CN108288353A - 一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统，包括依次通信连接的传感监测装置、基站和远端智能控制中心；所述传感监测装置包括多个随机部署于设定的山体滑坡监测区域内的无线传感器节点，多个无线传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集山体环境监测数据的无线传感器网络；无线传感器节点采集的山体环境监测数据最终传送到基站，进而由基站将接收到的山体环境监测数据传送到远端智能控制中心加以集中处理、存储和显示。本发明利用无线传感器网络技术实现了对山体滑坡的监测预警。

Description

一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统

技术领域

本发明涉及山体滑坡灾害监测领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统。

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，不方便实现对整个滑坡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，本发明提供一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统，包括依次通信连接的传感监测装置、基站和远端智能控制中心；所述传感监测装置包括多个随机部署于设定的山体滑坡监测区域内的无线传感器节点，多个无线传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集山体环境监测数据的无线传感器网络；无线传感器节点采集的山体环境监测数据最终传送到基站，进而由基站将接收到的山体环境监测数据传送到远端智能控制中心加以集中处理、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，构建山体滑坡监测区域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护，并通过远端智能控制中心和报警器的配合，可自动实现对山体滑坡的远程实时监控和预警工作。

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结构示意框图；

图2是本发明一个实施例的远端智能控制中心的结构示意框图。

附图标记：

传感监测装置1、基站2、远端智能控制中心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，本实施例提供的一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统，包括依次通信连接的传感监测装置1、基站2和远端智能控制中心3；所述传感监测装置1包括多个随机部署于设定的山体滑坡监测区域内的无线传感器节点，多个无线传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集山体环境监测数据的无线传感器网络；无线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将接收到的山体环境监测数据传送到远端智能控制中心3加以集中处理、存储和显示。

无线传感器节点包括传感器和通信模块，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。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无线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。

可选地，如图2所示，所述的远端智能控制中心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，所述的收发器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，所述的处理器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；所述的存储器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，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。

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。

本发明上述实施例中，以无线传感器网络技术为基础，构建山体滑坡监测区域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护，并通过远端智能控制中心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。

在一个实施例中，进行无线传感器节点的部署时，根据该设定的山体滑坡监测区域的面积确定需要部署的无线传感器节点数量的门限下限：

式中，M_min表示需要部署的无线传感器节点数量的门限下限，Ω为设定的山体滑坡监测区域的面积，Ψ_min为实现监测所需的无线传感器节点覆盖率的门限下限，R_max为部署的无线传感器节点的最大感知半径，R_min为部署的无线传感器节点的最小感知半径，int[·]表示取整函数，用于对的计算结果取整数。

其中，在实际部署无线传感器节点时，要确保部署的无线传感器节点个数不小于M_min。可选地，无线传感器节点覆盖率的门限下限的取值为85％。作为另一种可选的方式，无线传感器节点覆盖率的门限下限的取值为90％。

本实施例提出了需要部署的无线传感器节点数量的门限下限的计算公式，该计算公式基于山体滑坡监测区域面积以及无线传感器节点覆盖率门限下限两个因素确定需要部署的无线传感器节点数量的门限下限M_min，为进行无线传感器节点的实际部署提供了科学依据，在进行无线传感器节点的实际部署时，确保部署的无线传感器节点个数不小于M_min，能够保证部署后由无线传感器节点构成的无线传感器网络能够达到覆盖与连通性的基本要求，从而确保山体环境监测数据采集的可靠性。

在一个实施例中，无线传感器节点采用分簇结构进行山体环境监测数据传输：无线传感器节点通过节点竞选确定簇头节点，未成功竞选为簇头节点的无线传感器节点作为普通成员节点，并选择距离最近的簇头节点作为自己的簇头节点加入形成簇，其中普通成员节点将感知到的山体环境监测数据发送至自己的簇头节点，进而由簇头节点对簇内各普通成员节点发送的山体环境监测数据进行融合并发送至基站2。

在一个实施例中，无线传感器节点通过节点竞选确定簇头节点，具体包括：

(1)在每一轮分簇时，基站2向所有无线传感器节点发送广播信号，每个无线传感器节点收到广播信号后应用安全加密随机数产生器生成一个0和0.5之间的随机数；

(2)每个无线传感器节点按照下列公式计算随机阈值，如果生成的随机数小于随机阈值，则成为临时簇头节点：

式中，T(S_i)表示无线传感器节点S_i的随机阈值，P_i为无线传感器节点S_i成为簇头节点的概率，r是当前分簇的轮次，G是有资格成为簇头节点的无线传感器节点集合，若无线传感器节点在最近的轮内没有担任过簇头节点，则该无线传感器节点属于G；E_i为无线传感器节点S_i的当前剩余能量，为无线传感器节点S_i的初始能量，为无线传感器节点S_i在上一次成为簇头节点时消耗的能量，当无线传感器节点S_i没有当过簇头节点时

(3)若两个临时簇头节点间距小于其中任意一个无线传感器节点的通信半径，则该两个无线传感器节点互为邻居临时簇头节点，当选为临时簇头节点的无线传感器节点在对应的通信半径范围内广播当选消息，并接收其他临时簇头节点的广播消息，若一个临时簇头节点的剩余能量大于其所有的邻居临时簇头节点，则自动成为真正的簇头节点，否则恢复到普通成员节点状态。

本实施例基于传统的LEACH分簇路由协议，提出了一种新的簇头节点竞选机制，在传统的LEACH分簇路由协议的基础上，改进了随机阈值的计算公式，并根据剩余能量对邻居临时簇头节点进行进一步的筛选。

传统LEACH分簇协议中，网络的工作周期被分为若干轮，所有无线传感器节点轮流担任簇头节点以达到能量均衡消耗的目的。在簇生成阶段，每个无线传感器节点产生一个0-1之间的随机数，并根据当前轮数计算出一个门限值，如果某无线传感器节点在前(为簇头节点的比率)轮内未担任过簇头节点，并且随机数小于门限值，则该无线传感器节点成为簇头节点，然后，簇头节点向所有节点广播自己成为簇头节点的消息，普通成员节点则根据接收到的广播信号的强度来判断自己与簇头节点的距离，并以簇成员的身份加入与之最近的簇，LEACH协议中簇头节点的选择是随机的，每轮选出的簇头节点数量相差很大，且分布不均匀，无法做到最优。本实施例在随机阈值的计算公式中引入了能量以及能量消耗速率两个因子，使得能量越高、上次成为簇头节点时能量消耗速率小的无线传感器节点具有更大的概率成为簇头节点，从而有益于平衡无线传感器节点间的能耗；本实施例根据剩余能量对邻居临时簇头节点进行进一步的筛选，能够避免相邻两个无线传感器节点同时被选为簇头节点，相对于LEACH分簇路由协议中直接将通过阈值筛选的无线传感器节点作为簇头节点的方式，提高了簇头节点分布的均匀性，因此本实施例从整体上能够增加无线传感器网络的工作寿命，延长山体环境监测数据采集的工作时间。

在一个实施例中，簇头节点与基站2为单跳距离时，该簇头节点对簇内各普通成员节点发送的山体环境监测数据进行融合后直接发送至基站2；当簇头节点与基站2为多跳距离时，该簇头节点选择相邻的簇头节点作为中继节点，以辅助转发融合后的山体环境监测数据。

其中，簇头节点选择中继节点时，具体执行：

(1)簇头节点建立自己的邻居簇头节点列表，其中邻居簇头节点为位于簇头节点通信范围内的其他簇头节点，设簇头节点到基站2的跳数为a，簇头节点在邻居簇头节点列表中寻找到基站2的跳数小于a的邻居簇头节点，若到基站2的跳数小于a的邻居簇头节点只有一个，则将该邻居簇头节点作为中继节点；

(2)若到基站2的跳数小于a的邻居簇头节点存在多个，则将它们归入备用中继节点集合中，设簇头节点为Φ，Φ按照下列公式计算备用中继节点集合中各邻居簇头节点的中继能力：

式中，Z_j表示中继节点集合中第j个邻居簇头节点的中继能力，E_j为中继节点集合中第j个邻居簇头节点的当前剩余能量，为中继节点集合中第j个邻居簇头节点的初始能量，D_Φ,j为簇头节点Φ与中继节点集合中第j个邻居簇头节点的距离，R_j为中继节点集合中第j个邻居簇头节点的簇半径，N_j为中继节点集合中第j个邻居簇头节点具有的邻居簇头节点个数，N为当前无线传感器网络中的簇头节点个数，λ₁、λ₂为预设的比例因子，其中λ₁用于衡量对于Z_j的影响力，λ₂用于衡量对于Z_j的影响力；

(3)簇头节点在备用中继节点集合中选择中继能力为最大的邻居簇头节点作为中继节点。

本实施例提出了簇头节点选择中继节点的路由判定策略，该路由判定策略根据到基站2的跳数和中继能力两个指标进行中继节点选择，其中选择到基站2的跳数作为路由的一个指标，可以确保山体环境监测数据总是朝着基站2的方向发送，根据中继能力对符合跳数指标的邻居簇头节点进行进一步选择，使得能量高、能量消耗速度相对较低的邻居簇头节点具有更大的概率作为中继节点，从而在确保山体环境监测数据可靠传输的前提下进一步平衡簇头节点间的能量，达到延长无线传感器网络周期的有益效果。

本实施例根据能量以及该簇半径、拥有邻居节点的个数三个因素设计了中继能力的计算公式，由于簇半径较大、拥有邻居簇头节点的个数较多的簇头节点需要消耗的能量更多，因此簇半径、拥有邻居簇头节点的个数能够间接反映簇头节点在进行山体环境监测数据收集和传送时的能量消耗的速度，从而根据该计算公式计算出的中继能力能够很好地衡量邻居簇头节点转发山体环境监测数据的能力。通过利用该计算公式进行中继节点的选择，能够提高簇头节点进行中继节点选择的速度，并使得中继节点的选择更具科学性。

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 (6)

1.一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统，其特征是，包括依次通信连接的传感监测装置、基站和远端智能控制中心；所述传感监测装置包括多个随机部署于设定的山体滑坡监测区域内的无线传感器节点，多个无线传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集山体环境监测数据的无线传感器网络；无线传感器节点采集的山体环境监测数据最终传送到基站，进而由基站将接收到的山体环境监测数据传送到远端智能控制中心加以集中处理、存储和显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统，其特征是，所述的远端智能控制中心包括收发器、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所述的一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统，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所述的一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统，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所述的一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统，其特征是，进行无线传感器节点的部署时，根据该设定的山体滑坡监测区域的面积确定需要部署的无线传感器节点数量的门限下限：

式中，M_min表示需要部署的无线传感器节点数量的门限下限，Ω为设定的山体滑坡监测区域的面积，Ψ_min为实现监测所需的无线传感器节点覆盖率的门限下限，R_max为部署的无线传感器节点的最大感知半径，R_min为部署的无线传感器节点的最小感知半径，int[·]表示取整函数，用于对的计算结果取整数。

6.根据权利要求5所述的一种基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统，其特征是，无线传感器节点采用分簇结构进行山体环境监测数据传输：无线传感器节点通过节点竞选确定簇头节点，未成功竞选为簇头节点的无线传感器节点作为普通成员节点，并选择距离最近的簇头节点作为自己的簇头节点加入形成簇，其中普通成员节点将感知到的山体环境监测数据发送至自己的簇头节点，进而由簇头节点对簇内各普通成员节点发送的山体环境监测数据进行融合并发送至基站。