摘 要： 分析了滑坡形成機(jī)理和主要影響因子，在分析、歸納和總結(jié)已提出的滑坡監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡監(jiān)測方法，給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)總體構(gòu)建方案和傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用射頻模塊CC2520完成了溫濕度感知數(shù)據(jù)的點(diǎn)對點(diǎn)無線通信實(shí)驗(yàn)，并對節(jié)能路由協(xié)議進(jìn)行了仿真。仿真和物理實(shí)驗(yàn)顯示所給出無線傳感網(wǎng)架構(gòu)能滿足長期觀測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在滑坡監(jiān)測中有著良好的前景。
關(guān)鍵詞： 滑坡；形成機(jī)理；應(yīng)力；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
2010年我國滑坡災(zāi)害頻發(fā)，給國家和人民帶來了巨大的災(zāi)難和損失?；率怯捎诘貙咏Y(jié)構(gòu)、河流沖刷、大氣降水、人類活動等因素，致使部分或全部土體(或巖體)在重力作用下，失去原有平衡條件而沿一定的軟弱面整體向下移動的現(xiàn)象?；碌貛г谥袊植际謴V泛，且隨著環(huán)境破壞的日益嚴(yán)重，滑坡的發(fā)生呈現(xiàn)越來越頻繁的態(tài)勢。1949年到2009年的45年間，我國共發(fā)生了破壞較大災(zāi)害6 000多次，造成重大損失的災(zāi)害事件至少有1 200次[1]。影響滑坡形成的主要因素有：地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、外部動力觸發(fā)和人類活動等，可以概括為地質(zhì)構(gòu)造因素、地形地貌因素、外部動力觸發(fā)因素和人類活動因素等。其中，大氣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、巖石應(yīng)力發(fā)生變化、抗剪強(qiáng)度降低，當(dāng)?shù)乇硇巫儼l(fā)展到一定程度時(shí)，產(chǎn)生滑坡。
降雨量、地表變形、地應(yīng)力、地下水、孔隙水壓力是反映滑坡形成機(jī)理的主要參數(shù)，因而成為滑坡觀測的主要對象。已提出的滑坡監(jiān)測方法有GPS 與InSAR結(jié)合的觀測方法[2]、近景攝影測量方法[3]、TDR(Time Domain Reflectometry)檢測技術(shù)和聲發(fā)射檢測[4]等，這些方法對復(fù)雜地理環(huán)境的適應(yīng)性、觀測周期和性價(jià)比等方面還不能滿足滑坡研究的需求。因此需要研究新的方法對地理環(huán)境復(fù)雜地區(qū)滑坡進(jìn)行監(jiān)測。
1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡監(jiān)測方法
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN) 具有冗余性、無線性和自組織性，有較強(qiáng)的抗破壞能力，而且成本低、能耗低，適合重點(diǎn)局部地區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)的長期觀測。國內(nèi)外已有專家學(xué)者研究運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測滑坡的方法,但是到目前為止，尚未形成一套完整、權(quán)威的解決方案。
本文在分析研究滑坡的形成機(jī)理和現(xiàn)有觀測方法的基礎(chǔ)上，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡監(jiān)測方案，以期實(shí)現(xiàn)對局部重點(diǎn)區(qū)域的長期觀測，為滑坡研究和預(yù)警機(jī)制的制定提供技術(shù)支撐和觀測數(shù)據(jù)。
1.1 網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是在典型地貌特征區(qū)域建立滑坡主要影響因子的長期觀測無線傳感器網(wǎng)絡(luò),對降雨量、地表變形、地應(yīng)力和地下水等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行長期采集和處理，為數(shù)學(xué)建模提供必要的觀測數(shù)據(jù)，為滑坡的形成機(jī)理和預(yù)警研究提供參考依據(jù)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)無線局域網(wǎng)組成，無線局域網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)和GSM移動通信網(wǎng)連接。傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)無線局域網(wǎng)傳遞到網(wǎng)關(guān)，再經(jīng)GSM移動通信網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程服務(wù)器終端。遠(yuǎn)程控制終端則通過反向鏈路，把控制信號傳遞到傳感器節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)不僅是無線局域網(wǎng)和GSM移動通信網(wǎng)的連接橋梁，它還控制無線局域網(wǎng)的工作模式，并管理無線局域網(wǎng)內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)。
1.2 滑坡觀測傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案
傳感器節(jié)點(diǎn)由采集模塊、處理模塊、無線通信模塊和電源模塊組成，其中每個(gè)控制模塊上通過不同的接口掛載多個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器負(fù)責(zé)采集一個(gè)參數(shù)，如圖2所示。
(1)采集模塊：采用RY-YLH02翻斗式雨量計(jì)、BQ-1XN-232傾角傳感器、BJ216液位傳感器和光纖光柵應(yīng)力傳感器（GFS-P）分別負(fù)責(zé)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的降雨量、山體傾角和山體內(nèi)部的液位以及應(yīng)力參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
(2)處理模塊：采用C8051F單片機(jī)控制傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，該CPU負(fù)責(zé)收集并暫時(shí)存儲傳感器的觀測數(shù)據(jù)，通過串口將傳感器數(shù)據(jù)送到無線通信模塊，經(jīng)無線局域網(wǎng)傳輸給網(wǎng)關(guān)。
(3)無線通信模塊：主要采用低功耗CC2520芯片，實(shí)現(xiàn)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的無線數(shù)據(jù)通信。CC2520具有選擇性／共存性、出色鏈路預(yù)算、高達(dá)125 ℃的工作溫度以及低工作電壓等出色特性，適合于野外工作環(huán)境。
(4)電源模塊：以蓄電池（或太陽能板）為基礎(chǔ)，通過電源轉(zhuǎn)換芯片LM2678、AS1117、SP6205等為其他模塊提供能量。
1.3 滑坡觀測無線傳感網(wǎng)絡(luò)部署方案
如圖3所示，在易發(fā)生滑坡的軟弱斜面處向山體內(nèi)打孔，在垂直孔中由下至上依次埋入液位傳感器、應(yīng)力傳感器和傾角傳感器[5]。其中,由下而上的多個(gè)應(yīng)力傳感器負(fù)責(zé)采集山體內(nèi)部不同深度的應(yīng)力參數(shù),在山體表面安裝雨量計(jì)，每個(gè)傳感器通過電路連線與控制單片機(jī)相連，負(fù)責(zé)相應(yīng)數(shù)據(jù)的觀測和采集。
如圖1所示，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)。由于觀測范圍大，無線傳感器節(jié)點(diǎn)比較多，觀測周期長，綜合考慮各方面因素后，采用LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議將各節(jié)點(diǎn)連接成局域網(wǎng)，它以循環(huán)的方式從節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中。簇頭節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成簇網(wǎng)絡(luò)，簇網(wǎng)絡(luò)將前端傳感器采集的信息匯聚到簇頭節(jié)點(diǎn)，再轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要由處理器、存儲器、CC2520無線模塊和GPRS模塊組成，其功能主要是接收簇頭節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后通過GPRS模塊轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程服務(wù)器終端，遠(yuǎn)程服務(wù)器終端負(fù)責(zé)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和發(fā)布。同時(shí)，遠(yuǎn)程服務(wù)器終端也可以通過網(wǎng)關(guān)對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)。
2 仿真和物理實(shí)驗(yàn)
2.1 物理通信實(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)室，采用土壤溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)驗(yàn)，傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭之間相距約15 m，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，其中T表示溫度，H表示濕度，圖4顯示相對濕度約為48% RH，溫度約為27.7 ℃。
仿真和物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，本文提出的方法中，網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議可以滿足滑坡監(jiān)測的基本需求。盡管就長期觀測而言，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在節(jié)能通信、自組織網(wǎng)絡(luò)和時(shí)間同步等方面有待進(jìn)一步研究，但是隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，必將在滑坡監(jiān)測中得到廣泛的應(yīng)用。
2.2 網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議仿真
采用網(wǎng)絡(luò)仿真模擬器NS2 對LEACH協(xié)議進(jìn)行仿真。模擬的場景是100個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在100 m×100 m的區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)生的仿真場景如圖5所示。
從100個(gè)節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選取了其中的4個(gè)，分別為18號節(jié)點(diǎn)、65號節(jié)點(diǎn)、80號節(jié)點(diǎn)、96號節(jié)點(diǎn)，仿真過程記錄了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗與時(shí)間關(guān)系，如圖6所示。
圖6說明各個(gè)節(jié)點(diǎn)在大部分生存周期內(nèi)能量消耗比較平穩(wěn)，并且不同節(jié)點(diǎn)在整個(gè)生存周期內(nèi)消耗能量的大小相差不大。這一仿真結(jié)果驗(yàn)證了LEACH協(xié)議采用循環(huán)方式選擇蔟首節(jié)點(diǎn)、將網(wǎng)絡(luò)的能量負(fù)載平均分配到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的思想。LEACH協(xié)議可以達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)能源消耗、提高網(wǎng)絡(luò)整體生存時(shí)間的目的。
本文指出了影響滑坡形成的主要因素，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡監(jiān)測架構(gòu)，闡述了無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案和采用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，仿真和物理實(shí)驗(yàn)表明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性以及易于設(shè)計(jì)與部署等特性，將在滑坡監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。
本文闡述的傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)已設(shè)計(jì)出原理樣機(jī)，節(jié)能通信協(xié)議還有待于完善。今后將通過在三峽庫區(qū)滑坡監(jiān)測的實(shí)踐，深化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究。
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