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

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。

无线传感器网络 (WSN)是近几年兴起的一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。每个孔洞中的所有传感器与在该孔洞顶端地面固定着的其他部分(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。

图1 山体滑坡监测预警系统总体结构图

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。

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 Circuit)和 UART(Universal 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 Access Memory)和512 KB的Flash存储器。

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TinyOS 2.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 (Collection 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。

3.2 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。

3.3 GPRS网关工作方式

GPRS网关由2部分功能构成:一部分作为网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。

图4节点数据采集周期设定方式

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。

4 结束语

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、成本低廉等显著的优点，已先期在试验段上进行原型系统的现场试验，完全达到了预期指标，具有很高的应用价值和实用意义，相信该系统必将为朔黄铁路的安全运输保驾护航。

［1］ 常杰峰．朔黄铁路K44滑坡整治设计［J］．铁道标准设计，2005，(4):23－25．

［2］ 李元海，朱合华．沿途工程施工监测信息系统初探［J］．岩土力学，2002，23(1):103－106．

［3］ 吕军，周蓉生，候新生．GPS滑坡监测系统在铁路桥桥墩稳定新监测中的应用［J］．全球定位系统，2006，(2):37－41．

［4］ 焦明连，蒋廷臣．基于InSAR技术矿区地表形变的监测［J］．淮海工学院学报(自然科学版)，2008，17(2):70－73．

［5］ Mehta P，Chander D，Shahim M，et al．Distributed Detection for Landslide Prediction Using Wireless Sensor Network［C］//First International Symposium on Global Information Infrastructure．2007:195－198．

［6］ Chipcon．The DataSheetof CC2430．2004．http://www．chipcon．com．

［7］ 鲁玺梦．基于CC2430的TinyOS移植［J］．山东电力高等专科学校学报，2009，13(1):46－51．

(责任编辑:诸 红)