摘 要：我國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重、受威脅人口最多的國(guó)家之一，而且地質(zhì)條件復(fù)雜，各種地質(zhì)災(zāi)害隱患多、分布廣，突發(fā)性和破壞性特別強(qiáng)，嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)需要長(zhǎng)期的連續(xù)在線數(shù)據(jù)采集，由于采集數(shù)據(jù)的地形相對(duì)復(fù)雜，一些傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)不能滿足地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的需求，因此，本文探討了利用LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分布式管理和低功耗的嵌入式地災(zāi)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，有效提高了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。
1.系統(tǒng)概述
地質(zhì)災(zāi)害來(lái)源于自然和人為作用對(duì)地質(zhì)環(huán)境的災(zāi)難性破壞，地質(zhì)災(zāi)害常見(jiàn)的四種形態(tài)為滑坡、崩塌、泥石流和地面沉降。由于監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝于野外環(huán)境，氣象條件和地理環(huán)境相對(duì)比較惡劣，通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況也比較不理想，如果在傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集層和數(shù)據(jù)傳輸層中引入LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可極大提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性，保障全天24h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)、準(zhǔn)確為災(zāi)害預(yù)警提供有效依據(jù)。
2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（1）系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，第一層為遙測(cè)站數(shù)據(jù)采集。采集各監(jiān)測(cè)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。第二層為遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)GPRS/SMS/衛(wèi)星/LoRa等通訊方式，平臺(tái)可向監(jiān)測(cè)站發(fā)送召測(cè)命令，隨時(shí)召測(cè)測(cè)站歷史數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)站可即時(shí)上報(bào)定時(shí)數(shù)據(jù)或報(bào)警數(shù)據(jù)。第三層為數(shù)據(jù)匯聚平臺(tái)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)測(cè)中心站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，使之組成一個(gè)管理自動(dòng)化的預(yù)警系統(tǒng)。
（2）系統(tǒng)采用信息遙測(cè)、軟件工程、網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)代通訊、人工智能等先進(jìn)技術(shù)?？煽焖俨杉⒋鎯?chǔ)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)點(diǎn)的雨量、泥位、土壤含水率、地聲、次聲等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)設(shè)備工作電壓和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。
（3）前端采集的傳感器與數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪b測(cè)終端均集成LoRa通訊模塊，適應(yīng)于高低溫環(huán)境下工作，具有低功耗、穩(wěn)定性高、便于安裝等特點(diǎn)，完全滿足惡劣的野外工作條件。
（4）監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支持GPRS/SMS/3G/衛(wèi)星等通訊方式發(fā)送至多個(gè)遠(yuǎn)程中心，并滿足通過(guò)LoRa無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)以及中心節(jié)點(diǎn)之間可相互通信。
3.系統(tǒng)應(yīng)用集成
3.1 行業(yè)監(jiān)管
（1）一體化設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集終端采用模塊化思路設(shè)計(jì)，具有低功耗和低成本的特點(diǎn)，內(nèi)置LoRa通訊模塊，可對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中管理和控制，并將采集到的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。
（2）網(wǎng)絡(luò)自愈性
無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變化或故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，保證系統(tǒng)穩(wěn)定正常工作。
（3）高兼容性
中心節(jié)點(diǎn)具備協(xié)調(diào)器功能，除完成接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的請(qǐng)求和數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)管理，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的維護(hù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自組織功能，同時(shí)連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，完成與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸和命令管理，完全滿足地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。
3.2 運(yùn)維可靠
（1）傳輸安全
系統(tǒng)設(shè)置了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)中心，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，提高?shù)據(jù)暢通率，在預(yù)報(bào)中心采用了GPRS+LoRa的主備信道傳輸，避免因單一信道故障導(dǎo)致系統(tǒng)通訊終端。
（2）抗干擾性
為保證監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)中心可以隨時(shí)正確獲取監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)、讀取任意時(shí)段數(shù)據(jù)或監(jiān)測(cè)站工作狀態(tài)等信息，數(shù)據(jù)到達(dá)監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器后，首先由通訊程序接收數(shù)據(jù)，通訊程序負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行拆包、解碼，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行糾檢錯(cuò)處理，這一過(guò)程減少了數(shù)據(jù)的誤碼率、提高了數(shù)據(jù)完整率。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合成后被存入數(shù)據(jù)庫(kù)中并存入日志文件中。
（3）低功耗設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用定時(shí)喚醒的模式來(lái)管理各級(jí)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)需要采集數(shù)據(jù)時(shí)，由監(jiān)控中心下發(fā)命令給中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)再來(lái)喚醒各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，開(kāi)始數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。終端節(jié)點(diǎn)會(huì)將采集到的雨量、位移、傾斜、壓力等數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)融合，再傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)。
（4）低運(yùn)維成本
相比傳統(tǒng)的GPRS數(shù)據(jù)傳輸，LoRa數(shù)據(jù)傳輸不需要額外的運(yùn)行成本，可大幅降低項(xiàng)目后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。
4.討論
隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，本文將LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)引入到地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中可隨意增加或刪除終端節(jié)點(diǎn)數(shù)，增加了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)的靈活性，擴(kuò)寬了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)面積，降低了整體系統(tǒng)的功耗，節(jié)約了系統(tǒng)成本，提高了地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，可在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中加以推廣。
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