摘  要： 分析了滑坡形成機理和主要影響因子,，在分析,、歸納和總結(jié)已提出的滑坡監(jiān)測方法的基礎上，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡的滑坡監(jiān)測方法,，給出了無線傳感器網(wǎng)絡總體構(gòu)建方案和傳感器節(jié)點,、網(wǎng)關的設計方法，應用射頻模塊CC2520完成了溫濕度感知數(shù)據(jù)的點對點無線通信實驗,，并對節(jié)能路由協(xié)議進行了仿真,。仿真和物理實驗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蟆o線傳感器網(wǎng)絡在滑坡監(jiān)測中有著良好的前景,。
關鍵詞： 滑坡；形成機理,；應力,；無線傳感器網(wǎng)絡

    2010年我國滑坡災害頻發(fā)，給國家和人民帶來了巨大的災難和損失,?；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,。滑坡地帶在中國分布十分廣泛,，且隨著環(huán)境破壞的日益嚴重,，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)生了破壞較大災害6 000多次,，造成重大損失的災害事件至少有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,、巖石應力發(fā)生變化、抗剪強度降低,，當?shù)乇硇巫儼l(fā)展到一定程度時,，產(chǎn)生滑坡。
    降雨量,、地表變形,、地應力、地下水,、孔隙水壓力是反映滑坡形成機理的主要參數(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)檢測技術和聲發(fā)射檢測[4]等，這些方法對復雜地理環(huán)境的適應性,、觀測周期和性價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)境復雜地區(qū)滑坡進行監(jiān)測。
1 基于無線傳感器網(wǎng)絡的滑坡監(jiān)測方法
    無線傳感器網(wǎng)絡(WSN) 具有冗余性,、無線性和自組織性,，有較強的抗破壞能力，而且成本低,、能耗低,，適合重點局部地區(qū)和偏遠地區(qū)的長期觀測。國內(nèi)外已有專家學者研究運用無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測滑坡的方法,但是到目前為止,，尚未形成一套完整,、權威的解決方案。
    本文在分析研究滑坡的形成機理和現(xiàn)有觀測方法的基礎上，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡的滑坡監(jiān)測方案,，以期實現(xiàn)對局部重點區(qū)域的長期觀測,，為滑坡研究和預警機制的制定提供技術支撐和觀測數(shù)據(jù)。
1.1 網(wǎng)絡總體架構(gòu)
    本文設計的總體目標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,對降雨量,、地表變形,、地應力和地下水等相關數(shù)據(jù)進行長期采集和處理，為數(shù)學建模提供必要的觀測數(shù)據(jù),，為滑坡的形成機理和預警研究提供參考依據(jù),。
    無線傳感器網(wǎng)絡整體設計方案如圖1所示，網(wǎng)絡由若干個無線局域網(wǎng)組成,，無線局域網(wǎng)通過網(wǎng)關和GSM移動通信網(wǎng)連接,。傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)無線局域網(wǎng)傳遞到網(wǎng)關,，再經(jīng)GSM移動通信網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到遠程服務器終端,。遠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,。網(wǎng)關不僅是無線局域網(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,。

1.2 滑坡觀測傳感器節(jié)點的設計方案
    傳感器節(jié)點由采集模塊,、處理模塊、無線通信模塊和電源模塊組成,，其中每個控制模塊上通過不同的接口掛載多個傳感器,，每個傳感器負責采集一個參數(shù)，如圖2所示,。

    (1)采集模塊：采用RY-YLH02翻斗式雨量計,、BQ-1XN-232傾角傳感器、BJ216液位傳感器和光纖光柵應力傳感器（GFS-P）分別負責對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的降雨量,、山體傾角和山體內(nèi)部的液位以及應力參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集,。
    (2)處理模塊：采用C8051F單片機控制傳感器節(jié)點的操作，該CPU負責收集并暫時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,。
    (3)無線通信模塊：主要采用低功耗CC2520芯片,，實現(xiàn)與其他傳感器節(jié)點和網(wǎng)關的無線數(shù)據(jù)通信。CC2520具有選擇性／共存性,、出色鏈路預算,、高達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,，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,、應力傳感器和傾角傳感器[5],。其中,由下而上的多個應力傳感器負責采集山體內(nèi)部不同深度的應力參數(shù),在山體表面安裝雨量計，每個傳感器通過電路連線與控制單片機相連,，負責相應數(shù)據(jù)的觀測和采集,。

      如圖1所示，無線傳感器網(wǎng)絡包含傳感器節(jié)點,、簇頭節(jié)點和網(wǎng)關,。由于觀測范圍大，無線傳感器節(jié)點比較多,，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)點連接成局域網(wǎng),，它以循環(huán)的方式從節(jié)點中隨機選擇簇頭節(jié)點,，將整個網(wǎng)絡的能量負載平均分配到每個傳感器節(jié)點中。簇頭節(jié)點和傳感器節(jié)點組成簇網(wǎng)絡,，簇網(wǎng)絡將前端傳感器采集的信息匯聚到簇頭節(jié)點,，再轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關。
      網(wǎng)關節(jié)點主要由處理器,、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)點的數(shù)據(jù),，然后通過GPRS模塊轉(zhuǎn)發(fā)到遠程服務器終端,，遠程服務器終端負責對觀測數(shù)據(jù)進行存儲、分析和發(fā)布,。同時,，遠程服務器終端也可以通過網(wǎng)關對傳感器網(wǎng)絡節(jié)點進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務,。
2 仿真和物理實驗
2.1 物理通信實驗
    在實驗室,，采用土壤溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)采集和傳輸實驗，傳感器節(jié)點和簇頭之間相距約15 m,，實驗結(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 ℃,。

    仿真和物理實驗結(jié)果說明，本文提出的方法中,，網(wǎng)絡通信協(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)絡在節(jié)能通信,、自組織網(wǎng)絡和時間同步等方面有待進一步研究,，但是隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術的發(fā)展，必將在滑坡監(jiān)測中得到廣泛的應用,。
2.2 網(wǎng)絡路由協(xié)議仿真
    采用網(wǎng)絡仿真模擬器NS2 對LEACH協(xié)議進行仿真,。模擬的場景是100個節(jié)點隨機分布在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個節(jié)點中隨機選取了其中的4個,，分別為18號節(jié)點、65號節(jié)點,、80號節(jié)點,、96號節(jié)點，仿真過程記錄了各個節(jié)點的能量消耗與時間關系,，如圖6所示,。

    圖6說明各個節(jié)點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)點在整個生存周期內(nèi)消耗能量的大小相差不大,。這一仿真結(jié)果驗證了LEACH協(xié)議采用循環(huán)方式選擇蔟首節(jié)點,、將網(wǎng)絡的能量負載平均分配到每個節(jié)點的思想。LEACH協(xié)議可以達到降低網(wǎng)絡能源消耗,、提高網(wǎng)絡整體生存時間的目的,。
    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)絡的滑坡監(jiān)測架構(gòu),，闡述了無線傳感器節(jié)點的設計方案和采用的網(wǎng)絡通信協(xié)議,，仿真和物理實驗表明，無線傳感器網(wǎng)絡以其經(jīng)濟性,、實用性以及易于設計與部署等特性,，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)點和網(wǎng)關已設計出原理樣機,，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)測的實踐，深化無線傳感器網(wǎng)絡在滑坡監(jiān)測中的應用研究,。
參考文獻
[1] 鄭鑫,，劉男男.滑坡的形成機理與其安全防護措施[J].黑龍江科技信息，2010,，6（12）：27.
[2] 范青松,，湯翠蓮.GPS與InSAR技術在滑坡監(jiān)測中的應用研究[J].測繪科學，2006,，31（5）：60-62.
[3] 江峰.DP Matrix3D近景攝影測量系統(tǒng)在滑坡監(jiān)測中的應用[J].福建地質(zhì),，2010，29（2）：164-170.
[4] 韓向陽.基于聲發(fā)射的地震,、山體滑坡監(jiān)測診斷系統(tǒng)的應用研究[D].武漢：武漢科技大學,，2007：8-11.
[5] TERZIS A，ANANDARAJAH A,，MOORE K,，et al.Slip surface localization in wireless sensor networks for landslide  prediction[J].IEEE，2006(07)：109-116.