基于無線傳感網的邊坡監測系統

賈普仁 羅 剛 蘭 宇

（重慶電子工程職業學院通信工程學院，重慶 401331）

1 前言

近3年來，全國地質災害平均每年5423起，其中滑坡事故占比50%以上，給人民群眾生命和財產安全帶來極大的隱患，因此,在進行邊坡設計時需要更多的考慮邊坡的地質條件對其穩定性的影響及其變化趨勢。

2 邊坡監測系統需求分析

邊坡監測系統由前端數據采集系統、中端數據傳輸系統、后端數據處理系統等三大部分組成，綜合運用了傳感器與檢測、通信、計算機、巖土工程學等多學科知識，集監測、控制、通信功能于一體，通過一系列相關活動，實現對邊坡巖土體內部位移、結構傾斜、土壤濕度、雨量、孔隙水壓力及環境變化等數據的連續自動化監測。

邊坡監測系統是一個具備探測、匯集、傳輸、處理、發布、查詢功能的邊坡監測數據綜合處理系統，通過工程技術與信息技術的有機結合，對滑坡這一客觀事件進行定量描述和各類監測指標的抽象化，對邊坡進行科學化、可視化管理，為相關管理部門和公眾做出各種應急對策、采取有效的行動提供可靠的依據。

設計通信網絡前，充分挖掘出網絡的通信需求，有助于構建高效，高質量，且存活壽命長的通信系統。

2.1 實時性需求

邊坡監測系統實現對邊坡的無人監測，主要監測邊坡滑坡現象，具體的監測參數是巖體的位移。建立坡體結構主要考慮三個方面的問題，即邊坡所在巖體的淺表層改造特征，自然營力對坡體淺層的作用程度和影響范圍，坡體地質力學模型涉及的范圍。而要充分考慮這三個方面帶來的影響，需要首先進行研究區的工程地質調查和地質勘查資料的分析。收集研究區的氣象，水文，地震，工程地質和水文地質信息。其次還需要分析邊坡巖體的結構特征，分析坡體淺表層改造形跡和自然營力形跡，分析坡體中的地應力，地下水等因素的作用及影響規律。

因此，建立邊坡模型進行滑坡監測需要考慮較多方面，且要根據邊坡實際情況進行特定分析，分析過程復雜且容易出錯。這就要求邊坡監測系統能夠輔助解決模型預測不準的問題。也就是說一旦真實位移和預測位移的偏差超過一定范圍，邊坡監測系統能夠及時上傳真實位移數據，供地質專家研究分析，改進邊坡滑坡模型。考慮邊坡在滑坡后期時，位移迅速，一旦預測的滑坡模型預測不準，可能造成嚴重損失，因此要求邊坡監測系統在預警后期，要能盡快的把危險信息傳遞給相關人員進行報警。

2.2 壽命需求

邊坡監測系統除了擔負起邊坡滑坡監測的任務，還需要定期上傳邊坡氣象，水文，邊坡表層位移，邊坡深層位移，溫度等相關參數，供地質學家分析研究。考慮到一年四季情況不同，一個分析周期最短時間為一年，即在一年內的數據要能無丟失的上傳到后臺數據庫，因此邊坡監測系統壽命要求一年以上。

2.3 可靠性需求

邊坡監測系統要求整個系統有較強的容錯能力，其上傳的數據要為真實數據。在邊坡監測網絡中的某些節點因為邊坡滑坡導致損壞的前提下，其他節點仍然能夠正常工作并上傳數據。在邊坡監測路段加入新增監測節點后，原來的節點不受影響，不需要人為重新調整原來節點以配合新增節點加入系統，新增節點和原節點能夠同時正常 工作。

2.4 覆蓋面積需求

邊坡監測系統要求所設計通信網絡的網絡覆蓋面積要能達到實際邊坡監測范圍的需求。

3 邊坡監測系統系統架構設計

3.1 前端數據采集系統

前端數據采集系統由監測節點和監測傳感器組成，主要功能是對位移、結構傾斜、土壤濕度、雨量、孔隙水壓力等參數進行感知和探測。其主要構成設備是各型傳感器以及與傳感器相連的監測節點。

3.2 中端數據傳輸系統

中端數據傳輸系統主要是實現各個監測節點數據上傳的功能，由監測節點和基站共同組成。

中端數據傳輸系統面臨的問題主要是如何及時無誤的把監測節點采集到的數據傳送給基站，由于實際現場受制于能源，無線發送功率，以及節點之間的相互干擾等阻礙因素。有必要設定一個通信的規則，以此來約束各監測節點的無線通信行為，使得整個傳感器網絡的通信指標滿足邊坡監測系統的需求。

3.3 后端數據處理系統

后端數據處理系統由后臺服務器組成。其主要功能是將前端傳回到數據庫中的數據信息通過數學方法和相關程序處理和分析，研究邊坡運動的規律，對發展趨勢進行預測，實現邊坡監測系統的預警。其主要組成是邊坡監測數據庫和巖土工程學數據處理系統。

4 總結

本系統采用深度位移傳感器和結構物傾斜狀態監測傳感器對邊坡進行精確位移計算，實現了對邊坡位移數據的實時監測、實時預警、遠程調整監測設備參數等功能，通過自組網傳感器網絡和無線通信網絡進行傳輸，確保監測數據的穩定性、實時性和準確性。通過對監測歷史數據分析和地質情況綜合研判，有針對性提出監測點位是否出現滑坡異常，并進行預警報告，有效地減少了因地質災害等問題帶來的人民生命財產損失。