CN102184617B - 一种地表位移实时监测***及监测方法 - Google Patents

Abstract

一种低成本的地表位移实时监测***及方法，包括滑坡现场的ZigBee网络、无线蜂窝网络及监控中心的中央监控机。在需要滑坡监测的山体上布置ZigBee网络节点，在滑坡体上的为定位节点，在滑坡体周围稳定基岩或物体上的为锚节点。锚节点和定位节点利用ZigBee的自组织网络通信方式组成位于滑坡现场的无线传感器网络。在锚节点中指定一个为现场主站，集成有GPRS通信模块，通过无线蜂窝网络与中央监控机通信，中央监控机上保存有各定位节点的原始坐标数据，通过对比分析定位节点坐标数据的变化，来确定地表位移的发生，由此发出地表位移发生时间和位移量等警报信息。本发明不仅可完全取消地灾监测传感器，而且可远程接收地灾信息。

Description

一种地表位移实时监测***及监测方法

技术领域

本发明涉及一种低成本的山体滑坡实时监测方法，特别是针对山体滑坡导致地表位移的低成本实时监测方法。

背景技术

由于特殊的地质构造，山体滑坡成为我国西部地区最为广泛的一种次生地质灾害。山体滑坡监测就是通过各种技术方法来预测滑坡的趋势，是预防滑坡的主要手段。通过滑坡监测，可以了解和掌握滑坡体的演变过程，及时捕捉滑坡灾害的特征信息，为预防滑坡提供科学依据。目前，用于滑坡监测的技术方法，概括起来有3类：1）人工测量技术；2）GPS测量***；3）地灾传感器监测***。上述监测技术中，人工测量要求监测人员在现场完成对数据的采集，不仅自动化程度低，劳动量大，而且不能实现实时监测；第2）和第3）两种技术虽然解决了实时监测问题，但***造价高、施工难度大、维护困难，难以大规模推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本的地表位移实时监测***及方法，它利用无线传感器网络(Wireless Senior Network，WSN)节点自定位技术，直接获取地表位移发生信息，不仅可以完全取消地灾监测传感器，而且可以远程接收地灾信息，具有价格低廉、施工简单、运行及维护费用少等特点。

本发明所述的一种地表位移实时监测***，其包括位于滑坡现场的ZigBee网络、无线蜂窝网络以及位于监控中心的中央监控计算机(简称中央监控机)。现场ZigBee网络和中央监控机间通过无线蜂窝网络进行通信。

在需要进行滑坡监测的山体上布置ZigBee网络节点， ZigBee网络节点包括锚节点和定位节点，其中布置在滑坡体上的ZigBee网络节点称为定位节点，布置在滑坡体周围稳定基岩或物体上的ZigBee网络节点称为锚节点，锚节点的坐标位置不变，且为已知。所述锚节点和定位节点利用ZigBee的自组织网络通信方式，组成一个位于滑坡现场的无线传感器网络；

在所述锚节点中指定一个为现场主站，现场主站上集成有GPRS通信模块，通过无线蜂窝网络与监控中心的中央监控机进行通信，监控中心的中央监控机上保存有各定位节点的原始坐标数据。

所述中央监控机通过对比分析定位节点坐标数据的变化，来确定地表位移的发生，由此发出地表位移发生时间和位移量等警报信息。

由于无线电波在传播过程中的能量损耗跟传播距离间存在着特定的关系。利用该特性，当山体滑坡产生地表位移时，相应的定位节点与锚节点间的距离就会发生变化，该距离变化必然在ZigBee网络中定位节点与锚节点间的通信能量损耗上反映出来；反之，如果测出定位节点与锚节点间的能量损耗值发生了变化，即可说明有地表位移发生。此时，通过计算各个定位节点新的坐标位置，并远传给监控中心的中央监控机。中央监控机将定位节点本次定位的位置坐标数据和定位时间存入数据库，然后读取定位节点的原始坐标数据跟本次位置坐标数据作比较，即可确定地表位移量，并发出地表位移发生时间和位移量等警报信息。

由此，本发明进一步提出利用上述***进行地表位移实时监测的方法，过程如下： 

监控中心的中央监控机上保存有各定位节点的原始坐标数据。

中央监控机向现场ZigBee监测网络发定位指令，设置定位周期，随后接收现场主站发回的定位节点的位置坐标数据。所述定位节点是通过运行优化RSSI定位算法得到自身位置坐标数据，并经现场主站将位置坐标数据传输到中央监控机。

如中央监控机接收到的定位节点位置坐标数据与其原始坐标数据一致，说明未发生地表位移，滑坡体稳定。

如中央监控机接收到的定位节点位置坐标数据与其原始坐标数据不一致，说明滑坡体出现滑动，存在滑坡的危险，此时，又分两种情况处理：

1）. 当定位节点位置坐标数据与原始坐标数据不一致且为无效定位信息（即全部为0）时，监控计算机立即发出重复定位指令，验证本次定位数据的正确性。

若连续至少2次验证依然为无效定位信息时，说明滑坡已发生，立即发出滑坡（故障）警报。

若重复定位数据恢复为原始坐标数据，则按原定位周期继续对滑坡体进行监测。

2）.当定位节点位置坐标数据与原始坐标数据不一致且为有效定位数据时，则缩短定位周期，继续获取定位节点的位置坐标数据。

如果定位节点位置坐标数据至少连续3次发生变化，立即发出滑坡警报。

如果定位节点位置未出现连续变化，说明滑坡体虽有滑动，但目前暂时稳定，此时，不发出滑坡警报，但按缩短的定位周期，继续对滑坡体进行监测。

由上述***和方法可见，本发明具有如下有益效果：

(1)  利用WSN节点定位技术，既获取地表位移信息，又实现现场信息的通信，简单方便、易操作。

(2)  利用无线蜂窝网络实现现场监测网络与监控中心的通信，在监控中心可远程接收地灾信息。

(3)  不需要地表位移监测一次仪表，现场不需任何布线，既降低了施工难度，又减少了工程成本。

(4)  采用优化RSSI定位算法，提高了定位精度。

(5)  采用低功耗ZigBee网络，不仅节能，而且技术成熟、价格低廉。

附图说明

图1***架构图；

图2现场ZigBee网络；

图3定位节点主程序流程图；

图4定位节点外部中断服务程序流程图；

图5定位节点时钟中断服务程序流程图；

图6中央监控机程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

  滑坡现场Zigbee网络节点布置如图2所示，1为滑坡体，2-4为ZigBee网络节点。其中，2为定位节点，布置在滑坡体上；3、4为锚节点，布置在滑坡体四周稳定的基岩体或物体上。锚节点的坐标位置不变，且为已知，其中4被定为现场主站。定位节点2通过运行优化RSSI定位算法得到自身位置坐标，然后将位置坐标数据传输到现场主站4，现场主站4除具有锚节点功能外，同时还集成有GPRS芯片，通过无线蜂窝网络将定位节点位置坐标数据传送至远方监控中心。 

基于ZigBee网络的地表位移监测***架构如图1所示，该监测***包括位于滑坡现场的ZigBee网络和位于监控中心的中央监控机。ZigBee网络和监控计算机间通过无线蜂窝网络进行通信。滑坡现场的WSN利用ZigBee的自组织网络通信方式，组成一个位于滑坡现场的无线传感器网络

如图3~图5所示，现场ZigBee网络中定位节点的定位方法过程如下：

（1）定位节点初始化；

（2）置中断标志位；

（3）在休眠等待状态中，如果有中断发生，则转入相应中断服务程序执行，执行完毕后，自动返回主程序；.

（4）根据两个中断标志的三种不同状态，识别发生中断的种类（分别为重复定位指令、设置定位周期或定位周期到中断），转去执行相应的处理。

为得到定位节点的位置坐标，本发明提出了一种优化RSSI算法，其步骤如下：

（1）设定定位周期；

（2）定位时间到，定位节点发出定位请求，以广播方式通知各个锚节点；

（3） 锚节点收到请求后，发送确认信息返回给定位节点；

（4） 将至少6个锚节点按每组3个分为若干组，如锚节点A、B、C为一组，由方程组（1）求各锚节点的模型参数，如以A点为例：

                  （1）

式中，

、

分别为锚节点A、B和A、C之间的距离；PL表示路径损耗值，由测试决定，单位dbm；为近地参考距离，通常定为1m。 

同理，可求得其余各锚节点的模型参数

、

，i=1…n。

（5）    根据公式(2)~(4)确定该定位环境中的模型参数

和。

                 (2)

         (3)

   

         (4)    

式中，i=2…n，

为与某定位节点在物理位置上距离最近的锚节点与该定位节点通信的路径损耗。

（6）根据公式(5)分别计算出某定位节点到各个锚节点的距离、

，..... 

；

         （5）

式中，RSSI 表示接收的信号强度指示，由测试决定； Pt为发射功率，Gr为天线增益，Pt、Gr均已知。i=1,2.....n。

（7）利用方程组（6）确定定位节点的位置坐标：

           

              （6）

式中，

、…

为各个锚节点的位置坐标，（x,y）为定位节点坐标。

用（6）式中的第

个方程减去第

个方程

,得到线性化方程：

                    

                           (7)

其中：

            

             (8)

     (9)

                                (10)

得到定位节点的坐标：

   

(8)完成定位，并发送本次定位数据至现场主站；；

(9)下一次定位周期到达后，重复步骤(2)-(8)完成新的定位任务。

如图6所示，中央监控机的监控方法过程如下：

（1）中央监控机监控程序初始化（保存各定位节点的原始坐标数据等）；

（2）设置长周期参数，并经现场主站发送给各定位节点；

（3）在等待过程中，若收到现场主站上传的定位数据，则分析收到数据的类型；

（4）若接收到的是重复定位数据，判断该数据是否有效，如连续重复上传两次都是无效数据，则认定已发生滑坡（故障），发出滑坡（故障）警报；

（5）若接收到的是长周期定位数据，则根据联网现场雨量计的上传数据，判断当前雨情，如是大雨或连续小雨，则缩短定位周期且下传给各定位节点；若不是大雨或连续小雨，则检查该位置坐标数据的有效性，如无效则给各定位节点下发重复定位指令，如有效则比较与原始坐标数据是否一致，若不一致则缩短定位周期并下传给各定位节点；

（6）若接收到的是短定位周期数据，检查该位置坐标数据的有效性。若无效，则给全部定位节点下发重复定位指令；如有效则比较与原始坐标数据一致否，若2次不一致，则发出滑坡警报。

Claims (1)

1.一种利用地表位移实时监测***进行地表位移实时监测的方法，所述地表位移实时监测***包括位于滑坡现场的ZigBee网络、无线蜂窝网络以及位于监控中心的中央监控机，现场ZigBee网络和中央监控机间通过无线蜂窝网络进行通信，其中所述滑坡现场的ZigBee网络包括锚节点和定位节点，其中布置在滑坡体上的节点称为定位节点，布置在滑坡体周围稳定基岩或物体上的节点称为锚节点，锚节点的坐标位置不变，且为已知；所述锚节点和定位节点利用ZigBee的自组织网络通信方式，组成一个位于滑坡现场的无线传感器网络；在所述锚节点中指定一个为现场主站，现场主站上集成有GPRS通信模块，通过无线蜂窝网络与位于监控中心的中央监控机进行通信，中央监控机上保存有各定位节点的原始坐标数据；所述中央监控机通过对比分析定位节点坐标数据的变化，来确定地表位移的发生，由此发出地表位移发生时间和位移量警报信息；

所述方法的过程如下：

监控中心的中央监控机上保存有各定位节点的原始坐标数据；

中央监控机向现场ZigBee网络发定位指令，设置定位周期，随后接收现场主站发回的定位节点的位置坐标数据；所述定位节点通过运行优化RSSI定位算法得到自身位置坐标数据，并经现场主站将位置坐标数据传输到中央监控机；

如中央监控机接收到的定位节点位置坐标数据与其原始坐标数据一致，说明未发生地表位移，滑坡体稳定；

如中央监控机接收到的定位节点位置坐标数据与其原始坐标数据不一致，说明滑坡体出现滑动，存在滑坡的危险，此时，又分两种情况处理：

1）当定位节点位置坐标数据与原始坐标数据不一致且为无效定位数据，即全部为0时，中央监控机立即发出重复定位指令，验证本次定位数据的正确性；

若连续至少2次验证依然为无效定位数据时，说明滑坡已发生，立即发出滑坡，即故障警报；

若重复定位数据恢复为原始坐标数据，则继续按原定位周期继续对滑坡体进行监测；

2）当定位节点位置坐标数据与原始坐标数据不一致且为有效定位数据时，则缩短定位周期，继续获取定位节点的位置信息；

如果定位节点位置坐标数据连续至少3次发生变化，立即发出滑坡警报；

如果定位节点位置未出现连续变化，说明滑坡体虽有滑动，但目前暂时稳定，此时，不发出滑坡警报，但按缩短的定位周期，继续对滑坡体进行监测；

所述优化RSSI定位算法确定定位节点位置坐标方法步骤如下：

步骤1：中央监控机设定定位周期；

步骤2：定位时间到，定位节点发出定位请求，以广播方式通知各个锚节点；

步骤3：锚节点收到请求后，发送确认信息返回给定位节点；

步骤4：将至少6个锚节点按每组3个分为若干组，由方程组（1）求各锚节点的模型参数θ和N，将锚节点A、B、C分为一组，对于A点，求：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{PL}\left(d_{\mathrm{AB}}\right)={\mathrm{\θ}}_A+10+N_A\×\lg \left(\frac{d_{\mathrm{AB}}}{d_0}\right)\\ \mathrm{PL}\left(d_{\mathrm{AC}}\right)={\mathrm{\θ}}_A+10\×N_A\×\lg \left(\frac{d_{\mathrm{AC}}}{d_0}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，d_AB、d_AC分别为锚节点A、B和A、C之间的距离；PL表示路径损耗值，由测试决定，单位dbm；d₀为近地参考距离，通常定为1m；锚节点A的模型参数θ_A=PL(d₀)+X_A，X_A锚节点A的随机误差，服从均值为0，方差为[4,10]的高斯分布，锚节点A的模型参数N_A为锚节点A的路径损耗因子；

同理，求得其余各锚节点的模型参数Θ_i、N_i，i=1…n，i为锚节点个数；

步骤5:：根据公式(2)～(4)确定该定位环境中的模型参数θ和N。

$e_i=\frac{\mathrm{PL}\left(d_i\right)-\mathrm{PL}\left(d_1\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n\mathrm{PL}\left(d_i\right)}---\left(2\right)$

$\mathrm{\Θ}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(1-e_i)*{\mathrm{\Θ}}_i/n---\left(3\right)$

$N={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(1-e_i)*N_i/n---\left(4\right)$

式中，i=2…n，PL(d₁)为与某定位节点在物理位置上距离最近的锚节点与该定位节点通信的路径损耗；ei为调整因子。

步骤6：计算某定位节点到各个锚节点的距离d₁、d₂，.....d_n

$d_i=10\frac{p_t+G_r-\mathrm{RSSI}-\mathrm{\θ}}{10\×N}\×d_0---\left(5\right)$

式中，RSSI表示接收的信号强度指示，由测试决定；Pt为发射功率，Gr为天线增益，Pt、Gr均已知，i=1,2.....n；

步骤7：利用方程组（6）确定定位节点的位置坐标：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x)}^2+{(y_1-y)}^2=d_1^2\\ {(x_2-x)}^2+{(y_1-y)}^2=d_2^2\\ ......\\ {(x_n-x)}^2+{(y_n-y)}^2=d_n^2\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)…(x_n,y_n)为各个锚节点的位置坐标，（x,y）为定位节点坐标；

用（6）式中的第n-1个方程减去第n个方程(n≥2),得到线性化方程：

AX＝B     (7)

其中：

$A=\left[\begin{array}{cc}2(x_1-x_n)& 2(y_1-y_n)\\ ......& ......\\ 2(x_{n-1}-x_n)& 2(y_{n-1}-y_n)\end{array}\right]---\left(8\right)$

$B=\left[\begin{array}{c}{x}_1^2-x_n^2+y_1^2-y_n^2+d_n^2-d_1^2\\ ......\\ x_{n-1}^2-x_n^2+y_{n-1}^2-y_n^2+d_n^2-d_{n-1}^2\end{array}\right]---\left(9\right)$

X＝[xy]^T       (10)

得到定位节点的坐标：

X=(A^TA)^-1A^TB

步骤:8：完成定位，并发送本次定位数据至现场主站；

步骤9：下一次定位周期到后，按步骤2-步骤8完成新的定位任务。

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