基于无线传感器网络的地质遗迹监测平台

罗兴贤 肖建琼 周晓庆

摘要：地质遗迹由于其特有属性需要有效保护;我国根据不同分布特征的地质遗迹制定了相应的保护措施来保护人为因素对地质遗迹的破坏;无线传感器技术使得其为监测非人为因素对地质遗迹的破坏成为可能;分析了破坏地质遗迹的非人为因素的监测需求，设计了基于ZigBee协议的无线传感器网络的地质遗迹监测平台，以实现对非人为因素进行有效监测，以此来实现对地质遗迹的有效保护。

关键词：地质遗迹;保护;监测;无线传感器网络

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）22-0087-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

A Geological Relics Monitoring Platform Based on Wireless Sensor Network

LUO Xing-xian， XIAO Jian-qiong， ZHOU Xiao-qing

（Education and Information Technology Center of China West Normal University， Nanchong 637009， China）

Abstract： Geological relics need effective protection because of their unique attributes;According to the different distribution characteristics of geological relics， China has formulated corresponding protection measures to protect the destruction of geological relics by human factors;Wireless sensor technology makes it possible to monitor the destruction of geological relics by non-human factors; Analyzed the monitoring requirements of non-human factors destroying geological relics，designed a geological heritage monitoring platform based on ZigBee protocol for wireless sensor network，in order to monitor the destruction of geological relics by both human and non-human factors，so to protect geological relics effectively。

Key words： geological relics; protection; monitoring; WSN

1 背景

地球在漫长的地质历史演变过程中，由于内外力的地质作用，形成了千姿百态的地貌景观、地层剖面、地质构造、古人类遗址、古生物化石、矿物、岩石、水体和地质灾害遗迹等，其中具有独特性和典型价值的，便成为人类所关注的地质遗迹。地质遗迹反映了地质历史演化过程和物理、化学条件或环境的变化，它是人类认识地质现象、推测地质环境和地质演变条件的重要依据，是人們恢复地质历史的主要参数。

由于地质遗迹不可再生的特性，使其成为全人类的共同财富，对地质遗迹的保护是社会的责任。常用的保护手段是建立地质公园或地质遗迹数据库，它们是保护、规划、开发与合理利用地质遗迹的基础工作，也是推进地质遗迹的科学研究和地学普及的重要条件。

国际上十分重视地质遗迹的保护工作，联合国教科文组织还专门设立了地质遗产工作组，专门负责全球地质遗产保护工作。英美等经济发达国家在地质遗迹保护工作上制定了相关的法规体系，采取了一系列行之有效的措施，为世界其他国家的地质遗迹保护提供了很好的借鉴。我国对于地质遗迹的保护工作也十分重视，保护工作始于20世纪70年代，然后根据实际情况，出台了多部相关法规，使地质遗迹的保护工作取得了很大的发展和进步。

2 地质遗迹的分类保护

由于我国地域广阔，地理条件复杂多变，地质构造形式多样，地质遗迹丰富多彩，是世界上地质遗迹种类齐全的少数国家之一，有的在世界上更是独一无二。在实际保护地质遗迹的时候，往往是根据其分布特征来制定相应的保护措施来进行保护的，如表1所示。

从表1中可以看出，目前对地质遗迹的保护措施，主要是从制度和视频监控安全网络来限制来自人类的社会活动这些人为因素对地质遗迹所产生的破坏行为，而对于来自大自然本身的非人为因素对地质遗迹的破坏作用，则还未见具体的监测手段及相应措施。因此，要全面地保护好地质公园的地质遗迹，需要设计一种科学的是监测平台，采用科学手段和全面的措施，从人为破坏因素和非人为破坏因素两个方面来监测与保护地质遗迹。

3 无线传感器网络技术

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks， 简称WSN）是微电子技术、嵌入式计算技术、Ad Hoc无线网络、分布式计算等信息技术发展和融合的产物，最早出现于20世纪70年代，20世纪80年代和90年代得到了一定的发展，但主要用于军事领域。而从21世纪开始至今，WSN得到了迅速的发展，由于WSN具有自组织、动态性网络、多跳路由和以数据为中心的特点，使得除了军事领域，WSN还用于精细农业、安全监控、环保监测、建筑领域、医疗监护、工业监控、智能交通、物流管理、自由空间探索和智能家居等领域。

基于WSN上述特点，将其用于建设对地质公园地质遗迹进行保护的网络，除了对人类行为的安全监测外，还可以对地质遗迹所在的大规模的分布范围广的自然环境的各种非人为因素进行监测，并实时将监测数据汇聚到监测服务器，供安全监管部门使用。

4 需求分析

为了有效保护地质遗迹，结合已有的保护制度和视频监控安全网络平台，设计一种基于WSN的地质遗迹监测平台，需实现如下功能：

融合视频监控安全网络，监视与地质遗迹相关的人类的活动;

监测光通量的大小，对于需要光保护的地质遗迹，可控制其环境中的光通量;

监测环境温度，控制温度变化;

监测环境水位，预防洪涝灾害;

监测地表压力，预防滑坡、泥石流等;

监测封闭环境中的热量，预防高温或火灾;

监测土壤或水的酸碱度，预防化学腐蚀;

监测大气成分，如大气中二氧化碳或易燃易爆气体的含量，及时疏散游客;

监测水中指定污染物的含量，预防水污染等。

5 监测平台设计

根据上述需求，设计的地质遗迹监测平台结构如图1所示，整个平台采用基于ZigBee无线传感器网络协议的光传感器网络、温度传感器网络、水位传感器网络、压力传感器网络、热量传感器网络、酸碱度传感器网络、大气传感器网络和污染物传感器网络等不同功能子网络构成，关整合了已有的视频监控安全网络，这些子网络通过互联网或卫星与地质遗迹监测平台服务器连接;监管用户通过监控机以HTTP方式从服务器获取各类所需要的监测数据以监控相关监测点的状况，以便制定或启动相应的安全措施。

而对于其中的每一个传感器子网络，都由同类传感器组成如图2所示的网络。其中的小圆圈代表传感器，传感器节点可以实时地采集监测的数据，并让这些数据沿着其他传感器节点经过多跳地进行传播，传到汇聚节点，再由汇聚结点经互联网或衛星网络传到平台服务器存储与处理。

在具体设计时可根据实际需要对所需的子网进行取舍，也可根据使用的控制器与收发器芯片的功能特点，将几个子网络合为一个子网络，比如采用ST公司的STM32F107控制器和CC2430收发器芯片组成的传感器子网络即可同时对温度、湿度和空气中二氧化碳含量进行监测，将温度、温度和大气成分几个子网络合并成一个子网络。

6 结束语

系统平台采用基于ZigBee的无线传感器网络体系，采用无线传感器网络能实时地集和传递监测数据，让监管用户可以即时掌握地质遗迹及其环境的相关状况，在最快的时间对异常情况做出响应，科学有效地保护地质遗迹。

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