一种基于无线传感器网络的黄土滑坡监测预警系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于无线传感器网络的黄土滑坡监测预警系统及方法，属于山体滑坡灾害监测及预警技术领域。该系统包括无线传感器监测网络层、GPRS网关和远程监控中心。本发明专利技术使用最小二乘法拟合方法对环境参数进行修正，以提高RSSI测距的精度，对无线传感器进行精准埋设，实现山体信号无盲区全覆盖监测，对黄土滑坡灾害进行准确高效的定位实时监测及预警。

【技术实现步骤摘要】
一种基于无线传感器网络的黄土滑坡监测预警系统及方法
本专利技术属于山体滑坡灾害监测及预警
，尤其涉及一种基于无线传感器网络的黄土滑坡监测预警系统及方法。
技术介绍
地质灾害来源于自然和人为地质作用对地质环境的灾难性破坏，主要包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷和地裂缝等。地质灾害对人们的生活和生产造成了巨大的影响，导致了严重的经济损失和人员伤亡，损失惨重的原因除了对潜在的地质灾害没有充分的调查和评估外，更主要是对已存在的地质灾害隐患缺乏防范意识，未能建立准确的监测预报系统，如果对地质灾害能进行较好的预警和预报，在灾害发生前实施紧急撤离，就可以避免人员伤亡和财产损失，获得巨大的社会效益。我国部分地区滑坡灾害的频发严重威胁着相应地区居民的生命财产安全和道路的正常运营，故对于滑坡灾害的监测预警刻不容缓，采用科学合理的监测预警手段，可以防患于未然，将滑坡灾害损失减少到最低点。国内外在滑坡监测技术、方法、手段上都有向自动化、远程化、web化发展的趋势，然而由于各种设备高昂的费用、操作方法的复杂性等原因，目前还缺乏专门针对滑坡灾害的行之有效的灾害监测预警体系。国内外现有的滑坡监测方法和手段很多，但在实际应用中，监测效果并不理想。如近景摄影测量法，它的监测精度低，易受天气等因素的影响；GPS监测法不受天气的影响，但在高精度的监测要求下，其成本昂贵，不宜大面积推广使用，且在高山等野外环境下，卫星信号易被遮挡；TDR法价格低，但它无法确定滑坡位移量和位移方向。以上方法虽然从不同程度上实现了对山体滑坡的监测及预警预报，但依然受到监测设备成本高、维护费用高，监测周期长、操作不便等因素的制约。此外，现有的很多监测方法都是有线的方法，系统的部署不灵活，易受监测现场地理环境的影响。随着光学、电学、信息学、计算机技术和通信技术的发展，集多种功能于一体的、低成本的无线传感器网络技术得到广泛的研究和空前的发展，实现了对监测区域的网络式布设，为实现环境信息的区域性大范围采集提供了有力支撑。无线传感器网络监测系统采用无人值守，自动采集实时数据，无线汇聚采集信息，系统的安全性高、可靠性强、传感器节点布置灵活。从本世纪初开始，区域性的滑坡监测预警工作在我国大陆地区逐渐开展。如今，地质灾害预警系统工作在我国发展了10多年，国内对这一工作亦累计了一定经验，但是仍存在很大的问题，还有很大的提升空间。对于无线传感器网络定位算法方面的研究，迄今为止，国内外学者仍旧没有制定出一个统一的标准用来刻画无线传感器网络自身定位算法和系统的分类。每种定位算法都有其自身的使用场合，没有一种是“万能”的，能在任何场合获得最优的定位精度，因此要根据网络不同的应用场合选择一种实用的定位算法。基于具体的要求，虽然也相继提出了一些分类方法，但都存在不同程度的缺陷，目前较为主流的分类方法有：基于测距的定位与无需测距的定位、绝对定位和相对定位、集中式计算与分布式计算、紧密耦合与松散耦合、粗粒度与细粒度。就基于无线传感器网络测距的定位算法目前常用的为接收信号强度指示方法其中最常用的定位技术是RSSI的节点定位技术，由于信号传播过程中受到外界发杂环境因素的影响，因此会产生信号的损耗和衰减，信号在发送和接受过程中都会产生由于距离和其它环境因素影响产生的影响。分析RSSI的节点定位技术的特点，由于节点受能量和体积的限制，采用基于RSSI的节点定位技术是一种可行的方案，但该方法的定位精度不高，检测环境的情况复杂时，会影响传感器节点信号强度收发的准确性，增大定位误差，这就需要对RSSI技术的误差进行修正，以保证检测结果的准确性，从而保证滑坡监测预警的准确性和及时性。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种基于无线传感器网络的黄土滑坡监测预警系统，本专利技术的目的之二是提供一种基于无线传感器网络的黄土滑坡监测预警方法。本专利技术的目的之一是通过以下技术方案来实现的：本专利技术提供的基于无线传感器网络的黄土滑坡监测预警系统，包括无线传感器监测网络层、GPRS网关和远程监控中心，无线传感器监测网络层为采用ZigBee协议的多簇结构网络，相邻若干传感器监测节点选出一个簇头节点，无线传感器监测节点获取实时数据汇集至簇头节点，簇头节点通过簇间多跳上传数据至WSN协调器，WSN协调器通过GPRS网关与远程监控中心通讯连接，传感器监测节点的布设遵循RSSI节点定位算法在滑坡区无盲区精确布设，远程监控中心用于接收传感器监测网络层发送的数据并对数据进行分析和预警。进一步，所述无线传感器监测节点包括用于监测位移值和应力值的柔性感应管及用于监测坡体含水量的含水量传感器。进一步，所述远程监控中心还通信连接有报警装置。本专利技术的目的之二是通过以下技术方案来实现的：本专利技术提供的基于无线传感器网络的黄土滑坡监测预警方法，包括以下步骤：⑴采用最小二乘法对RSSI定位算法的环境参数修正后计算预监测的黄土滑坡上无线传感器监测节点埋设位置，在各无线传感器监测节点埋设位置预估滑动面位置，根据预估的滑动面深度来确定无线传感器埋设深度，确保无线传感器埋设到预估滑动面以下；⑵建成黄土滑坡监测预警系统，对各节点处坡体含水量、位移量、应力值进行监测，各无线传感器监测节点采集数据后汇集至簇头节点，各簇头节点通过簇间多跳上传数据至WSN协调器，WSN协调器通过GPRS网关将数据传至远程监控中心，远程监控中心对进行数据存储、数据分析处理；⑶当节点处的坡体岩土体含水量达到滑坡土体的液限值时，远程监控中心给预警装置发送指令，预警装置发出警报，当节点处的位移量变化发生突变或位置变化时，远程监控中心给预警装置发送指令，预警装置发出警报，当节点处的岩土体的坡体应力值接近岩土体抗剪强度时远程监控中心给预警装置发送指令，预警装置发出警报。进一步，步骤⑴中预估滑动面位置的方法是对黄土滑坡进行岩土体性质、岩层产状、坡面的关系、后缘裂缝发育情况的调查，综合调查结果通过作圆弧形图来初步预估滑动面的位置。进一步，步骤⑴中最小二乘法对RSSI定位算法的环境参数修正方法，包括：①、根据无线电信号的传播衰减模型公式1，当计量单位为dbm时，RSSI值和其对应距离之间呈现线性函数关系，将距离d设为x,RSSI值设为y,那么RSSI值与d之间最适合的直线方程为公式2：y＝a+bx(2)②、由最小二乘法拟合的基本原理可得：③、求关于a、b的偏导数并令其为零，解方程组，得到RSSI测距环境参数修正值a、b计算公式4：④、根据测出的RSSI值得到如下距离估算公式5：其中：x为移动节点到接收端节点的距离值,y为接收端节点接收到的移动节点发出的RSSI信号强度值,a、b为步骤③中计算得到的RSSI测距环境参数修正值，采集参考节点i到接收端节点的距离值xi、接收端节点接收到的参考节点i发出的RSSI信号强度值yi，其中i＝1…..n，n大于4，λ是环境影响因子，ζσ是算术平均值为0的高斯分布随机变量，其标准差为4-10。进一步，步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于无线传感器网络的黄土滑坡监测预警系统，包括无线传感器监测网络层、GPRS网关和远程监控中心，其特征在于：无线传感器监测网络层为采用ZigBee协议的多簇结构网络，相邻若干传感器监测节点选出一个簇头节点，无线传感器监测节点获取实时数据汇集至簇头节点，簇头节点通过簇间多跳上传数据至WSN协调器，WSN协调器通过GPRS网关与远程监控中心通讯连接，传感器监测节点的布设遵循RSSI节点定位算法在滑坡区无盲区精确布设，远程监控中心用于接收传感器监测网络层发送的数据并对数据进行分析和预警。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于无线传感器网络的黄土滑坡监测预警系统，包括无线传感器监测网络层、GPRS网关和远程监控中心，其特征在于：无线传感器监测网络层为采用ZigBee协议的多簇结构网络，相邻若干传感器监测节点选出一个簇头节点，无线传感器监测节点获取实时数据汇集至簇头节点，簇头节点通过簇间多跳上传数据至WSN协调器，WSN协调器通过GPRS网关与远程监控中心通讯连接，传感器监测节点的布设遵循RSSI节点定位算法在滑坡区无盲区精确布设，远程监控中心用于接收传感器监测网络层发送的数据并对数据进行分析和预警。


2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的黄土滑坡监测预警系统，其特征在于：所述无线传感器监测节点包括用于监测位移值和应力值的柔性感应管及用于监测坡体含水量的含水量传感器。


3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的黄土滑坡监测预警系统，其特征在于：所述远程监控中心还通信连接有报警装置。


4.一种基于无线传感器网络的黄土滑坡监测预警方法，其特征在于：包括以下步骤：
⑴采用最小二乘法对RSSI定位算法的环境参数修正后计算预监测的黄土滑坡上无线传感器监测节点埋设位置，在各无线传感器监测节点埋设位置预估滑动面位置，根据预估的滑动面深度来确定无线传感器埋设深度，确保无线传感器埋设到预估滑动面以下；
⑵建成黄土滑坡监测预警系统，对各节点处坡体含水量、位移量、应力值进行监测，各无线传感器监测节点采集数据后汇集至簇头节点，各簇头节点通过簇间多跳上传数据至WSN协调器，WSN协调器通过GPRS网关将数据传至远程监控中心，远程监控中心对进行数据存储、数据分析处理；
⑶当节点处的坡体岩土体含水量达到滑坡土体的液限值时，远程监控中心给预警装置发送指令，预警装置发出警报，当节点处的位移量变化发生突变或位置变化时，远程监控中心给预警装置发送指令，预警装置发出警报，当节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：高立兵，苏军德，
申请(专利权)人：高立兵，
类型：发明
国别省市：甘肃;62