基于北斗卫星导航系统的山体滑坡预警系统的设计

张红月

（陕西国防工业职业技术学院电子工程学院，陕西西安，710300）

0 引言

目前山体滑坡的监测手段主要有卫星实时监测[1]、合成孔径雷达干涉测量（INSAR）和无线传感器网络（WSN，wireless sensor networking)等。卫星监测代价太大，成本较高，合成孔径雷达干涉测量要求较高，所以不具备大范围推广条件。无线传感器网络是比较理想的选择，无线传感器网络的使用需要在GPRS覆盖较好的区域，但山体滑坡多发生于GPRS信号覆盖不到的山区地带，对无线传感器网络使用构成了限制。

本论文提出的解决方法是把无线传感器网络与卫星导航系统相结合，卫星导航系统取代传统通信的GPRS信号，可以实现全区域、全天候信号的良好覆盖，使无线传感器网络覆盖能够适应更多不同的地域，是实现山体滑坡预警的比较理想的选择。

1 监测系统总体结构的设计

山体滑坡主要的诱发因素有：地震、降雨和融雪、地表水的冲刷、浸泡、河流等地表水体对斜坡坡脚的不断冲刷等[2]。对山体滑坡的主要监测温度、湿度、液位、倾角、加速度等，相应采用的传感器有温度传感器、湿度传感器、液位传感器、倾角传感器和加速度传感器。

山体滑坡监测系统是由无线传感器网络节点、基站和远程监控中心组成。网络节点将采集数据先发送给监测系统的基站，基站对数据进行简单处理，按一定数据格式经由北斗卫星导航系统发送给监控中心。监控中心对这些数据进行处理，对于发生山体滑坡可能性较大的区域进行重点关注，传感器节点发回数据中的包含该区域的卫星定位信息，可以得出发生山体滑坡可能性较大区域的具体位置信息，将相关信息经过北斗卫星及时通报相关政府部门，经过地质灾害预警系统及时向社会发布。

2 监测系统硬件结构的设计

山体滑坡监测系统中主要的组成部分有无线传感器网络节点、基站和监控中心[3]，这些设备在监测过程中有着不同的分工，所起的作用也各不相同。无线传感器网络节点主要构成有温度传感器、湿度传感器、液位传感器、倾角传感器、加速度传感器、无线单片机模块、北斗卫星导航系统的通讯模块和太阳能电源供给系统等。

无线传感器网络节点的硬件设计是整个系统的关键设计之一，硬件采集数据的精度关系到对山体滑坡检测的判断准确度。温度传感器和湿度传感器用于测量传感器节点周边山体的气候状况，在天气晴朗的时候，温度回升湿度较小，发生山体滑坡的概率降低，传感器节点的采集频率和数据量会自动减少，多雨湿润的气候正好相反，发生山体滑坡的概率较大，传感器节点采集频率和数据采集量自动增加。液位传感器深入山体地下用于测量山体地下水位的变化状况，地下水位上升则意味着发生山体滑坡的概率增大。山体是由多层土壤或岩层组成，不同层次岩层的侵蚀状况有差异，运动速度不同，分布不同层次岩层的倾角传感器用于监测山体内部的移动状况。山体发生移动会对传感器节点产生作用力，传感器节点在受到外力，加速度传感器通过测量受到的外力来监测山体的位移状况。传感器节点的北斗卫星通讯模块仅仅使用北斗卫星的定位功能，监测区域内的传感器节点的定位，用于传感器节点所在山体滑坡区域动的测距和定位。

无线单片机可采用Ti-chipcon公司生产的符合ZigBee应用的2.4GHz射频芯片，其具有较高的接收灵敏度和较强的抗干扰能力，并具有低成本、低功耗的特点。目前的传感器技术已经很成熟，相应的温湿度传感器、液位传感器、倾角传感器和加速度传感器可以在市场上买到，并且性价比不错。如温湿度传感器可采用瑞士Sonsirion公司推出的基于CMOSens技术的新型温湿度传感器SHTxx系列。

图1 无线网络传感器网络节点框图

节点的分布规则可按照相应的节点定位技术进行分布，确保系统节点分布的合理性。基站也可以看做一个节点，不仅可以与普通节点进行通信传输数据，还可以与远程的监控中心进行通信。远程通信采用北斗卫星导航系统提供的服务，作为中国自主知识产权的导航系统，具有安全可靠的特点，可以提供定位服务和短信通讯服务，并且具有全天候、全区域、高分辨率等特点，随着北斗卫星的广泛使用，资费也会不断下降。

3 监测系统软件结构的设计

在监测系统硬件设计好之后，就要相应的设计出软件系统，良好的软件系统是整个监测系统正常运行的关键所在。涉及到数据的采集、传输、汇聚与处理，同时需要与北斗卫星导航系统通讯相融合的操作系统，实现数据的远程传输和监控。传感器节点正常情况下采集数据频率较低，在测量数据大于设定阈值时进行再次采集数据，再进行判断，如果还大于设定阈值则进入预警状态，采集数据向基站进行发送，通过北斗卫星发送到监控中心。

在客户端可以开发基于北斗卫星导航系统通讯标准的应用软件，实现对接收到的传感器节点数据进行处理，对得到的结果进行判断，判断被监测滑坡区域当前状态是否正常，对相应的结果输出显示，如果发生山体滑坡可能性较大时，则相应的进行预警操作，并向政府相关部门的灾害预警系统进行报告，同时将处理结果进行存储。

4 结束语

本文提出的基于北斗卫星的山体滑坡监测系统，结合北斗卫星全天候、全天时和无线传感器网络低成本、自组织、可靠性高的特点，发挥了各自的优点，能较好得解决山体滑坡预警的问题。

[1]周溢德.基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统设计[J].铁道通信信号，2011，47（4）：77-79.

[2]朱望纯，庞少东.一种基于Zigbee与GPS山体滑坡监测系统开发[J].计算机测量与控制，2014，22（9）：2779-2780.

[3]余钊，徐守志.基于无线传感器网络的分布式山体滑坡预警监测[J].三峡大学学报，2010，32（6）：33-35.