基于无线传感器网络的山体滑坡监测系统设计

周丽娟

摘 要：设计出一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测系统，实现传感器数据实时采集、数据可靠远程传输、建立数据库，从而掌握边坡的变化趋势，了解边坡的稳定性，为可能造成的危害及后期的加固处理提供数据支持。

关键词：无线传感器网络；山体滑坡；灾害预警；GPS；ZigBee

引言

近年来，山体滑坡已成为仅次于地震的第二大地质灾害，不仅造成了一定程度的人员伤亡和财产损失，也对道路交通造成了严重的威胁。对滑坡灾害的监测预报不仅是必需的，而且是完全可能的。采取科学合理的监测预报手段，可以防患于未然，可以将滑坡灾害损失减少到最低点。因此，研发高性能、高实时性和高可靠性的山体滑坡在线监测系统成为当前滑坡研究迫切需要解决的问题。本文设计了一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统通信架构由ZigBee无线通信网络、GPRS网络和Internet网络构成，将现代通信技术和计算机技术结合在一起，能够及时、准确、全面地反映监测山体的情况，同时很好的弥补传统方式的缺点。

基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统通信架构由ZigBee无线通信网络、GPRS网络和Internet网络构成，将现代通信技术和计算机技术结合在一起，能够及时、准确、全面地反映监测山体的情况，同时很好的弥补传统方式的缺点。山体滑坡监测预警系统由山体数据采集部分、GPRS无线数据传输终端、数据监控中心三大块组成，网络架构如图1所示。

2、系统硬件设计

本设计山体参数在线监测装置硬件结构采用如图2所示的硬件框架。主要包括微处理器、ZigBee芯片、传感器和存储器。微处理器选用Atmega128L，MCU将传感器采集到的数据进行放大滤波处理后将数据传送到射频模块。射频模块选用Chipcon公司的CC2530芯片作为无线收发前端，遵循ZigBee网络协议的数据包向路由节点/网关设备发送，同时也接收路由节点/网关设备发来的指令及数据。系统发射发射频率为2.4GHz，在不加功率放大器的前体现，点对点通信能力可达120M，并且通过ZIGBEE自组织、自修复的网络结构，网络容量理论上可达65536个。

影响滑坡形成的主要因素有：地质构造、地形地貌、外部动力触发和人类活动等。其中，大气降水是滑坡形成的最主要外部因素，降雨致使地下水位上升、岩石应力发生变化、抗剪强度降低，当地表形变发展到一定程度时，产生滑坡。降雨量、地表变形、地应力、地下水、孔隙水压力是反映滑坡形成机理的主要参数，因而成为滑坡观测的主要对象。因此，传感器主要选用雨量传感器、倾角传感器、加速度传感器、温湿度传感器和应力传感器对山体的雨量、地表变形、滑坡位移和地应力等参数，对山体参数的全面监测。

网关接入模块是连接传感器网络与外部网络，实现两种协议栈之间的转换，同时发布处理节点的监测任务，并把收集到的数据转发到外部网络，硬件结构如图6所示。网关接入模块的硬件设计选取GPRS（General Packet Radio Service）无线方式与外部Internet网络联接。因此，在进行网关接入模块设计时，利用GPRS通信模块实现与外部Internet网络和个人移动终端进行通信。网关实现了与传感器网络内部各节点通讯，与外部网络的互连，成为无线传感器网络与外部网络连接的可靠纽带，是整個设计的关键。其中 MCU 是主控部分选用嵌入式ARM芯片；ZigBee芯片选用CC2530；GPRS射频选用采用SIMCOM公司生产的SIM900E， 该模块具有标准的AT命令接口，为GSM语音、短消息以及GPRS数据业务提供无线接口。网络接口备用。

3、系统软件设计

系统软件包括监测节点软件和后台监控软件两部分。底层节点监测到山体环境数据后，通过无线传感器网络组网将数据传输Internet，后台服务器通过Socket监测端口数据，收到数据后进行分析、存储和显示，实现山体滑坡预警，整体流程图如图4所示。

监测节点通过雨滴传感器、角度传感器、温湿度传感器监测山体环境信息，然后通过ZigBee组网将数据发送到网关节点，网关节点再通过GPRS将数据发送到网络中，整个流程如图5所示。

传感器采集数据传送到CC2530终端，再发送到协调器，最后到GPS 模块。

4、结束语

本文设计了山体滑坡监测系统的总体架构，研制出了高可靠性、高稳定性、低功耗的山体滑坡参数在线监测节点，集成了ZigBee无线通信技术、GPRS通信技术，实现山体土壤的温度、湿度、角度、雨量等参数的在线监测和远程无线传输功能。

参考文献

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