的區(qū)域，但山體滑坡多發(fā)生于GPRS信號(hào)覆蓋不到的山區(qū)地帶，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用構(gòu)成了限制。

本論文提出的解決方法是把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)取代傳統(tǒng)通信的GPRS信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)全區(qū)域、全天候信號(hào)的良好覆蓋，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋能夠適應(yīng)更多不同的地域，是實(shí)現(xiàn)山體滑坡預(yù)警的比較理想的選擇。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

山體滑坡主要的誘發(fā)因素有：地震、降雨和融雪、地表水的沖刷、浸泡、河流等地表水體對(duì)斜坡坡腳的不斷沖刷等[2]。對(duì)山體滑坡的主要監(jiān)測(cè)溫度、濕度、液位、傾角、加速度等，相應(yīng)采用的傳感器有溫度傳感器、濕度傳感器、液位傳感器、傾角傳感器和加速度傳感器。

山體滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、基站和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將采集數(shù)據(jù)先發(fā)送給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基站，基站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，按一定數(shù)據(jù)格式經(jīng)由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)送給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)于發(fā)生山體滑坡可能性較大的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)回?cái)?shù)據(jù)中的包含該區(qū)域的衛(wèi)星定位信息，可以得出發(fā)生山體滑坡可能性較大區(qū)域的具體位置信息，將相關(guān)信息經(jīng)過北斗衛(wèi)星及時(shí)通報(bào)相關(guān)政府部門，經(jīng)過地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)向社會(huì)發(fā)布。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

山體滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中主要的組成部分有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、基站和監(jiān)控中心[3]，這些設(shè)備在監(jiān)測(cè)過程中有著不同的分工，所起的作用也各不相同。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要構(gòu)成有溫度傳感器、濕度傳感器、液位傳感器、傾角傳感器、加速度傳感器、無線單片機(jī)模塊、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的通訊模塊和太陽(yáng)能電源供給系統(tǒng)等。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)之一，硬件采集數(shù)據(jù)的精度關(guān)系到對(duì)山體滑坡檢測(cè)的判斷準(zhǔn)確度。溫度傳感器和濕度傳感器用于測(cè)量傳感器節(jié)點(diǎn)周邊山體的氣候狀況，在天氣晴朗的時(shí)候，溫度回升濕度較小，發(fā)生山體滑坡的概率降低，傳感器節(jié)點(diǎn)的采集頻率和數(shù)據(jù)量會(huì)自動(dòng)減少，多雨濕潤(rùn)的氣候正好相反，發(fā)生山體滑坡的概率較大，傳感器節(jié)點(diǎn)采集頻率和數(shù)據(jù)采集量自動(dòng)增加。液位傳感器深入山體地下用于測(cè)量山體地下水位的變化狀況，地下水位上升則意味著發(fā)生山體滑坡的概率增大。山體是由多層土壤或巖層組成，不同層次巖層的侵蝕狀況有差異，運(yùn)動(dòng)速度不同，分布不同層次巖層的傾角傳感器用于監(jiān)測(cè)山體內(nèi)部的移動(dòng)狀況。山體發(fā)生移動(dòng)會(huì)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生作用力，傳感器節(jié)點(diǎn)在受到外力，加速度傳感器通過測(cè)量受到的外力來監(jiān)測(cè)山體的位移狀況。傳感器節(jié)點(diǎn)的北斗衛(wèi)星通訊模塊僅僅使用北斗衛(wèi)星的定位功能，監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)的定位，用于傳感器節(jié)點(diǎn)所在山體滑坡區(qū)域動(dòng)的測(cè)距和定位。

無線單片機(jī)可采用Ti-chipcon公司生產(chǎn)的符合ZigBee應(yīng)用的2.4GHz射頻芯片，其具有較高的接收靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力，并具有低成本、低功耗的特點(diǎn)。目前的傳感器技術(shù)已經(jīng)很成熟，相應(yīng)的溫濕度傳感器、液位傳感器、傾角傳感器和加速度傳感器可以在市場(chǎng)上買到，并且性價(jià)比不錯(cuò)。如溫濕度傳感器可采用瑞士Sonsirion公司推出的基于CMOSens技術(shù)的新型溫濕度傳感器SHTxx系列。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)框圖

節(jié)點(diǎn)的分布規(guī)則可按照相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行分布，確保系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分布的合理性。基站也可以看做一個(gè)節(jié)點(diǎn)，不僅可以與普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信傳輸數(shù)據(jù)，還可以與遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心進(jìn)行通信。遠(yuǎn)程通信采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的服務(wù)，作為中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的導(dǎo)航系統(tǒng)，具有安全可靠的特點(diǎn)，可以提供定位服務(wù)和短信通訊服務(wù)，并且具有全天候、全區(qū)域、高分辨率等特點(diǎn)，隨著北斗衛(wèi)星的廣泛使用，資費(fèi)也會(huì)不斷下降。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)好之后，就要相應(yīng)的設(shè)計(jì)出軟件系統(tǒng)，良好的軟件系統(tǒng)是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在。涉及到數(shù)據(jù)的采集、傳輸、匯聚與處理，同時(shí)需要與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通訊相融合的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控。傳感器節(jié)點(diǎn)正常情況下采集數(shù)據(jù)頻率較低，在測(cè)量數(shù)據(jù)大于設(shè)定閾值時(shí)進(jìn)行再次采集數(shù)據(jù)，再進(jìn)行判斷，如果還大于設(shè)定閾值則進(jìn)入預(yù)警狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)向基站進(jìn)行發(fā)送，通過北斗衛(wèi)星發(fā)送到監(jiān)控中心。

在客戶端可以開發(fā)基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通訊標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行判斷，判斷被監(jiān)測(cè)滑坡區(qū)域當(dāng)前狀態(tài)是否正常，對(duì)相應(yīng)的結(jié)果輸出顯示，如果發(fā)生山體滑坡可能性較大時(shí)，則相應(yīng)的進(jìn)行預(yù)警操作，并向政府相關(guān)部門的災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)告，同時(shí)將處理結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。

4 結(jié)束語

本文提出的基于北斗衛(wèi)星的山體滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合北斗衛(wèi)星全天候、全天時(shí)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、自組織、可靠性高的特點(diǎn)，發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn)，能較好得解決山體滑坡預(yù)警的問題。

[1]周溢德.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鐵道通信信號(hào)，2011，47（4）：77-79.

[2]朱望純，龐少東.一種基于Zigbee與GPS山體滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（9）：2779-2780.

[3]余釗，徐守志.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式山體滑坡預(yù)警監(jiān)測(cè)[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32（6）：33-35.