基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统设计.doc

基 于 无 线 传 感 器 网 络 的山 体 滑 坡 监 测 预 警系 统 设 计周溢德*摘 要: 随着无线传感器网络( WSN)的兴起和发展，其相关技术已经成为物联网的基础技术而广泛地应用于各个领域为此，利用无线传感器网络，结合 GSM 网络，设计了一种针对朔黄铁路山区沿线山体滑坡的监测预警系统，并进行了原型系统试验相对于传统的人工监测和有线监测方法，该系统具有部署快速、节省人力等优势关键词: 无线传感网络; 通用分组无线服务; 山体滑坡Abstract: With the development of Wireless Sensor Network，its relevant technologies have been widely used as the basis of the Internet of Things． Particularly，WSN will play an important role in securing rail- way transportation． We designed a monitoring and early warning system for landslide for Shuo-Huang Railway and carries out prototype experiments． This system featured easy deployment and manpower sav- ing over traditional manual and wired monitoring solutions．Key words: Wireless sensor network; GPRS; Landslide山体滑坡是我国山区地带最常见、最易发的地质灾害，能在短时间内迅速掩埋或摧毁铁路涵洞、 轨道路基和桥梁场站等铁路基础设施，严重影响铁 路运输安全。

朔黄铁路，西起山西省神池南站，东 至河北省黄骅港站，横穿恒山、云中山脉和忻定盆 地，沿滹沱河峡谷穿越太行山进入华北平原，是我 国西煤东运的重要铁路通道之一由于其西段山高 谷深，地势险峻，桥隧相连，坡陡弯急，属于滑坡 险情易发多发的山区地带，因此应建立朔黄铁路沿 线山体滑坡监测预警系统目前滑坡监测预警系统的监测数据主要采用有 线方式传输但是山区地理条件复杂、线路架设困 难，以及供电难以保证，使基于有线技术构建的系 统部署困难; 并且系统内部的节点往往采用简单串 联的线状 部 署 方 式， 容 易 由 单 点 故 障 引 发 区 域 失 效，使整个系统的有效性、可靠性受到影响而现 有无线监测手段如 GPS、合成孔径雷 达 干 涉 测 量， 需要卫星等外部设备支持，成本高、消耗大，不适 合大范围推广和使用种全新的网络化信息采集、传输和处理技术，由于其具有低功耗、网络自组织、无需布线和抗毁性强 等特性，特 别 适 用 于 工 业 级 的 数 据 监 测 应 用同 时，传感器节点成本低廉，可以实现对铁路沿线关 键区域的 大 范 围 部 署， 保 证 数 据 采 集 的 广 度 和 精 度，能够为山体滑坡状态监测和提前告警提供海量 数据基础。

为此，针对朔黄铁路沿线山体滑坡监测 预警的应用需求，提出以无线传感器网络技术为基 础构建无 线 监 测 网 络， 并 结 合 通 用 分 组 无 线 服 务( GPRS)技术，实 现 对 铁 路 沿 线 山 区 滑 坡 的 远 程实时监控和预警1系统总体设计山体滑坡监测预警系统布置图如图 1 所示系统主要由 无 线 传 感 器 监 测 网 络、远 程 监 控 管 理 中心，以及连接两者的 GPRS 传输网关三部分组成 山体滑坡的监测主要依靠液位传感器和倾角传 感器传感器部署在铁路沿线容易发生滑坡灾害的 山体区域，沿着山势在地表竖直打洞，每个孔洞在最底端部署一个液位传感器用于监测地下水深度， 同时在孔洞中的不同深度部署多个倾角传感器用于 监测山体不同层次深度的运动状况每个孔洞中的无线传 感 器 网 络( WSN)是 近 几 年 兴 起 的 一* 朔黄铁路发展有限责任公司肃宁分公司 工程师，062350 河Circuit )UART( Universal和Asynchronous Receiver / Transmitter)串口液位传 感 器 采 用 AADI 公 司 生 产的 379X 系 列 传 感 器， 和 CC2430 的 I2C 相连。

倾角传感器采用 Fredericks 公司 生 产 的 0729-175X 系 列 传 感 器， 与 CC2430 的 SPI 相 连为 了 更 好 地 解决传感器节点的能量供给问题，采 用了基于太阳能的能量供给系统，由 太阳能电池板将太阳能转化为电能存 储在超级电容中，同时提供由锂电池 组成的备用电源能量管理单元采用 上海 如 韵 电 子 生 产 的 CN3063， 可 以 用太阳能电池供电的单节锂电池充电管理芯片传感器网络节点内部结构如图 2 所示图 1 山体滑坡监测预警系统总体结构图( 包括 ZigBee 无线通信芯片、电源模块等) 共同组成一个传感器网络节点传感器网络节点将监测到 的液位和倾角信号处理转变为数据，然后通过网络 中各节点间无 线 多 跳 通 信 发 送 给 GPRS 传 输 网 关， 再传送到监控中心; 监控中心的智能分析系统综合 这 2 类数 据，就 可 以 判 断 出 山 体 滑 坡 的 强 度 和 趋 势，以及威胁性大小GPRS 传输网关的处理能力较强，使用外部电 源进行供电，一般部署在距离被监测山体较近的场 站等移动网络信号较好的区域，主要用于收集汇聚 其附近区域内所有传感器节点报告的监测数据，并 通过 GPRS 通信 手 段 将 数 据 发 送 到 远 程 监 控 中 心， 它是区域性的感知监测网络和远程监控管理中心之 间的桥梁和纽带。

远 程 监 控 管 理 中 心 对 收 到 的 数 据 信 息 进 行 分 析、处理、存 储 和 可 视 化 显 示， 结 合 地 理 信 息 系 统、滑坡 数 据 专 家 系 统，以 及 专 业 人 员 的 判 断 分 析，从而实现对铁路沿线山体滑坡地质灾害的可靠 监控和准确预警图 2 传感器网络节点内部结构图2. 2 GPRS 网关设计GPRS 网关主要负责 ZigBee 和 GPRS 的数据转 换，其内部结构如图 3 所示由 Cygnal 公司开发的 C8051F320 主处理器通过 UART 串口与 GPRS 模块 进行通信，GPRS 模块采用西门子公 司 的 MC35i，它 是新一 代 GSM / GPRS 双 模 模 块，可 提 供 简 单、内 嵌 式的无线 GPRS 连 接同 时，GPRS 网 关 配 有 一 块16 MB 的 SDRAM( Synchronous Dynamic Random Ac- cess Memory) 和 512 KB 的 Flash 存储器2系统硬件设计2. 1节点硬件设计传感器网络节点采用 TI-Chipcon 公司生产的低功耗 CC2430 无线芯片。

该芯片整合了 ZigBee 射频前端、内 存 和 微 控 制 单 元， 使 用 1 个 8 位 MCU ( 8051) ，具有 128KB Flash 和 8KB 的 RAM，还 包 含模数 转 换 ADC、定 时 器、AES128 协 同 处 理 器、 看门狗 定 时 器、21 个 可 编 程 I / O 引 脚， 以 及 SPI( Serial Peripheral Interface ) 、 I2C ( Inter-Integrated图 3 GPRS 传输网关内部结构图3系统软件设计3. 1 网络节点路由的建立为了 便 于 控 制 节 点 与 资 源 利 用， 将 TinyOS2. X 操作系统移植到 CC2430 芯片上TinyOS 操作 系统是美国加州大学伯克利分校针对无线传感器网 络开发的嵌入式操作系统，核心程序小，硬件要求 低，具有主动消息机制、事件驱动机制和组件化结 构等特点TinyOS 中主要采用 NesC 这类 C 语言进 行程序编写TinyOS 提供了 节 点 自 动 组 网 和 建 立 路 由 的 功能，针对数据的路由传输提出了采集树协议( Col-图 4 节点数据采集周期设定方式lection Tree Protocol， 简 称 CTP ) 。

在 该 协 议 中，GPRS 网关被设置为根节点，其他节点根据路由梯 度动态地选择父节点作为下一跳形成到根节点的路 由，从而形成到根节点的采集树网络CTP 提供了 到根节点的多跳的数据传输，具有保证传输可靠性 的路由选择机制，此外还通过检查包重复抑制重复 传输和路 由 循 环因 此，选 择 CTP 协 议 作 为 底 层 通信协议进行监测数据的传输3. 4 监控中心的管理方式监控中心在收集到由 GPRS 网关转发来的监测 数据之后，将数据存储于后台数据库中，同时提供 用户界面进行可视化展示，并根据数据分析结果进 行告警提示可视化 展 示 功 能 包 括: ① 基 于 地 理 信 息 的 展示，结合地理信息系统，将所有传感器节点的位置 及其实时数据显示在地图上，以便于监测者把握全 局监测结果，判断滑坡现象多发地带的情况; ②基 于时间曲线的展示，将一个或多个传感器节点的历 史或实时数据显示在以时间为横轴的曲线图上，以便于监测者分析一段时间内滑坡现象的发生规律，结合天气变化等分析发生的原因，完善预警机制;③基于节点标识的展示，将所有节点按网络内的标 识大小进行整体的实时数据和节点状态显示，以便 于监测者抽取导出监测数据，同时观察节点异常状 态，对整个网络系统进行及时有效地维护。

告警提示功能包括: ①在软件界面上显示特殊标识的告警提示信息; ②通过监控中心内的多媒体 设备发出告警提示声音; ③向监测者的个人移动设 备发送告警提示短信3. 2传感器数据采集方式为了避免节点频繁进入暂停工作等待充电的工作模式，减少无用数据的采集和传输，传感器节点采用了基于阈值的工作方式: 当监测数据的大小在 报告阈值以内时，不予发送; 当监测数据的大小超 过报告阈值而在告警阈值以内时，以较长的周期循 环报告实时数据; 当监测数据的大小超过告警阈值 时，以较短的周期循环报告实时数据这样的工作 方式既保证了关键的实时数据的可靠获取，又减少 了频繁发送无用数据的能量消耗将该项功能编写 实现为 TinyOS 的一个组件，提供给 TinyOS 系统与 CTP 协议协作完成数据收集传输任务图 4 为节点 采集周期设定方式的流程图3. 3GPRS 网关工作方式GPRS 网关由 2 部分功能构成:一部分作为网4结束语络内的根节点与其他传感器节点进行正常的数据通信，周期性地收集监测数据; 另一部分将监测数据 通过 GPRS 模块实时地发送给监控中心传感器网 络数据通 过 UART 传 送 至 GPRS 无 线 模 块，UART 起到 两 者 之 间 的 桥 梁 作 用， 传 输 过 程 是 透 明 的， ZigBee 数据被 TCP / IP 协议直接封装起来传送至监 控中心。

基于无线传感器网络的铁路沿线山体滑坡监测预警系统，具有全自动监测、部署快速、成本低廉。