基于無線傳感網(wǎng)與靜力水準(zhǔn)集成的礦區(qū)地表沉降監(jiān)測

楊文環(huán) 孫久運(yùn)

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

基于無線傳感網(wǎng)與靜力水準(zhǔn)集成的礦區(qū)地表沉降監(jiān)測

楊文環(huán) 孫久運(yùn)

(中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著社會(huì)的發(fā)展，對礦區(qū)地表沉降與重要建筑物等監(jiān)測的實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化、精確度要求越來越高，傳統(tǒng)的精密水準(zhǔn)測量需野外作業(yè)，且周期長、花費(fèi)大，不利于進(jìn)行長期、實(shí)時(shí)、自動(dòng)化監(jiān)測。為此，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的靜力水準(zhǔn)監(jiān)測相結(jié)合，構(gòu)建了一套結(jié)合低成本ZigBee無線技術(shù)與GPRS技術(shù)的無線靜力水準(zhǔn)監(jiān)測系統(tǒng)。靜力水準(zhǔn)儀作為傳感器連接于無線網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至主節(jié)點(diǎn)，再通過DTU模塊，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)、高精度的礦區(qū)地表沉降監(jiān)測，具有廣闊的應(yīng)用前景。

地表沉降 靜力水準(zhǔn) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ZigBee

地表沉降是當(dāng)前全球范圍內(nèi)一種重大地質(zhì)災(zāi)害，很多地表沉降是人類活動(dòng)引起的，例如地下石油的開采，煤礦開采等[1]。中國是一個(gè)產(chǎn)煤大國，在開采和利用煤炭獲得巨大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也不可避免地對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境帶來了一系列的影響，其中比較典型的就是煤炭資源開采后形成大范圍采空區(qū)而造成的地表沉降塌陷[2]。礦區(qū)地表塌陷會(huì)造成建筑物、道路受損，大量耕地破壞等問題。因此，對礦區(qū)沉降監(jiān)測方法進(jìn)行研究，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測地表沉降就變得尤為重要。常規(guī)的監(jiān)測技術(shù)和人工采集數(shù)據(jù)的方法，不僅存在監(jiān)測范圍小、工作量大、效率低和投入高等問題，而且有限的測點(diǎn)難以反映目標(biāo)系統(tǒng)的整體狀況，存在漏檢的弊端。本研究將傳統(tǒng)的靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[3]技術(shù)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對礦區(qū)地表沉降高精度、自動(dòng)化、遠(yuǎn)距離、低成本、實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 集成靜力水準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測體系

1.1 傳統(tǒng)沉陷監(jiān)測方法

為了研究引起礦區(qū)地表沉降的原因以及發(fā)展過程與趨勢，了解沉陷發(fā)展規(guī)律，必須進(jìn)行全面的監(jiān)測。傳統(tǒng)的沉陷監(jiān)測方法有水準(zhǔn)測量、全站儀三角測量、GPS技術(shù)等[4]。其中水準(zhǔn)測量是一種直接測量高程的方法，測量高差精度較高，但受地形影響較大，轉(zhuǎn)站多，測量速度慢，在丘陵、山地的礦區(qū)很難開展；全站儀三角測量可以快速準(zhǔn)確地測得高程數(shù)據(jù)，具有較高的作業(yè)速度，但仍存工作量大，工作強(qiáng)度與測量成本較高等問題；GPS 技術(shù)具有數(shù)據(jù)獲取速度快、作業(yè)方法簡單、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，但其點(diǎn)位選擇自由度較低，數(shù)據(jù)處理時(shí)函數(shù)關(guān)系比較復(fù)雜。

傳統(tǒng)的有線靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)具有精度高、自動(dòng)化性能好、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量等優(yōu)點(diǎn)，但由于有線系統(tǒng)存在布線復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對固定、長距離通信時(shí)信號衰減嚴(yán)重、監(jiān)測成本較高，維護(hù)難度大等問題[5]，使得有線靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)通常不作為礦區(qū)地表沉降監(jiān)測的一種選擇。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)模大、密度高、多跳的路由、自組織網(wǎng)絡(luò)及動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)，非常適合應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。因此本研究在傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)測量的基礎(chǔ)上引入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，組成集成靜力水準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在滿足高精度觀測的同時(shí)，能夠大大降低人工作業(yè)量，實(shí)現(xiàn)大范圍、遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化、低成本、實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1.2 常用的無線傳輸技術(shù)

目前常見的短距離無線通信技術(shù)主要有無線局域網(wǎng)802.11(Wi-Fi)、藍(lán)牙(Bluetooth)、紅外數(shù)據(jù)傳輸(IrDA)、家庭無線電射頻技術(shù)(HomeRF)、紫峰(ZigBee)等[6]。其中Wi-Fi技術(shù)功耗較高，藍(lán)牙設(shè)備價(jià)格較高，紅外數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)無法長時(shí)間維持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，家庭無線射頻技術(shù)目前停止更新已退出歷史舞臺(tái)，以上幾種無線通信技術(shù)成本較高，且布設(shè)、運(yùn)行環(huán)境要求高。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中。ZigBee技術(shù)主要有低功耗、低成本、低傳輸速率、近距離、短延時(shí)、高容量、高安全、免執(zhí)照頻段等特點(diǎn)。而且因其不需要固定網(wǎng)絡(luò)支持，可快速展開、抗毀性強(qiáng)。非常適用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 新型基于無線傳感網(wǎng)的沉陷監(jiān)測

2.1 集成靜力水準(zhǔn)儀的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中最基本的組成單元是設(shè)備，ZigBee協(xié)議將所有的ZigBee設(shè)備分為3種不同的類型[7]：①網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、維護(hù)和管理，分配網(wǎng)絡(luò)地址等；②全功能設(shè)備FFD，具備路由功能，主要負(fù)責(zé)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中最佳數(shù)據(jù)傳遞路線發(fā)現(xiàn)，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)整體功耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；③簡化功能設(shè)備RFD，不具備路由功能，只能選擇加入已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)，只能收發(fā)信息，不能轉(zhuǎn)發(fā)信息。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中至少存在1個(gè)FFD作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，1個(gè)FFD可以同時(shí)和多個(gè)RFD或FFD通信，而1個(gè)RFD只能和1個(gè)FFD進(jìn)行通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可采用星型、樹型和網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[8]，由1個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，1個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。

本研究采用樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將靜力水準(zhǔn)儀作為傳感器連接到子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)距離子節(jié)點(diǎn)可采用多跳的方式傳遞信息。每個(gè)子節(jié)點(diǎn)可設(shè)置成睡眠模式，在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)自動(dòng)休眠，以降低功耗，延長使用壽命。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸采用碰撞避免機(jī)制與完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，而且網(wǎng)絡(luò)層和MAC層都有可分級的安全策略，可靈活定義各個(gè)應(yīng)用的安全屬性。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有較高的可靠性和安全性。集成靜力水準(zhǔn)儀的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示。

圖1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)計(jì)

2.2.1 GPRS技術(shù)

通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)[9]具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線和按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)。GPRS采用和GSM一樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、頻帶、突發(fā)結(jié)構(gòu)、調(diào)頻規(guī)則以及TDMA幀結(jié)構(gòu)，允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下接發(fā)數(shù)據(jù)不需要利用電路交換的網(wǎng)絡(luò)資源，這種高效率、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特別適用于少量的、頻繁的、突發(fā)性的、間斷性的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)或者偶爾數(shù)據(jù)量很大的傳輸應(yīng)用，同時(shí)傳輸距離幾乎不受約束。因此，利用GPRS技術(shù)結(jié)合ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)大量傳輸及遠(yuǎn)程控制成為一種可行方案。

2.2.2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合GPRS遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)測區(qū)域子節(jié)點(diǎn)的傳感器采集到的數(shù)據(jù)直接發(fā)送或通過路由送往到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊相連，將數(shù)據(jù)傳送給GPRS，然后發(fā)送到遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測。數(shù)據(jù)傳輸過程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸示意

采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS無線遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，構(gòu)造了一種二者通信優(yōu)勢互補(bǔ)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)[10]。該系統(tǒng)具備了ZigBee技術(shù)的組網(wǎng)速度快、成本比較低、功耗比較小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、對參數(shù)能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程通信的特點(diǎn)。通過多個(gè)子節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到主節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)由網(wǎng)關(guān)傳輸至GPRS網(wǎng)絡(luò)，利用成熟的GPRS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)全無線的遠(yuǎn)距離傳輸與監(jiān)測，同時(shí)還能以短信的方式發(fā)送到指定的手機(jī)上。

3 實(shí) 驗(yàn)

選取兗礦集團(tuán)鮑店礦區(qū)為實(shí)驗(yàn)礦區(qū)，選擇2處地點(diǎn)分裝布設(shè)靜力水準(zhǔn)儀，組成1個(gè)小型樹形網(wǎng)絡(luò)，其中一處為基準(zhǔn)點(diǎn)，另一處為監(jiān)測點(diǎn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到中心節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)后進(jìn)入休眠狀態(tài)，中心節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送至GPRS模塊，GPRS模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫，如圖3所示。圖4為根據(jù)靜力水準(zhǔn)儀數(shù)據(jù)手冊處理得到的最終觀測值。

圖3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫界面

圖4 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)連續(xù)觀測值

4 結(jié) 語

通過將傳統(tǒng)靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)與無線傳感網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建一套基于ZigBee與GPRS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)對地表沉降的實(shí)時(shí)、高精度、連續(xù)觀測，極大地節(jié)省了人力物力。其成本低、便于布設(shè)、靈活性高、容易維護(hù)、可適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境等特點(diǎn)使其具有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)在應(yīng)用過程中應(yīng)考慮溫度等因素的影響，而且靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)管路長短對監(jiān)測結(jié)果也有一定的影響，要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整，提高靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的使用效果。

[1] 羅文柯，施式亮，謝東海.金竹山土朱煤礦開采地表沉降規(guī)律與灰色預(yù)測模型研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2009(10)：52-58. Luo Wenke，Shi Shiliang，Xie Donghai.Study on surface subsidence laws of Tuzhu Coal Mine of Jinzhushan and its grey predication model[J].China Safety Science Journal，2009(10)：52-58.

[2] 劉金龍，郭華東，宋 瑞，等.多模式雷達(dá)在礦區(qū)沉降監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].遙感技術(shù)與應(yīng)用，2012(4)：584-590. Liu Jinlong，Guo Huadong，Song Rui，et al.The application of multi-mode radar to mining area subsidence monitoring[J].Remote Sensing Technology and Application，2012(4)：584-590.

[3] 宮 鵬.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)環(huán)境應(yīng)用進(jìn)展[J].遙感學(xué)報(bào)，2010(2)：387-395. Gong Peng.Progress in recent environmental applications of wireless sensor networks[J].Journal of Remote Sensing，2010(2)：387-395.

[4] 張洪勝，劉 浩.礦山開采地表沉陷監(jiān)測方法探討[J].測繪與空間地理信息，2014(8)：200-202. Zhang Hongsheng，Liu Hao.The exploration on the methods of monitoring in coal mining subsidence[J].Geomatics & Spatial Information Technology，2014(8)：200-202.

[5] 曹明華.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009. Cao Minghua.Design and Application of an Environment Monitoring System Based on Wireless Sensor Network[D].Lanzhou:Lanzhou University of Technology,2009.

[6] 李百明.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦山環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D].贛州：江西理工大學(xué)，2010. Li Baiming.Application of ZigBee Wireless Sensor Networks for Environmental Monitoring in the Mines[D].Ganzhou:Jiangxi University of Science and Technology,2010.

[7] 高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009. Gao Shouwei，Wu Canyang.ZigBee Technology Practice Guide[M].Beijing：Beihang University Press,2009.

[8] 李苗苗，李良光，陳志平，等.基于Zigbee和GPRS煤礦無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2012(12)：239-241. Li Miaomiao，Li Liangguang，Chen Zhiping，et al.Design of coal mine wireless data acquisition system based on Zigbee and GPRS[J].Coal Mine Machinery，2012(12)：239-241.

[9] 趙 亮，黎 峰.GPRS無線網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2005(9)：2552-2554. Zhao Liang，Li Feng.Application of GPRS wireless network in remote data acquisition[J].Computer Engineering and Design，2005(9)：2552-2554.

[10] 王 瀟，王鳳英.基于ZigBee和GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)[J].煤礦機(jī)械，2010(3)：241-243. Wang Xiao，Wang Fengying.Mine monitoring system based on ZigBee and GPRS wireless sensor network[J].Coal Mine Machinery，2010(3)：241-243.

(責(zé)任編輯 石海林)

Surface Subsidence Monitoring Based on the Wireless Sensor Networks and Hydrostatic Leveling

Yang Wenhuan Sun Jiuyun

(SchoolofEnvironmentScienceandSpatialInformatics，ChinaUniversityofMiningandTechnology，Xuzhou221116，China)

With the development of society，requirement on the real-time monitoring，automation and accuracy of Mining and surface subsidence and other important buildings are high，and the traditional precise leveling is costly and long cycle，and requires fieldwork.It is not conducive to long-term，real-time and automatic monitoring.Combining the wireless sensor network technology with the traditional hydrostatic leveling system，a wireless hydrostatic leveling system is built based on ZigBee wireless transmission at low cost and GPRS technology.In this system the static level as a sensor is connected to a child node in the wireless network.The data collected will be sent to the master node by the child node，and then to the remote Database by the DTU module and GPRS network.This system can realize remote，real-time，high precise monitoring on surface subsidence in mine with a broad application prospect.

Surface subsidence，Hydrostatic leveling，Wireless network，ZigBee

2015-02-28

江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程基金項(xiàng)目(編號：SZBF2011-6-B35)。

楊文環(huán)(1990—)，男，碩士研究生。

TD17

A

1001-1250(2015)-04-208-04