4G、GSM雙網(wǎng)絡(luò)下的一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡預(yù)警系統(tǒng)研究

何守亮 重慶旅游職業(yè)學(xué)院

一、研究背景

中國(guó)是個(gè)多山的國(guó)家，山地約占全國(guó)面積的 2/3，是世界上山體滑坡較多的國(guó)家之一。除了自然因素引起的山體滑坡外，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，各項(xiàng)工程活動(dòng)也對(duì)山體地質(zhì)環(huán)境往往起著破壞性的作用。在鐵路、公路、水利、航運(yùn)、采礦、建筑以及國(guó)防建設(shè)中經(jīng)常遇到斜(邊)的穩(wěn)定性問(wèn)題。在中國(guó)，每年由山體滑坡引起的損失超過(guò)3 億美元，而在全世界卻高達(dá) 10 億美元之多。這些使山體滑坡成為除地震外最大的自然災(zāi)害。由于山體滑坡引起如此多的財(cái)產(chǎn)損失、人員傷亡，而黔江位于武陵山腹地，很多住宅、道路修建在上坡上，若武陵山區(qū)發(fā)生山體滑坡就會(huì)嚴(yán)重影響人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，故此早期預(yù)警系統(tǒng)的建立就顯得十分必要了。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)的發(fā)展一些新的監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)入人們視野，用傳感器作為監(jiān)測(cè)儀器來(lái)研究山體滑坡監(jiān)測(cè)的研究變得非常重要。這些研究及時(shí)捕捉崩滑災(zāi)害的特征信息，為崩塌、山體滑坡的正確分析評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及治理工程等提供可靠資料和科學(xué)依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)外不少研究工作者已經(jīng)對(duì)大地精密測(cè)量法、GPS 法、儀器儀表監(jiān)測(cè)法、綜合自動(dòng)遙測(cè)法在山體滑坡監(jiān)測(cè)中的運(yùn)用有了一定的涉及和研究，甚至到后來(lái)較先進(jìn)的山體滑坡監(jiān)測(cè)新技術(shù)——時(shí)域反射法(TDR)技術(shù)。這些研究及時(shí)捕捉崩滑災(zāi)害的特征信息，為崩塌、山體滑坡的正確分析評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及治理工程等提供可靠資料和科學(xué)依據(jù)。但是，用傳感器作為監(jiān)測(cè)儀器來(lái)研究山體滑坡監(jiān)測(cè)的研究并不多見(jiàn)，以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的情況更是無(wú)人問(wèn)津。

采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)實(shí)現(xiàn)山區(qū)特殊地段地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)該是一種技術(shù)上先進(jìn)，適宜山區(qū)地貌特征的有效嘗試。由于WSN本身的冗余性、無(wú)線(xiàn)性、網(wǎng)絡(luò)的自組織性，而具有較強(qiáng)的抗破壞能力，因而可以在基礎(chǔ)通信設(shè)施可能被毀壞的情況下，完成一定的通信任務(wù)。因此 ,把無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到武陵山區(qū)特殊地帶的滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中，利用各種傳感器實(shí)時(shí)采集信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式將信息傳送給節(jié)點(diǎn)，利用已有的4G和GSM雙網(wǎng)絡(luò)將節(jié)點(diǎn)與控制中心進(jìn)行通訊，若4G網(wǎng)絡(luò)無(wú)法通訊，則立即啟用GSM網(wǎng)絡(luò)來(lái)彌補(bǔ)，保證節(jié)點(diǎn)與控制中心的通訊正常。這樣就能夠解決布設(shè)有線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺陷，而且適用于4G和GSM網(wǎng)絡(luò)信號(hào)無(wú)法覆蓋的偏遠(yuǎn)山區(qū)滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

三、本系統(tǒng)研究?jī)?nèi)容

本系統(tǒng)主要擬建立一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò), 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)采用射頻收發(fā)模塊，通過(guò)4G和GSM雙網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心通信,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信時(shí)序由監(jiān)控中心統(tǒng)一控制，而通過(guò)無(wú)線(xiàn)接受裝置連接4種不同的監(jiān)測(cè)山體滑坡變化的傳感器,從而形成一個(gè)有效的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

3.1.預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

山體滑坡預(yù)警系統(tǒng)由無(wú)線(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、4G和GSM網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成。為了得到監(jiān)測(cè)區(qū)域的實(shí)時(shí)有效信息，在監(jiān)測(cè)區(qū)域安放大量的傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量山體位移值和加速度值，由于山體滑坡主要是由地下水侵蝕產(chǎn)生，因此，地下水位深度是顯示山體滑坡危險(xiǎn)度的重要指標(biāo)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)打孔，由部署在孔洞最下端的液位深度傳感器采集并由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送液位值。

測(cè)量過(guò)程中，傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)調(diào)節(jié)信息的采集頻率和信息的采集量，通過(guò)建立的網(wǎng)絡(luò)，對(duì)采集的信息進(jìn)行傳輸與匯聚。對(duì)信息進(jìn)行去冗余處理后，通過(guò)4G和GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)把匯聚的信息以自定義的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)收到的信息進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)山體滑坡準(zhǔn)確的預(yù)警預(yù)報(bào)。

3.2.無(wú)線(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無(wú)線(xiàn)傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由眾多具有感知和路由功能的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，能夠協(xié)作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，感知并采集各種環(huán)境對(duì)象的信息，將其通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)傳送回主機(jī)進(jìn)行分析、處理。以這些工作節(jié)點(diǎn)為依托,通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信組成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)中大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，從組網(wǎng)通信上看，它們只是其功能的一個(gè)子集，稱(chēng)為RFD（精簡(jiǎn)功能設(shè)備），這種設(shè)備不具有路由功能；另外還有一些節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與控制子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱(chēng)為FFD（全功能設(shè)備或協(xié)調(diào)器）。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由一個(gè)MCU作為主控設(shè)備。每個(gè)信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)ADC從模擬傳感器得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，按照Z(yǔ)igBee協(xié)議把數(shù)據(jù)打包，并通過(guò)射頻芯片及前端天線(xiàn)發(fā)送給簇內(nèi)的FFD；經(jīng)過(guò)FFD預(yù)處理之后，再由FFD通過(guò)4G和GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)。

3.3 4G和GSM雙無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

（1）4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4rd-generation，4G），是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù)。4G 服務(wù)能夠同時(shí)傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百kbps以上。目前4G 存在四種標(biāo)準(zhǔn)：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。

目前我國(guó)三大電信運(yùn)營(yíng)商分別使用不同的 4G 標(biāo)準(zhǔn)：聯(lián)通運(yùn)營(yíng) WCDMA，電信運(yùn)營(yíng) CDMA2000，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)TD-SCDMA。各個(gè)運(yùn)營(yíng)商4G 的理論速度是：聯(lián)通4G 上網(wǎng)WCDMA的下行理論峰值高達(dá)7.2Mbit/s，上行最高速率為5.8Mbit/s；電信4G上網(wǎng)CDMA2000 EVDO 的下行理論峰值則是3.1Mbit /s，上行最高速率為1.8Mbit/s；移動(dòng)4G 上網(wǎng)TD-SCDMA 的下行理論峰值是2.8Mbit/s，上行最高速率為384.0kbit/s。

（2）GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

GSM分別采用900 MHz頻段和1800 MHz頻段的頻率配置。目前我國(guó)GSM 900MHz頻段的使用情況：中國(guó)移動(dòng)的上行頻段為890～909 MHz，下行頻段為935～954 MHz；中國(guó)聯(lián)通的上行頻段為909～915 MHz，下行頻段為954～960 MHz。而1800MHz頻段的使用情況：中國(guó)移動(dòng)的上行頻段為1710～1720 MHz，下行頻段為1805～1815 MHz；中國(guó)聯(lián)通的上行頻段為1745～1755 MHz，下行頻段為1840～1850 MHz。

為了確保系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)以中國(guó)聯(lián)通的WCDMA 4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)通信的主網(wǎng)絡(luò)，而中國(guó)移動(dòng)的GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)通信的輔助網(wǎng)絡(luò)。在4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱、沒(méi)有信號(hào)或連網(wǎng)不成功的情況下，則連接切換到GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行通信，保證系統(tǒng)的正常通信，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。