基于无线惯性传感器网络的山体滑坡实时监测系统

文/陈荣鹏 樊静

1 研究背景及意义

山体滑坡是我国分布最广泛、发生最频繁的地质灾害之一。通常，山体滑坡是指受到地质结构、地表或地下水活动、人类工程活动等因素影响，斜坡上的部分岩石和土体沿着底层软弱面而在重力作用下向下滑动的现象。严重危害人民的生命财产安全，给国民经济带来巨大损失。

目前，对于山体滑坡检测技术而言，其主要方法有：常规大地测量法、地下水位测量法、液体静力水准测量等。虽然这些传统的方法在进行山体滑坡灾害监测中发挥了积极的作用，但它们的弊端也很明显：受气候及地形条件限制大不能实现长期的自动化监测、人力物力投入大、数据不能及时处理，延迟性大等。随着科学技术的发展，现在对于山体滑坡的监测技术已经有了极大的发展，并提出了很多新方法，如3S，GPS，BOTDR，遥感监测等。山体滑坡监测已经从传统的人工监测逐渐转变为自动化监测，如何实现对山体滑坡更具有智能化的监测，使得监测技术逐步走向网络化实时化自动化/高精度以及全天候发展是当今科学研究领域的新目标。本文针对传统预警方式存在的问题以及当今科学研究的新目标提出了基于无线惯性传感器网络的的山体滑坡实时监测系统。

2 系统软硬件设计

本文提出的山体滑坡实时监测系统主要由三个部分组成：无线位移监测节点，汇聚节点，上位机软件。系统主要应用于山体滑坡灾害事故多发的山区、景区、水库等地点。无线位移监测节点通过打孔作业安装于山体滑坡层，对监测点的滑坡位移量实现实时测量，进行组网设计，保证了系统信息传递的可靠性。无线位移监测节点采集到的数据整合至汇聚节点，汇聚节点讲数据发送至与其相连的服务器。上位机用于实现数据的处理以及信息的实时发布，把采集到的数据结合数据处理算法通过可视化的形式展现出来。

2.1 无线位移监测节点设计

图1：无线位移监测节点组成图

图2：汇聚节点组成图

图3：上位机设计流程图

无线位移监测节点需要完成对山体滑坡层数据的采集、节点定位和组网的功能。为了实现该功能，无线位移监测节点由ZigBee 模块、相对GPS 模块、MPU6050、单片机和电池组成。主控制器采用由意法半导体公司生产的STM32L051C8，它超低功率微控制器与 ARM Cortex-M0+ 32 位 RISC 核芯的组合，它们最适合采用电池供电或能量采集式供电的应用。新的自主外围设备可减少负载，而且降低了 CPU 唤醒中断次数。STM32L051 停机模式低功耗给的指标如下，在stop without rtc 模式下电流消耗能达到0.4µa，在stop with rtc 模式下电流消耗能达到0.8µa。采用高精度的陀螺加速度计 MPU6050，模块采用数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。ZigBee工作时会与周围的ZigBee 自动组成一个无线多跳网络，此网络为对等网络，不需要中心节点。把ZigBee 配置成地址不同，信道和网络ID 相同的状态，通过节点中的单片机告诉汇聚节点目标地址和待发送的数据，模块会通过网络选择最优的路径，将数据传输给目标模块。如图1所示。

图4：数据实时采集图

2.2 汇聚节点设计

汇聚节点作为整个系统的中转站，需要实现数据的汇总、发送和提供定位信息的功能，由ZigBee、GPS（绝对）、NB-lot、单片机、太阳能电池板、电池组成。其组成结构如图2所示。

GPS 基站的位置是固定的，作为整个系统实现定位的基点，GPS(相对)通过基站信号终度基站位置确定自身的位置，同时保证定位精度更高，速度更快。

太阳能板用于汇聚节点的的能量供应，考虑到该系统用于山体滑坡监测，环境恶劣，通过太阳能板的使用在实现能量供应的同时，不需要浪费人力，更加符合自动化、智能化的设计理念。

2.3 软件程序设计

上位机的设计流程图如图3所示、系统启动后登录上位机，保证数据的安全性，然后判断是否采集到了节点传输的数据，采集到数据便存在数据库中，若未采集到数据则通过上位机进行报警，提示系统出现故障。对数据库中的数据经过算法得出是否会出现山体滑坡，如有山体滑坡迹象则在上位机进行报警，没有则返回到初始状态判断有无采集到数据。

3 系统调试与结果分析

对系统进行测试，上位机界面和服务器中实时采集到的数据如图4所示。

4 总结与讨论

设计了一套基于无线惯性传感器网络的山体滑坡实时监测系统，采用MPU6050 采集数据通过组网传输至服务器，经由上位机软件实现实时监测数据的功能。测试实验表明，该系统能够通过无线惯性传感器实现山体滑坡的实时监测，为后续的山体滑坡监测系统的设计研发奠定了实验基础。