基于NB-IoT技術的滑坡監測系統研究

龍耀 王霄 楊靖 楊另

摘要：滑坡監測對于地質災害的防治至關重要，這是了解監測山體動態變化和事故預警的重要手段，也是保障人民生產生活、財產和生命安全的重要保障。針對傳統滑坡災害預警系統的局限性，本文基于無線技術通過自組網的方式將無線傳感器應用在滑坡預警監測中。該系統以Arduino UNO作為開發板運用窄帶蜂窩物聯網（NB-IoT）無線網絡技術進行構建，并采用ATmega328P-PU芯片作為核心處理器。以自組網網絡無線傳感器網絡技術作為支撐，用滑坡模擬實驗對相關的技術方法進行實驗，證明其可行性和實用性。與傳統有線式監測方式相比較，這種監測系統可以實時準確地傳輸監測信息，且具有低功耗、廣覆蓋、大連接等優點，使其更加智能高效。

關鍵詞：窄帶蜂窩物聯網;無線技術;滑坡監測;無線傳感器網絡;Arduino

0引言

在中國西南地區，地質和地理條件非常復雜，且南方氣候濕潤，雨量充沛，山體滑坡發生率很高。滑坡的危害很大，對于當地人民的生產生活，人身財產安全造成很大的危害，給國家經濟造成巨大損失。因此，對相關山體建立有效的監測系統，可以對其采取相應的預防措施，最大程度上減少滑坡所帶來的人身危害和財產損失。因此，對于滑坡預警系統的研究對于防災減災工作非常重要。

傳統的預警監測方法大多采用有線連接傳輸，這種方式受限于地理環境、供電條件、穩定性不足，設備難以維護、有線傳輸數據距離長、投入成本高等因素影響，要對整個山體覆蓋有線網絡進行監測難度巨大，并且傳統的監測方法反饋速度慢，反饋方式也不直接，往往錯過了事故預防的最佳時間。在存在蜂窩技術的時代，傳統的監測方式在技術方法方面已經落后于時代發展的需求。

而NB-IoT是一種新的低功耗窄帶蜂窩物聯網技術。其支持大量低速率、低功耗的設備接人，使得設備投入成本大大降低，適用于數據實時傳輸的工作場景。基于無線傳感器的無線性、抗破壞能力強的特點，充分說明NB-IoT無線技術適合運用在滑坡預警監測研究中。相比于傳統有線式的監測方式，本文所提出的新方法有著網絡自組織性、傳感器多樣化以及實時監控等優點，減小了系統監測布置的難度，維護更加方便，數據傳輸更加穩定。隨著無線傳感器性能不斷的優化，將會更多運用在像滑坡監測預警等方面的研究中。

1 NB-IoT技術支持

在信息化時代，無線技術在各行各業中已廣泛運用。NB-IoT技術產生于互聯網技術之上。因此具有很多智能化功能。將NB-IoT技術運用在滑坡監測相對于傳統的監測系統具有更明顯的優勢，改善了傳統監測系統的不足。現在NB-IoT技術已經成功整合到現有的移動網絡中，依托中國網絡運營商的眾多信號傳輸基站，可有效解決其覆蓋問題。可將其運用在遠程監控中，對戶外山體動態進行實時監控：當有土壤動態發生不正常變化時，將監測數據由遠程監測中心進行分析，針對所出現的狀況指定對應策略。NB-IoT的信號穿透力強，而且還支持更多的并發連接。其有著低成本、低功耗的優勢，雖然實際運用場景中也會有一些問題產生，但隨著其技術的不但改進和完善，未來一定會被大面積推廣應用。

2 總體架構設計

滑坡是由多種因素綜合在一起，使山坡坡體土壤巖石等發生局部移動的現象，預警發生的主要監測因素包括降雨量、土壤含水量、土壤位移、傾斜角度、溫濕度等。由于西南地區山體地質條件比較復雜，所監測區域的情況不同，所以，在整體設計時應具有自組織網的分布式構架，這樣可以根據監測的需要增減傳感器的規模和種類。本設計的總體網絡拓撲如圖1所示，分布在監測坡體帶有無線通信模塊的各個傳感器節點檢測坡體的環境信息，如溫濕度、土壤含水率、位移、巖土傾斜度等;將所采集的各項數據通過NB-IoT無線模塊由基站發出信號傳輸到物聯網云平臺：網絡管理系統將數據打包：用戶端實時獲取監測的數據信息;控制中心對數據運用算法進行處理運算、分析和建模：及時得出監測信息，對有可能發生山體滑坡災害的情況發出預警。

3 系統硬件設計

3.1 網絡體系結構

系統硬件組成如圖2所示，主體由電源模塊、數據采集模塊、數據處理模塊、無線通信模塊所構成。數據采集模塊使用在監測區域內布置的不同種類傳感器采集相對應的信息，經過A/D轉換成為數字信息;數據處理模塊是整個網絡節點的核心，實現對數據的存儲、分析處理以及通信協議的執行等工作：無線通信模塊用于節點間的通信和數據傳輸，完成無線通信的任務;電源模塊對各個節點進行供電，是所有電子系統的基礎。如有需要，還可以拓展其它模塊。

3.2 拓撲通信技術

為使無線傳感器網絡在滑坡監測的適用性，整個無線網絡節點必須要支持可靠性和合理性。而NB-IoT無線技術是面向自動化領域的一種低能耗、低成本、短時延、高覆蓋、強鏈接、大容量的無線網絡方案，正好適用于此。這種技術結合了傳感器技術、無線通信技術、分布式信息處理技術等等。由不同的微型集成化的傳感器相互合作實時采集監測指定范圍內監控對象的各項數據信息，NB-IoT無線技術明顯的優勢是數據采集后可直接上傳到云端，不需要通過網關，直接通過無線傳輸，簡化了現場部署。其網絡拓撲結構如圖3所示。

3.2.1 控制器選型

本設計采用Arduino UNO開發板。其基于開放原始代碼的Simple I/O平臺，是Arduino平臺的參考標準模板。處理器核心是ATmega328P-PU芯片，ATmega328P-PU，32K Flash，2K RAM，8輸入ADC，AVR處理器，程序存儲器容量：32KB（32K x 8），具有高性能、低功耗、先進的RISC體系結構、高耐力非易失性內存段、上電復位和可編程布朗檢測。可在惡劣環境下同時保持穩健通信，并且可以搭建符合IOT標準產品所需的所有硬件和軟件。這款芯片集成度很高，外部電路相對簡單，用在無線傳感器設計中相對簡潔。

3.2.2數據采集節點設計

節點功能模塊如圖4所示。包含傾斜計傳感器、土壤水分儀、位移傳感器、孔隙水壓力傳感器、加速度傳感器、NB-IoT無線傳感器收發處理模塊以及供電模塊（電池組）。

傾斜計用于測量土壤流動所產生的傾斜度，其數據用于分析山體所能承受壓力的限度。土壤水分儀主要用來測量土壤含水量（土壤含水率），土壤水分儀是山體滑坡監測預警系統中最重要、最基礎的儀器。位移傳感器采用拉繩位移傳感器，能及時測量到土質滑動滑移狀態，不僅能對大位移進行檢測，對小位移也能監測到，可以提高系統監測的保證率。孔隙水壓力傳感器采用AD-25微型孔隙水壓力傳感器。用于測量巖石和土壤地表水的流動狀態和水壓力的大小，并把水壓力從所量測的總土壓力中分離出來;也可用于測孔隙水壓力的大小和分布。具有快速響應、體積小、重量輕等特點。加速度傳感器采用MMA8451數字式三軸加速度傳感器，采用低電壓供電，集成度高，最高精度可達14位。傳感器采用QFN封裝，內部自帶低通濾波器功能。

3.2.3 路由節點設計

路由節點的硬件結構組成部分有：供電模塊（電池）、ATmega328P-PU芯片以及NB-IoT模塊。路由節點主要作用是路徑選擇和數據轉發，其將數據采集節點采集到的數據傳送到匯聚節點，當有新的節點加入后，路由器會自行選擇新的鏈路。

傳感器網分布在滑坡監測地帶，是屬于危險性較高的區域。除了在傳感器設計時進行優化，盡可能降低其能耗以外，供電模塊的設計對于整個傳感器網絡至關重要。供電模塊在設計時要根據實際情況考慮其儲能和供電的方式。考慮到所采用的NB-IoT模塊耗能極低，因此可以采用電池供電，本文選擇CRl23a鋰電池，額定輸出電壓3.7V，容量可達700mA。h。

4 系統軟件設計

搭載NB-IOT的無線傳感器完成數據采集后，利用網絡通信將數據傳輸到物聯網云平臺，遠程控制端上位機讀取數據后，通過物聯網平臺發送指令給微處理器，微處理器再將不同的操控指令傳輸至對應的無線傳感器，以實現遠程無線控制操作。

無線傳感器網絡的無線監測數據采集設計平臺采用Arduino的集成開發環境（Arduino IDE），這是一款開放源代碼的集成開發環境。語法簡單且方便，界面簡潔，便于程序開發。Arduino IDE具有很強的兼容性，能夠適用在Windows、Linux以及Max OS X系統中。軟件開發設計主要涉及現場無線傳感器網絡節點網絡數據采集設計和監測系統上位機構建設計。

4.1 數據采集流程

為降低能耗，將傳感器節點的工作模式選擇為中斷工作模式。一般情況下處于休眠狀態。當設定為指定時間時，程序進入中斷模式，啟動CPU進行數據采集和傳輸。數據采集過程中，所采集的數據沒有超過閾值時，無信息指令發出，當采集的數據到達閾值時，由傳感器節點發送信號至監控中心，由監控中心做出指令。這樣設計可以節省能耗，延長傳感器使用時間，方便經濟。無線傳感器數據采集流程如圖5所示。

4.2 上位機系統

上位機界面以Microsoft Visual Studio（VS）為開發環境，運用C#語言進行編寫。上位機用于對整個監測系統進行數據實時記錄、顯示、查刪等功能的監測和管控。主要有以下功能：

（1）對數據庫進行管理，能夠使各個模塊間的數據能夠相互讀取。

（2）提供人機交互界面，使用戶能有效在用戶端進行操作。

（3）數據分析，將所接收到的各個模塊的數據進行處理分析，得到對應的數據分析結果。

5 結束語

NB-IoT作為一項新興的無線技術廣受歡迎。正大量應用于不同的生活場景。本設計方案特色是采用NB-IoT無線技術。將其運用到滑坡監測系統的設計中，研究其通過無線傳感器網絡數據采集和傳輸，這種方法具有較強的可操作性。通過使用多種互聯的傳感器組成的數據采集節點對滑坡監測數據進行采集和分析，對可能發生災害的情況做出判斷，能有效減少滑坡災害對人們生產生活造成的影響。鑒于NB-IOT的優點。將在滑坡監測預警中具有很好的適用性以及較強的發展優勢。這對于防治滑坡災害具有重要的參考價值。