CN108053619A - 山体滑坡智能监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了山体滑坡智能监测预警系统，包括依次通信连接的传感监测装置、基站和山体滑坡监测平台；传感监测装置包括多个传感器节点，基站和多个传感器节点一同构建成用于感知和采集山体环境监测数据的无线传感器网络，传感器节点采集的山体环境监测数据最终传送到基站，进而由基站汇聚山体环境监测数据并传送至山体滑坡监测平台加以集中处理、存储和显示。本发明实现了对山体滑坡的智能监测。

Description

山体滑坡智能监测预警系统

技术领域

本发明涉及山体滑坡灾害监测领域，具体涉及山体滑坡智能监测预警系统。

背景技术

传统的山体滑坡监测预警系统的山体环境监测数据通常采取有线方式传输，但是山区地理调节复杂，线路架设困难，不方便实现对整个山体滑坡监测区域进行大范围的节点布置，不可保证数据采集的深度，不能为实现山体滑坡状态监测和预警提供巨量数据基础，从而不能自动实现对山体滑坡的远程实时监控和预警工作。

发明内容

针对上述问题，本发明提供山体滑坡智能监测预警系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了山体滑坡智能监测预警系统，包括依次通信连接的传感监测装置、基站和山体滑坡监测平台；所述的传感监测装置包括多个传感器节点，基站和多个传感器节点一同构建成用于感知和采集山体环境监测数据的无线传感器网络，传感器节点采集的山体环境监测数据最终传送到基站，进而由基站汇聚山体环境监测数据并传送至山体滑坡监测平台加以集中处理、存储和显示。

本发明的有益效果为：以无线传感器网络技术为基础，构建山体滑坡无线传感器监测网络，不需要大量布线就能实现对山体滑坡监测区域的远程实时监测，为实现山体滑坡状态监测和预警提供巨量数据基础，并通过山体滑坡监测平台和报警器的配合，可自动实现对山体滑坡的远程智能监控和预警工作。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1本发明一个实施例的山体滑坡智能监测预警系统结构示意框图；

图2是本发明一个实施例的山体滑坡监测平台的结构示意框图。

附图标记：

传感监测装置1、基站2、山体滑坡监测平台3、报警装置4、收发器10、处理器12、存储器14、显示器16。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本实施例提供的山体滑坡智能监测预警系统，包括依次通信连接的传感监测装置1、基站2和山体滑坡监测平台3。

其中，传感监测装置1用于采集、处理山体环境监测数据并将处理后的山体环境监测数据传送到基站2。传感监测装置1包括多个传感器节点，基站2和多个传感器节点一同构建成用于感知和采集山体环境监测数据的无线传感器网络，传感器节点采集的山体环境监测数据最终传送到基站2，进而由基站2汇聚山体环境监测数据并传送至山体滑坡监测平台3加以集中处理、存储和显示。

可选地，如图2所示，所述的山体滑坡监测平台3包括收发器10、处理器12、存储器14、显示器16，所述处理器12电连接收发器10、存储器14和显示器。

其中，收发器10可接收基站2传送的山体环境监测数据，并把山体环境监测数据发送至处理器12。

处理器12用于对山体环境监测数据进行处理，将山体环境监测数据与其存储器14中存储的对应标准阈值进行比较分析，输出分析结果。可选地，所述的处理器12在山体环境监测数据超出其存储器14中存储的对应标准阈值时输出该山体环境监测数据为异常的分析结果。

存储器14主要用于存储山体环境监测数据、标准阈值，所述的显示器16用于显示山体环境监测数据以及处理器12的分析结果。

可选地，山体滑坡监测预警系统还包括与处理器12通信连接的报警装置4。所述的报警装置4在山体环境监测数据为异常时启动报警。

可选地，所述的报警装置4包括蜂鸣报警器和LED信号指示灯。

可选地，传感器节点包括数据采集模块、数据分析处理模块以及数据通信模块；数据采集模块由传感器与模数转换器完成，数据分析处理模块由微处理器与存储器完成，数据通信模块由无线收发器完成。其中传感器类型有：倾角传感器、液位传感器、位移传感器以及加速度传感器。

本发明上述实施例中，以无线传感器网络技术为基础，构建山体滑坡无线传感器监测网络，实现对山体滑坡监测区域的远程实时监测，为实现山体滑坡状态监测和预警提供巨量数据基础，并通过山体滑坡监测平台3和报警器的配合，可自动实现对山体滑坡的远程实时监控和预警工作。

可选地，多个传感器节点皆随机部署于设定的山体监测区域内。为了得到山体滑坡监测区域的实时有效信息，在山体滑坡监测区域安放大量的传感器节点测量山体位移值和加速度值，由于山体滑坡主要是由地下水侵蚀产生，因此，地下水位深度是显示山体滑坡危险度的重要指标，通过现场打孔，由部署在孔洞最下端的液位深度传感器采集并通过通信模块发送液位值。山体往往由多层土壤或岩石组成，不同层次间由于物理构成和侵蚀程度不同，其运动速度不同，发生这种现象时，部署在不同深度的倾角传感器将会返回不同的倾角数据，通过倾角传感器可以监测山体的运动状况。

在一个实施例中，传感器节点通过分簇分为簇头节点和簇成员节点，簇成员节点用于采集山体环境监测数据并将山体环境监测数据发送至所属簇的簇头节点；簇头节点用于接收并处理簇成员发送的山体环境监测数据，还用于将处理后的山体环境监测数据发送至基站2。

现有的LEACH路由协议通过轮询机制控制无线射频的能耗趋于一致，但是传感器节点还存在如感知、计算等方面的能量消耗，这种能量消耗会随着无线传感器网络运行时间的延长而累计，从而加剧剩余能量的不均衡性。本实施例中，传感器节点基于改进的LEACH路由协议分为簇头节点和簇成员节点。

其中，改进的LEACH路由协议具体包括：

(1)每一轮的簇头选举开始时，每个传感器节点随机生成一个介于0到1之间的随机数，并设定对应的阈值；

当i∈V时，传感器节点i设定阈值为：

当传感器节点i设定阈值为：

Φ_i＝0

式中，Φ_i表示传感器节点i设定的阈值，为簇头节点数占总传感器节点数百分比的期望值，N为当前轮数减1，V为在前轮中未当选过簇头节点的传感器节点集合；

P_min为设定的最小能量值，P_i为传感器节点i的当前剩余能量，f(P_min,P_i)为比较函数，当P_min≤P_i时，f(P_min,P_i)＝1，当P_min>P_i时，f(P_min,P_i)＝0；

A为设定的室内环境监测区域的长度，D_i为传感器节点i的通信半径，K为传感器节点的总个数，mod(·)表示求余函数；

(2)若传感器节点生成的随机数小于其设定的阈值，该传感器节点当选为簇头节点；

(3)当簇头节点全部产生后，簇头节点向网络中广播自己当选为簇头节点的消息，其他非簇头节点根据接收到的广播信息的强弱加入相应簇，成为该簇的簇成员节点，并发送信息告知对应的簇头节点。

本实施例改进了LEACH路由协议中的阈值设定公式，一方面在阈值设定公式中考虑了能量因素，使得当前剩余能量较多的传感器节点能够有更大的几率当选簇头节点，从而平衡各传感器节点的能耗；另一方面基于室内环境监测区域的长度来计算簇头节点数占总传感器节点数百分比的期望值，有益于尽可能地避免网络出现不连通的问题，保障山体环境监测数据的实时采集和传输，从而提高智能家居环境控制系统的稳定性。

在一个实施例中，簇头节点将处理后的山体环境监测数据发送至基站2，具体为：簇头节点满足距离条件时，直接与基站2连接，从而将处理后的山体环境监测数据直接发送至基站2；当簇头节点不满足距离条件时，采用簇间多跳路由通信的方式将处理后的山体环境监测数据发送至基站2。

其中，距离条件为：

式中，CH_mn为与簇头节点CH_m距离最近的簇头节点，Ψ(CH_mn,O)为簇头节点CH_mn到基站2的距离，Ψ(CH_m,O)为簇头节点CH_m到基站2的距离，L_max为设定的距离比阈值。

现有技术中，簇头节点通常选择与其距离最近的簇头节点作为其中继节点，直到到达基站2，从而完成山体环境监测数据的传输。然而，如果只采取距离最近原则有可能使得簇头节点形成的单链过长，从而浪费能量。

本实施例的簇头节点基于距离条件，选择不同的方式与基站2建立连接，使得无线传感器网络的拓扑更加灵活，有效地避免了单链过长的问题，从而在转发山体环境监测数据方面避免了不必要的能量浪费，在整体上节省山体滑坡智能监测预警系统的能量成本，并进一步使得山体环境监测数据的采集更加高效、可靠，满足对山体环境监测的实时性要求。

在一个实施例中，簇头节点采用簇间多跳路由通信的方式将处理后的山体环境监测数据发送至基站2，具体包括：

(1)簇头节点获取其到基站2所有路由路径；

(2)计算每条路由路径的权重值，设4_l表示簇头节点CH_l的第r条到基站2的路由路径，表示路由路径r_l的权重值，设定的计算公式为：

式中，为路由路径r_l的路径长度；E_D(r)为路由路径r_l的带宽，由路径中的最小带宽决定；为路由路径r_l的总跳数；Q_max、E_min、G_max分别为满足网络服务质量要求的最大路径长度、最小带宽、最大跳数，b₁、b₂为设定的权重系数；

(3)对各条路由路径按照权重值由大到小的顺序进行排序，归入路由路径集合；

(4)按顺序选择路由路径集合中前n₁条满足基本能量条件的路由路径作为优选路由路径，其中基本能量条件为路由路径中簇头节点CH_l的下一跳节点的当前剩余能量高于设定的最小能量值，n₁<n，n为路由路径集合内具有的路由路径总条数；

(5)对处理后的山体环境监测数据平均分割后分配给各优选路径进行传输。

当数据量很大的情况下，单路由路径无法满足网络山体环境监测数据通信的性能要求，本实施例中，簇头节点将山体环境监测数据分流到路由路径集合中前n₁条满足基本能量条件的路由路径进行传输，能够有效提高山体环境监测数据传输效率。

本实施例基于网络服务质量要求设定了路由路径的权重值计算公式，由该计算公式可知，在路径长度、带宽、跳数方面更加满足网络服务质量要求的路由路径具有更大的权重值，权重值的大小反映了路由路径的链路质量的好坏。本实施例根据权重值由大到小的顺序对簇头节点到基站2所有路由路径进行排序，并选择前n₁条满足基本能量条件的路由路径作为山体环境监测数据传输的路由路径，能够有效提高山体环境监测数据传输的可靠性。

本实施例在选择优选路由路径时考虑到基本能量条件，有利于均衡簇头节点的各下一跳节点的能耗，提高无线传感器网络的稳定性，保障山体滑坡智能监测预警系统稳定运行。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.山体滑坡智能监测预警系统，其特征是，包括依次通信连接的传感监测装置、基站和山体滑坡监测平台；所述的传感监测装置包括多个传感器节点，基站和多个传感器节点一同构建成用于感知和采集山体环境监测数据的无线传感器网络，传感器节点采集的山体环境监测数据最终传送到基站，进而由基站汇聚山体环境监测数据并传送至山体滑坡监测平台加以集中处理、存储和显示。

2.根据权利要求1所述的山体滑坡智能监测预警系统，其特征是，所述的山体滑坡监测平台包括收发器、处理器、存储器和显示器，所述处理器电连接收发器、存储器和显示器。

3.根据权利要求2所述的山体滑坡智能监测预警系统，其特征是，还包括与处理器通信连接的报警装置。

4.根据权利要求3所述的山体滑坡智能监测预警系统，其特征是，所述的报警装置包括蜂鸣报警器和LED信号指示灯。

5.根据权利要求1-4任一项所述的山体滑坡智能监测预警系统，其特征是，传感器节点通过分簇分为簇头节点和簇成员节点，簇成员节点用于采集山体环境监测数据并将山体环境监测数据发送至所属簇的簇头节点；簇头节点用于接收并处理簇成员发送的山体环境监测数据，还用于将处理后的山体环境监测数据发送至基站。

6.根据权利要求5所述的山体滑坡智能监测预警系统，其特征是，簇头节点将处理后的山体环境监测数据发送至基站，具体为：簇头节点满足距离条件时，直接与基站连接，从而将处理后的山体环境监测数据直接发送至基站；当簇头节点不满足距离条件时，采用簇间多跳路由通信的方式将处理后的山体环境监测数据发送至基站。

7.根据权利要求5所述的山体滑坡智能监测预警系统，其特征是，传感器节点基于改进的LEACH路由协议分为簇头节点和簇成员节点；

其中，改进的LEACH路由协议具体包括：

(1)每一轮的簇头选举开始时，每个传感器节点随机生成一个介于0到1之间的随机数，并设定对应的阈值；

当i∈V时，传感器节点i设定阈值为：

当传感器节点i设定阈值为：

Φ_i＝0

式中，Φ_i表示传感器节点i设定的阈值，为簇头节点数占总传感器节点数百分比的期望值，N为当前轮数减1，V为在前轮中未当选过簇头节点的传感器节点集合；

P_min为设定的最小能量值，P_i为传感器节点i的当前剩余能量，f(P_min，P_i)为比较函数，当P_min≤P_i时，f(P_min，P_i)＝1，当P_min＞P_i时，f(P_min，P_i)＝0；

A为设定的室内环境监测区域的长度，D_i为传感器节点i的通信半径，K为传感器节点的总个数，mod(·)表示求余函数；

(2)若传感器节点生成的随机数小于其设定的阈值，该传感器节点当选为簇头节点；

(3)当簇头节点全部产生后，簇头节点向网络中广播自己当选为簇头节点的消息，其他非簇头节点根据接收到的广播信息的强弱加入相应簇，成为该簇的簇成员节点，并发送信息告知对应的簇头节点。