基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地質(zhì)遺跡監(jiān)測(cè)平臺(tái)

羅興賢 肖建瓊 周曉慶

摘要：地質(zhì)遺跡由于其特有屬性需要有效保護(hù);我國(guó)根據(jù)不同分布特征的地質(zhì)遺跡制定了相應(yīng)的保護(hù)措施來(lái)保護(hù)人為因素對(duì)地質(zhì)遺跡的破壞;無(wú)線傳感器技術(shù)使得其為監(jiān)測(cè)非人為因素對(duì)地質(zhì)遺跡的破壞成為可能;分析了破壞地質(zhì)遺跡的非人為因素的監(jiān)測(cè)需求，設(shè)計(jì)了基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的地質(zhì)遺跡監(jiān)測(cè)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)非人為因素進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)遺跡的有效保護(hù)。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)遺跡;保護(hù);監(jiān)測(cè);無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）22-0087-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

A Geological Relics Monitoring Platform Based on Wireless Sensor Network

LUO Xing-xian， XIAO Jian-qiong， ZHOU Xiao-qing

（Education and Information Technology Center of China West Normal University， Nanchong 637009， China）

Abstract： Geological relics need effective protection because of their unique attributes;According to the different distribution characteristics of geological relics， China has formulated corresponding protection measures to protect the destruction of geological relics by human factors;Wireless sensor technology makes it possible to monitor the destruction of geological relics by non-human factors; Analyzed the monitoring requirements of non-human factors destroying geological relics，designed a geological heritage monitoring platform based on ZigBee protocol for wireless sensor network，in order to monitor the destruction of geological relics by both human and non-human factors，so to protect geological relics effectively。

Key words： geological relics; protection; monitoring; WSN

1 背景

地球在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史演變過(guò)程中，由于內(nèi)外力的地質(zhì)作用，形成了千姿百態(tài)的地貌景觀、地層剖面、地質(zhì)構(gòu)造、古人類(lèi)遺址、古生物化石、礦物、巖石、水體和地質(zhì)災(zāi)害遺跡等，其中具有獨(dú)特性和典型價(jià)值的，便成為人類(lèi)所關(guān)注的地質(zhì)遺跡。地質(zhì)遺跡反映了地質(zhì)歷史演化過(guò)程和物理、化學(xué)條件或環(huán)境的變化，它是人類(lèi)認(rèn)識(shí)地質(zhì)現(xiàn)象、推測(cè)地質(zhì)環(huán)境和地質(zhì)演變條件的重要依據(jù)，是人們恢復(fù)地質(zhì)歷史的主要參數(shù)。

由于地質(zhì)遺跡不可再生的特性，使其成為全人類(lèi)的共同財(cái)富，對(duì)地質(zhì)遺跡的保護(hù)是社會(huì)的責(zé)任。常用的保護(hù)手段是建立地質(zhì)公園或地質(zhì)遺跡數(shù)據(jù)庫(kù)，它們是保護(hù)、規(guī)劃、開(kāi)發(fā)與合理利用地質(zhì)遺跡的基礎(chǔ)工作，也是推進(jìn)地質(zhì)遺跡的科學(xué)研究和地學(xué)普及的重要條件。

國(guó)際上十分重視地質(zhì)遺跡的保護(hù)工作，聯(lián)合國(guó)教科文組織還專(zhuān)門(mén)設(shè)立了地質(zhì)遺產(chǎn)工作組，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)全球地質(zhì)遺產(chǎn)保護(hù)工作。英美等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家在地質(zhì)遺跡保護(hù)工作上制定了相關(guān)的法規(guī)體系，采取了一系列行之有效的措施，為世界其他國(guó)家的地質(zhì)遺跡保護(hù)提供了很好的借鑒。我國(guó)對(duì)于地質(zhì)遺跡的保護(hù)工作也十分重視，保護(hù)工作始于20世紀(jì)70年代，然后根據(jù)實(shí)際情況，出臺(tái)了多部相關(guān)法規(guī)，使地質(zhì)遺跡的保護(hù)工作取得了很大的發(fā)展和進(jìn)步。

2 地質(zhì)遺跡的分類(lèi)保護(hù)

由于我國(guó)地域廣闊，地理?xiàng)l件復(fù)雜多變，地質(zhì)構(gòu)造形式多樣，地質(zhì)遺跡豐富多彩，是世界上地質(zhì)遺跡種類(lèi)齊全的少數(shù)國(guó)家之一，有的在世界上更是獨(dú)一無(wú)二。在實(shí)際保護(hù)地質(zhì)遺跡的時(shí)候，往往是根據(jù)其分布特征來(lái)制定相應(yīng)的保護(hù)措施來(lái)進(jìn)行保護(hù)的，如表1所示。

從表1中可以看出，目前對(duì)地質(zhì)遺跡的保護(hù)措施，主要是從制度和視頻監(jiān)控安全網(wǎng)絡(luò)來(lái)限制來(lái)自人類(lèi)的社會(huì)活動(dòng)這些人為因素對(duì)地質(zhì)遺跡所產(chǎn)生的破壞行為，而對(duì)于來(lái)自大自然本身的非人為因素對(duì)地質(zhì)遺跡的破壞作用，則還未見(jiàn)具體的監(jiān)測(cè)手段及相應(yīng)措施。因此，要全面地保護(hù)好地質(zhì)公園的地質(zhì)遺跡，需要設(shè)計(jì)一種科學(xué)的是監(jiān)測(cè)平臺(tái)，采用科學(xué)手段和全面的措施，從人為破壞因素和非人為破壞因素兩個(gè)方面來(lái)監(jiān)測(cè)與保護(hù)地質(zhì)遺跡。

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， 簡(jiǎn)稱(chēng)WSN）是微電子技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、Ad Hoc無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、分布式計(jì)算等信息技術(shù)發(fā)展和融合的產(chǎn)物，最早出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，20世紀(jì)80年代和90年代得到了一定的發(fā)展，但主要用于軍事領(lǐng)域。而從21世紀(jì)開(kāi)始至今，WSN得到了迅速的發(fā)展，由于WSN具有自組織、動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)、多跳路由和以數(shù)據(jù)為中心的特點(diǎn)，使得除了軍事領(lǐng)域，WSN還用于精細(xì)農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)控、環(huán)保監(jiān)測(cè)、建筑領(lǐng)域、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、工業(yè)監(jiān)控、智能交通、物流管理、自由空間探索和智能家居等領(lǐng)域。

基于WSN上述特點(diǎn)，將其用于建設(shè)對(duì)地質(zhì)公園地質(zhì)遺跡進(jìn)行保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)，除了對(duì)人類(lèi)行為的安全監(jiān)測(cè)外，還可以對(duì)地質(zhì)遺跡所在的大規(guī)模的分布范圍廣的自然環(huán)境的各種非人為因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯聚到監(jiān)測(cè)服務(wù)器，供安全監(jiān)管部門(mén)使用。

4 需求分析

為了有效保護(hù)地質(zhì)遺跡，結(jié)合已有的保護(hù)制度和視頻監(jiān)控安全網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，設(shè)計(jì)一種基于WSN的地質(zhì)遺跡監(jiān)測(cè)平臺(tái)，需實(shí)現(xiàn)如下功能：

融合視頻監(jiān)控安全網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)視與地質(zhì)遺跡相關(guān)的人類(lèi)的活動(dòng);

監(jiān)測(cè)光通量的大小，對(duì)于需要光保護(hù)的地質(zhì)遺跡，可控制其環(huán)境中的光通量;

監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，控制溫度變化;

監(jiān)測(cè)環(huán)境水位，預(yù)防洪澇災(zāi)害;

監(jiān)測(cè)地表壓力，預(yù)防滑坡、泥石流等;

監(jiān)測(cè)封閉環(huán)境中的熱量，預(yù)防高溫或火災(zāi);

監(jiān)測(cè)土壤或水的酸堿度，預(yù)防化學(xué)腐蝕;

監(jiān)測(cè)大氣成分，如大氣中二氧化碳或易燃易爆氣體的含量，及時(shí)疏散游客;

監(jiān)測(cè)水中指定污染物的含量，預(yù)防水污染等。

5 監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述需求，設(shè)計(jì)的地質(zhì)遺跡監(jiān)測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)平臺(tái)采用基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的光傳感器網(wǎng)絡(luò)、溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)、水位傳感器網(wǎng)絡(luò)、壓力傳感器網(wǎng)絡(luò)、熱量傳感器網(wǎng)絡(luò)、酸堿度傳感器網(wǎng)絡(luò)、大氣傳感器網(wǎng)絡(luò)和污染物傳感器網(wǎng)絡(luò)等不同功能子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，關(guān)整合了已有的視頻監(jiān)控安全網(wǎng)絡(luò)，這些子網(wǎng)絡(luò)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星與地質(zhì)遺跡監(jiān)測(cè)平臺(tái)服務(wù)器連接;監(jiān)管用戶(hù)通過(guò)監(jiān)控機(jī)以HTTP方式從服務(wù)器獲取各類(lèi)所需要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以監(jiān)控相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的狀況，以便制定或啟動(dòng)相應(yīng)的安全措施。

而對(duì)于其中的每一個(gè)傳感器子網(wǎng)絡(luò)，都由同類(lèi)傳感器組成如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)。其中的小圓圈代表傳感器，傳感器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)地采集監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，并讓這些數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)多跳地進(jìn)行傳播，傳到匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚結(jié)點(diǎn)經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳到平臺(tái)服務(wù)器存儲(chǔ)與處理。

在具體設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)所需的子網(wǎng)進(jìn)行取舍，也可根據(jù)使用的控制器與收發(fā)器芯片的功能特點(diǎn)，將幾個(gè)子網(wǎng)絡(luò)合為一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，比如采用ST公司的STM32F107控制器和CC2430收發(fā)器芯片組成的傳感器子網(wǎng)絡(luò)即可同時(shí)對(duì)溫度、濕度和空氣中二氧化碳含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將溫度、溫度和大氣成分幾個(gè)子網(wǎng)絡(luò)合并成一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)。

6 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)平臺(tái)采用基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能實(shí)時(shí)地集和傳遞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，讓監(jiān)管用戶(hù)可以即時(shí)掌握地質(zhì)遺跡及其環(huán)境的相關(guān)狀況，在最快的時(shí)間對(duì)異常情況做出響應(yīng)，科學(xué)有效地保護(hù)地質(zhì)遺跡。

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