摘 要： 分析了滑坡形成機理和主要影響因子，在分析、歸納和總結已提出的滑坡監測方法的基礎上，提出基于無線傳感器網絡的滑坡監測方法，給出了無線傳感器網絡總體構建方案和傳感器節點、網關的設計方法，應用射頻模塊CC2520完成了溫濕度感知數據的點對點無線通信實驗，并對節能路由協議進行了仿真。仿真和物理實驗顯示所給出無線傳感網架構能滿足長期觀測和數據傳輸的要求。無線傳感器網絡在滑坡監測中有著良好的前景。
關鍵詞： 滑坡；形成機理；應力；無線傳感器網絡
2010年我國滑坡災害頻發，給國家和人民帶來了巨大的災難和損失。滑坡是由于地層結構、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象。滑坡地帶在中國分布十分廣泛，且隨著環境破壞的日益嚴重，滑坡的發生呈現越來越頻繁的態勢。1949年到2009年的45年間，我國共發生了破壞較大災害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：地質構造、地形地貌、外部動力觸發和人類活動等，可以概括為地質構造因素、地形地貌因素、外部動力觸發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、巖石應力發生變化、抗剪強度降低，當地表形變發展到一定程度時，產生滑坡。
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，因而成為滑坡觀測的主要對象。已提出的滑坡監測方法有GPS 與InSAR結合的觀測方法[2]、近景攝影測量方法[3]、TDR(Time Domain Reflectometry)檢測技術和聲發射檢測[4]等，這些方法對復雜地理環境的適應性、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境復雜地區滑坡進行監測。
1 基于無線傳感器網絡的滑坡監測方法
無線傳感器網絡(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，適合重點局部地區和偏遠地區的長期觀測。國內外已有專家學者研究運用無線傳感器網絡監測滑坡的方法,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有觀測方法的基礎上，提出基于無線傳感器網絡的滑坡監測方案，以期實現對局部重點區域的長期觀測，為滑坡研究和預警機制的制定提供技術支撐和觀測數據。
1.1 網絡總體架構
本文設計的總體目標是在典型地貌特征區域建立滑坡主要影響因子的長期觀測無線傳感器網絡,對降雨量、地表變形、地應力和地下水等相關數據進行長期采集和處理，為數學建模提供必要的觀測數據，為滑坡的形成機理和預警研究提供參考依據。
無線傳感器網絡整體設計方案如圖1所示，網絡由若干個無線局域網組成，無線局域網通過網關和GSM移動通信網連接。傳感器節點采集的數據，經無線局域網傳遞到網關，再經GSM移動通信網轉發到遠程服務器終端。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點。網關不僅是無線局域網和GSM移動通信網的連接橋梁，它還控制無線局域網的工作模式，并管理無線局域網內的傳感器節點。
1.2 滑坡觀測傳感器節點的設計方案
傳感器節點由采集模塊、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，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）分別負責對監測區域內的降雨量、山體傾角和山體內部的液位以及應力參數進行數據采集。
(2)處理模塊：采用C8051F單片機控制傳感器節點的操作，該CPU負責收集并暫時存儲傳感器的觀測數據，通過串口將傳感器數據送到無線通信模塊，經無線局域網傳輸給網關。
(3)無線通信模塊：主要采用低功耗CC2520芯片，實現與其他傳感器節點和網關的無線數據通信。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，適合于野外工作環境。
(4)電源模塊：以蓄電池（或太陽能板）為基礎，通過電源轉換芯片LM2678、AS1117、SP6205等為其他模塊提供能量。
1.3 滑坡觀測無線傳感網絡部署方案
如圖3所示，在易發生滑坡的軟弱斜面處向山體內打孔，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部不同深度的應力參數,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，負責相應數據的觀測和采集。
如圖1所示，無線傳感器網絡包含傳感器節點、簇頭節點和網關。由于觀測范圍大，無線傳感器節點比較多，觀測周期長，綜合考慮各方面因素后，采用LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協議將各節點連接成局域網，它以循環的方式從節點中隨機選擇簇頭節點，將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點中。簇頭節點和傳感器節點組成簇網絡，簇網絡將前端傳感器采集的信息匯聚到簇頭節點，再轉發給網關。
網關節點主要由處理器、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點的數據，然后通過GPRS模塊轉發到遠程服務器終端，遠程服務器終端負責對觀測數據進行存儲、分析和發布。同時，遠程服務器終端也可以通過網關對傳感器網絡節點進行配置和管理，發布監測任務。
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據采集和傳輸實驗，傳感器節點和簇頭之間相距約15 m，實驗結果如圖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 ℃。
仿真和物理實驗結果說明，本文提出的方法中，網絡通信協議可以滿足滑坡監測的基本需求。盡管就長期觀測而言，無線傳感器網絡在節能通信、自組織網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絡技術的發展，必將在滑坡監測中得到廣泛的應用。
2.2 網絡路由協議仿真
采用網絡仿真模擬器NS2 對LEACH協議進行仿真。模擬的場景是100個節點隨機分布在100 m×100 m的區域內，產生的仿真場景如圖5所示。
從100個節點中隨機選取了其中的4個，分別為18號節點、65號節點、80號節點、96號節點，仿真過程記錄了各個節點的能量消耗與時間關系，如圖6所示。
圖6說明各個節點在大部分生存周期內能量消耗比較平穩，并且不同節點在整個生存周期內消耗能量的大小相差不大。這一仿真結果驗證了LEACH協議采用循環方式選擇蔟首節點、將網絡的能量負載平均分配到每個節點的思想。LEACH協議可以達到降低網絡能源消耗、提高網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絡的滑坡監測架構，闡述了無線傳感器節點的設計方案和采用的網絡通信協議，仿真和物理實驗表明，無線傳感器網絡以其經濟性、實用性以及易于設計與部署等特性，將在滑坡監測中發揮重要作用。
本文闡述的傳感器節點和網關已設計出原理樣機，節能通信協議還有待于完善。今后將通過在三峽庫區滑坡監測的實踐，深化無線傳感器網絡在滑坡監測中的應用研究。
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近景攝影測量系統在滑坡監測中的應用[J].福建地質，2010，29（2）：164-170.
[4] 韓向陽.基于聲發射的地震、山體滑坡監測診斷系統的應用研究[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.