山体滑坡监测预警系统设计与实现

山体滑坡监测预警系统设计与实现
摘要：随着经济和科技水平的快速发展，目前山体滑坡的监测手段主要有卫星
实时监测、合成孔径雷达干涉测量（INSAR）和无线传感器网络（WSN，wirelesssensornetworking）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。

本文提出一种新型的山体滑坡预警系统，通过无线传感器网络与我国自主研发的北斗卫星导
航系统相结合，可以实现对山体滑坡的实时预警，并且可以将采集数据发给控制
中心，实现监测和预警功能，具有低成本、自组织、高可靠性等特点。

关键词：滑坡监测；无线传感器网络；传感器
引言
山体滑坡是山坡上的岩土受重力作用，沿着山坡产生剪切位移整体向下移动的现象，是
一种常见的地质灾害。

作为自然灾害，山体滑坡虽难以避免，但通过监测预报可减少其带来
的损失。

山体滑坡的形成与气象、水文、地质构造等许多因素有关。

目前，全国近90%的滑
坡灾害是由降雨诱发的，一次降雨可引发数百甚至上千处滑坡，尤其是强降雨及连续性降雨。

通过在滑坡体的适当位置监测灾害地的降雨量、滑坡体的表面裂缝、深层位移、倾斜变形以
及地下水位，可有效预报山体滑坡。

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。

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。

1.1无线传感器监测网络
在对山体滑坡进行监测的时候，各个传感器布局的相对比较紧密，以保证数据的准确性。

其中，传感器具有一定的数据处理和通信能力，各节点之间构成多个传感器网络。

每个传感
器对应一个网关节点，网关节点形成一个多跳网络，可以将数据传送到某一网关节点，通过
网关节点将传感器所采集到的数据通过网络传输发送到基站，再通过基站与Internet相连，
将采集的数据发送到数据中心处理。

1.2传输网关
采用GPRS传输网关，其处理能力强，外部电源供电，安装在距被监测山体较近移动网络信号覆盖的区域，用于收集其附近区域所有传感器节点的监测数据，通过GPRS通信将数据
传送到远程监控中心。

1.3远程监控管理中心
在基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统中，远程监控管理中心分析、处理、存
储收到的实时数据信息并进行显示，结合专业人员的判断分析，实现对山体滑坡地质灾害的
监控和预警。

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，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。

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系统软件设计
系统的软件设计主要是ZigBe协议栈、传感器节点的程序设计，其功能是为了实现自动
数据采集与传输、节点自动组网，自动路由查询，特别是多跳自组织功能。

本系统软件设计
采用C语言编程，使用处理器的程序存储器存储MAC地址、绑定表和网络表，接收传感器
采集的数据，发送数据到传感器节点组的网关上。

结语
山体滑坡是在我国山区中最常见的一种地质灾害，其不仅可以破坏了工程设施建设，同
时也会导致生产无法得到顺利进行，有时候将会严重威胁到人们的生命安全，在造成巨大经
济损失的同时还会引发人员伤亡问题，产生了极大的社会危害。

本文采用无线传感器网络（WSN）技术，它是一种分布式传感网络，它的终端是可以感知和监测外部世界的各类传感器，通过无线方式实现通信，网络设置灵活，可以实现库区特殊地段地质灾害的实时监测。

该技术属于一种技术上先进，适合于库区地貌特征的有效尝试。

参考文献
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预警系统设计与实现研究[J].三峡大学学报（自然科学版），2016，03：73-80.
课题项目编号：陕西省滑坡地质灾害监测预警技术研究（2014K13-05）。