地质灾害物联网监测系统研制及贵州实践

王洪辉，李 鄢，庹先国，孟令宇，YANG Jiaxin

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059；2.四川理工学院，四川 自贡 643000；3.Department of Electrical and Electronic Engineering，Faculty of Engineering，The University of Nottingham，Nottingham NG7 2RD）

地质灾害物联网监测系统研制及贵州实践

王洪辉1，李 鄢1，庹先国2，孟令宇1，YANG Jiaxin3

（1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室（成都理工大学），四川 成都 610059；2.四川理工学院，四川 自贡 643000；3.Department of Electrical and Electronic Engineering，Faculty of Engineering，The University of Nottingham，Nottingham NG7 2RD）

为提升地质灾害监测能力，提出一种基于物联网地质灾害监测方法，并开发其硬件、软件系统。该系统由感知层、网络层和应用层组成，感知层采用无线传感网络技术将地质灾害监测（以地表位移、地表倾斜角、降雨量为例）传感器进行组网通信，实现对监测区域的全方位感知与控制；网络层由GSM和北斗卫星通信网络构建，实现监测数据的双向传输；应用层基于B/S架构，实现监测数据管理、提供友好人机界面以及预警信息发布。基于该系统，建立贵州省赫章县乌木铺岩质高边坡地质灾害监测示范站，近4年的运行结果表明：监测数据准确，信息传输稳定，整体性能良好。该系统已在贵州、四川两省进行推广应用。

物联网；地质灾害监测；北斗卫星；无线传感网络

0 引 言

突发性滑坡、崩塌、泥石流是我国最严重的地质灾害类型，因其发生时间短、隐蔽性强、破坏性大，极易造成重大人员伤亡和巨大经济损失。据国土资源部全国地质灾害灾情数据统计，2015年共发生地质灾害8224起，造成287人失踪或死亡，直接经济损失24.9亿元，这一数字相比2005～2014年平均数，分别减少 68%、63%、46%[1]。

近年来，日本非常重视滑坡泥石流的室内外观测试验和预测及预报模型研究，其在泥石流、滑坡监测预警系统研制及开发方面处于国际领先地位[2-3]。美国地质调查局（USGS）开展了LHP计划（landslide hazards program，滑坡灾害计划），旨在开发近距离和远程的动态滑坡环境监测技术，以提升公共安全[4-5]。在区域滑坡泥石流监测方面，我国的香港特别行政区建立了比较完善的地质灾害监测网络[6]。我国在地质灾害监测方面也开展了富有成效的研究工作，在重庆巫山和四川雅安等地区开展了示范研究工作[7]。与国外相比，我国在地质灾害监测预警方面起步较晚，国产化设备在数据精度、长期稳定性、可靠性等方面还存在较大差距，基于信息化的智能传感水平较低。

近年兴起的无线传感器网络技术延伸了传感器的感知触角，可以实现对目标状态信息的非接触传递、实时监测、协作处理、本地化决策，大大提高了信息采集的实时性、可靠性和灵活性。而在此基础上发展起来的物联网技术，使“物-物相联”成为可能[8-9]。为此，本课题组提出了基于物联网架构的地质灾害监测方法。本文在总结贵州省地质灾害监测预警与决策支持平台项目“监测数据采集与传输”子课题的部分研究成果的基础上，完善了系统架构，论述了系统总体架构和各部分设计方法，验证了系统应用的效果。

1 系统架构

地质灾害监测预警系统需要解决3个关键问题，即“测什么、怎么传、如何用”。系统总体结构如图1所示，物联网地质灾害监测系统由感知层、网络层、应用层3部分构成。其中，感知层解决“测什么”和“如何测”的问题，由位移、倾斜角、雨量等监测传感单元组成的传感网络，其功能是实时采集有关地表裂缝位移、地表倾斜角、局地降雨量等信息，并将其转换为电信号，通过数字化处理即可得到对应的物理量；网络层解决“怎么传”的问题，其将感知层采集的数据传输至应用层，传输通道可以是GSM网络或北斗卫星网络；应用层解决“如何用”的问题，其对监测区域的地表裂缝位移、地表倾斜角、局地降雨量等监测信息进行数据处理（含无效数据剔除、存储等），为灾害决策平台提供数据支持，并通过相应的预警程序发布预警信息。

图1 物联网地质灾害监测系统架构原理图

2 感知层设计

2.1 传感器单元

1）倾斜度传感

倾斜角传感器选用高精度双轴倾斜角传感器SCA100T（量程±90°，分辨率 0.025°），它通过测量重力加速度的值来间接采集倾斜度值。如图2所示，当倾斜角传感器静止时（也就是侧面和垂直方向没有外力加速度），作用在传感器上面的只有重力加速度。重力（垂直）和加速度传感器灵敏轴之间的夹角值就是倾斜度值θ。

图2 倾斜角传感原理图

SCA100T将地表倾斜角θ转换为数字串行信号，其换算方法如下式所示：

图3 雨量检测原理图

式中：Dout——数字量输出，由微控制器（micro controller unit，MCU）读出，LSB；

Sens——器件的灵敏度，SCA100T-D01为1638 LSB/g，SCA100T-D02 为 819LSB/g。

2）雨量传感

雨量传感器采用双阀容栅式雨量计（分辨率0.01 mm，量程 0.1～7 mm/min），其检测原理如图 3所示，其将降雨量转换成数字脉冲输出，可以直接由微控制器进行计数，每个计数值对应0.01 mm雨量，从而提高了系统的抗干扰能力，对于野外应用十分有利。

3）地表裂缝位移传感

考虑到现场监测的精度和实用性，位移传感单元采用拉绳式位移传感器（型号MPS-S-V，分辨率1mm)，将地表裂缝位移信号转换为电压的变化，由微控制器内部ADC进行模数转换，从而得到位移值。考虑到长大裂缝监测的需求，本系统重点研究了位移传感器的技术改造问题。如图4所示，标准传感器的有效行程一般在1m左右，系统选择15m长钢丝绳作为延长介质，与传感器拉伸端相连。AC为传感器自身可拉伸段，CD为延长钢丝绳，BC为外置弹簧。此外，需要克服由于钢丝绳自重带来的位移测量误差，如选取质量较轻、弹性较好的钢丝绳（通过大量对比试验，选择了直径为0.5mm的钢丝绳）；或外置弹簧辅助（BC段），使钢丝绳在监测过程中保持水平。

图4 大裂缝位移传感原理

2.2 WSN网络

WSN组网通信采用高性能近距离无线通信芯片CC2530来组建，其集成了8051内核，自带12位ADC和丰富的GPIO。位移信号采用CC2530内部的12位ADC进行采集，倾斜角信号采用CC2530的GPIO模拟SPI时序进行数据采集，雨量信息采用CC2530的计数器进行计数。同时，CC2530负责将量化以后的数字信号进行处理，如数字滤波、干扰值剔除、信息甄别等，并将传感器节点和基站间通过使用ZStack协议组建ZigBee星型无线网络，实现对地质灾害现场特征的智能感知（如图5所示）。

图5 CC2530基站与GSM通信节点

3 网络层设计

3.1 传输方式

基于地质灾害监测现场实际，特别是贵州、四川等西部省份，位于山区的地灾监测点通信条件极差，移动通信网络存在信号漂移，甚至是通信盲区；因此，本系统前端无线感知网络收集到数据信息后，将通过GSM网络或北斗卫星网络进行传输。考虑到北斗通信建设及运行费用均远远高于GSM方式，本系统在移动通信网络信号覆盖的地区采用GSM方式，在无移动通信网络信号的地区采用自主北斗卫星网络进行监测信息传输。

3.2 GSM通信

监测数据的通信传输主要通过GSM通信模块（工作频段900MHz/1800MHz）实现。GSM系统提供给用户的短消息（shot message）业务是一种数字通信业务，基于无线通信控制信道进行相关传输，经本地的短消息服务中心完成存储和收发功能。各个监测节点和监测主机可通过GSM通信模块以短消息方式发送各种AT控制命令来进行数据通信。本系统采用我国自主研发的通信模块M72-D，与本课题组前期研发采用的意大利GC864通信模块相比[10]，它具有低成本、低功耗、高效率等优势。

3.3 北斗通信

由于地面无线通信网络存在通信盲区，且容易遭受地震、地质灾害等外界因素的破坏与影响，基于地面无线通信基站的灾害监测系统在上述条件下将无法保证实时运行。而北斗卫星系统除了定位功能外，还具备短报文通信功能，能实现全疆域无缝覆盖，不受地面灾害和环境条件的限制，具有一次传送多达120个汉字的短报文通信功能，通信间隔1s。北斗卫星导航定位系统由空间卫星、地面控制中心和用户终端3部分组成[11]。本系统北斗通信终端采用北斗/GPS一体式用户机，该终端融合了北斗和GPS两种卫星定位模式，具有北斗报文通信功能，并具备良好的野外环境适应能力。具体实施系统架构如图6所示。

图6 北斗通信实施系统架构图

4 应用层设计

4.1 功能分析

通过对应用层功能需求进行分析，提出了B/S应用程序的软件架构。该架构主要包含数据读取模块、数据展示模块、管理员设置模块、报警模块、成图模块、地图定位模块、数据库结构模块和用户认证模块，如图7所示。

图7 应用层系统软件总体框架图

4.2 开发环境搭建

采用Eclipse集成开发工具完成，其中配合Java SDK（JDK）、Tomcat网站服务器软件和 Myeclipse插件完成开发环境搭建工作，并利用Eclipse建立原始工程，然后建立各种JSP以及Html文档，最后将这些网站资源统一部署到Tomcat服务器。

4.3 远程交互设计

目前，常规地质灾害监测设备一般只具备单向传输功能，即传感设备定期（定时）向监测中心主动上报监测信息，系统实时性差，特别是当灾情发生变化时采集频率无法调整。为此，系统进行了远程交互设计，通过在应用层设置远程操控指令来实现，包括：远程修改数据采集间隔、立即返回当前监测值、驱动系统进入低功耗模式等。同时，可依据当前天气情况（主要为降雨强度）自动调整数据采样与发送频率，实现监测数据的自适应获取。

5 系统供电

实验得出：系统（含传感器、通信模块、微处理器电路）工作电压为5V时，平均工作电流120mA，即负载为0.6W/5V。考虑到野外工作的特殊环境，设计了太阳能+蓄电池供电方案。同时，为了实现高效供电目标，采用了LT3652构建智能充电管理单元。LT3652集成了最大功率点跟踪技术，能够自动实现太阳能最大功率点跟踪，提高了能量利用率。

表1 示范站监测仪器汇总表

图8 系统现场应用图

采用30W单晶硅太阳能电池板（茂迪牌），开路电压21.6V，额定输出电压17.64V，蓄电池（川西牌铅酸蓄电池）标称电压12V。以连续工作15个阴雨天计算，蓄电池容量为70Ah[12]。

6 实际应用

本系统作为 “贵州省地质灾害监测预警与决策支持平台”的成果之一，在贵州省赫章县乌木铺K93岩质高边坡进行了示范应用，依据赫章县乌木铺岩质高边坡的变形破坏特征，共布置有4套监测仪器（如表1和图8所示）。

7 结束语

1）本文建立的基于物联网的地质灾害监测系统架构能够较好地实现灾害信息的准确获取和实时传输。地表裂缝位移采集分辨率1mm、量程1m、可监测裂缝宽度15 m，地表倾斜角分辨率0.025°、量程±90°，局地降雨量分辨率 0.01mm、量程 0.1～7mm/min；通信方式为GSM（工作频段900MHz/1800MHz）和北斗卫星（通信间隔1s）远程通信并存。

2）本文提出的远程交互设计思想，使得地质灾害监测能够实时跟踪灾害体的发展，实现了应用层与传感层之间的实时交互控制，这也是物物相连的核心所在。

3）经过近4年的野外工作表明，研制的地质灾害物联网监测系统监测数据准确，信息传输稳定，系统性能良好，该系统所建立的技术架构还可扩展到水利水电设施以及环境灾害监测预警等领域，具有推广应用价值。

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（编辑：莫婕）

Development of geological hazards monitoring system based on IoT and application in Guizhou province

WANG Honghui1， LI Yan1， TUO Xianguo2， MENG Lingyu1， YANG Jiaxin3
（1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection（Chengdu University of Technology），Chengdu 610059，China；2.Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000，China；3.Department of Electrical and Electronic Engineering，Faculty of Engineering，The University of Nottingham，Nottingham NG7 2RD，UK）

In order to improve the geological hazard monitoring ability，a method based on IoT（internet of things） and WSN（wireless sensor network） is put forward and hardware and software system is developed for it.The system consists of a sensing layer，a network layer and an application layer.The sensing layer uses WSN to have networking communication between geological disaster monitor sensors such as surface displacement，tilt angle and rainfall to have an omni-directional perception and control of the monitored area.The network layer is composed of GSM （global system for mobile communications） and BDS （Beidou navigation satellite system）and it realizes bi-directional data transmission.The application layer，a B/S architecture-based layer， manages monitored data， provides a friendly human-machine interface and releases warning information.With the system，Wumupu high rock slope geological hazards monitoring demonstration station in Hezhang county，Guizhou province was established.The running results in recent 4 years show that the system monitors data accurately and transmits data stably and it has been widely applied in Sichuan province and Guizhou province.

internet of things； geological hazards monitoring； Beidou satellite； wireless sensor network

A

1674-5124（2017）09-0094-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.09.017

2016-12-21；

2017-02-22

国家创新研究群体科学基金（41521002）；贵州省国土资源重大专项项目（黔国土资地环函[2010]39）；地质灾害防治国家重点实验室人才课题（SKLGP2014Z013）；成都理工大学中青年骨干教师培养计划项目（KYGG201513）

王洪辉（1985-），男，副教授，博士，主要从事地质灾害监测预警与信息技术研究。