基于无线传感网与静力水准集成的矿区地表沉降监测

   基于无线传感网与静力水准集成的矿区地表沉降监测
作者：无





     随着社会的发展，对矿区地表沉降与重要建筑物等监测的实时性、自动化、准确度要求越来越高，传统的水准测量需野外作业，且周期长、花费大，不利于进行长期、实时、自动化监测。为此，将无线传感网络技术与传统的静力水准监测相结合，构建了一套结合低成本ZigBee无线技术与GPRS技术的无线静力水准检测系统。静力水准仪作为传感器连接于无线网络子节点，子节点将采集到的的数据发送至主节点，再通过DTU模块，利用GPRS网络发送到远程的数据库。系统可实现远距离实时、高精度的矿区地表沉降监测，具有广阔的应用前景。

       地表沉降是当前全球范围内一种重大地质灾害，很多地表沉降是人类活动引起的，例如地下石油的开采，煤矿开采等。中国是一个产煤大国，在开采和利用煤炭获得巨大社会和经济效益的同时，也不可避免的对矿区生态环境带来了一系列的影响，其中比较典型的就是煤炭资源开采后形成大范围采空区而造成的地表沉降塌陷。矿区地表塌陷会造成建筑物、道路受损，大量耕地破坏等问题。因此，对矿区沉降监测方法进行研究，实时、准确地监测地表沉降就变得尤为重要。常规的监测技术和人工采集数据的方法，不仅存在监测范围小、工作量大、效率低和投入高等问题，而且有限的测点难以反映目标系统的整体状况，存在漏检的弊端。本研究将传统的静力水准系统与无线传感器网络技术相结合，可实现对矿区地表沉降高精度、自动化、远距离、低成本、实时监测。

1、集成静力水准的无线传感器网络监测体系

1.1传统沉陷检测方法

       为了研究引起矿区地表沉降的原因以及发展过程与趋势，了解沉陷发展规律，须进行检测。传统的沉陷检测方法有水准测量、全站仪三角测量、GPS技术等。其中水准测量是一种直接测量高程的方法，测量高差精度较高，但受地形影响较大，转站多，测量速度慢，在丘陵、山地的矿区很难开展；全站仪三角测量可以快速的测得高程数据，具有高的作业速度，但仍存工作量大，工作强度与测量成本较高等问题；GPS技术具有数据获取速度快、作业方法简单、自动化程度高等优点，但其点位选择自由度较低，数据处理时函数关系比较复杂。

       传统的有线静力水准系统具有精度高、自动化性能好、可实现实时测量等优点，但由于有线系统存在布线复杂、网络结构相对固定、长距离通信时信号衰减严重、监测成本较高，维护难度大等问题，使得有线静力水准系统通常不作为矿区地表沉降监测的一种选择。而无线传感器网络具有规模大、密度高、多跳的路由、自组织网络及动态变化的网络拓扑等特点，非常适合应用于环境监测领域。因此本研究在传统静力水准测量的基础上引入无线传感器网络技术，组成集成静力水准的无线传感器网络，在满足高精度观测的同时，能够大大降低人工作业量，实现大范围、远距离、自动化、低成本、实时检测。

1.2常用的无线传输技术

       目前常见的短距离无线通信技术主要有无线局域网802.11（Wi-Fi）、蓝牙（Bluetooth）、红外数据传输（IrDA）、家庭无线发射频技术（HomeRF）、紫峰（ZigBee）等。其中Wi-Fi技术功耗较高，蓝牙设备价格较高，红外数据传输技术无法长时间维持网路稳定，家庭无线射频技术目前停止更新已退出历史舞台，以上几种无线通信技术成本较高，且布设、运行环境要求高，ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低成本、低复杂度的无线网络技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中。ZigBee技术主要有低功耗、成本低、低传输速率、近距离、短延时、高容量、免执照频段等特点。而且因其不需要固定网络支持，可快速展开、抗毁性强。非常适用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输。

2、新型基于无线传感网的沉陷监测

2.1集成静力水准仪的ZigBee无线传感器网络

       ZigBee网络中基本的组成单元是设备，ZigBee协议将所有的ZigBee设备分为3种不同的类型：①网络协调器，负责网络的建立、维护和管理，分配网络地址等；②全功能设备FFD，具备路由功能，主要负责进行网络中数据传递路线发现，减少数据转发次数，降低网络整体功耗，延长网络寿命，扩展网络的覆盖范围；③简化功能设备RFD，不具备路由功能，之鞥呢选择加入已经形成的网络，只能收发信息，不能转发信息。ZigBee网络中至少存在1个FFD作为网络协调器，1个FFD可以同时和多个RFD或FFD通信，而1个RFD只能和1个FFD进行通信，ZigBee网络可采用星型、树型和网型网络结构，由1个主节点管理若干子节点，1个主节点可管理254个子节点。

       本研究采用树型网络结构，将静力水准仪作为传感器连接到子节点，子节点将采集到的数据发送给主节点，远距离子节点可采用多跳的方式传递信息。每个子节点可设置成睡眠模式，在没有数据发送时自动休眠，以降低功耗，延长使用寿命。网络中的数据传输采用碰撞避免机制与完全确认的数据传输机制，而且网络层和MAC层都可分级的策略，可灵活定义各个应用的属性。整个网络具有较高的可靠性。

2.2ZigBee无线传感器网络结合GPRS实现远程监测设计

2.2.1GPRS技术

       通用分组无线业务具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点。GPRS采用和GSM一样的无线调制标准、频带、突发结构、调频规则以及TDMA帧结构，允许用户在端到端分组转移模式下接发数据不需要利用电路交换的网络资源，这种效率、低成本的无线分组数据业务特别适用于少量的、频繁的、突发性的、间断性的数据传输业务或者偶尔数据量很大的传输应用，同时传输距离几乎不受约束。因此，利用GPRS技术结合ZigBee无线传感器网络，实际数据大量传输及远程控制称为一种可行方案。

2.2.2ZigBee无线传感器网络结合GPRS远程传输网络设计

       在ZigBee无线传感器网络中，监测区域子节点的传感器采集到的的数据直接发送或者通过路由送往到协调器节点。协调器节点与GPRS模块相连，将数据传送给GPRS，然后发送到远程的监控中心，从而实现实时远程监测。

       采用ZigBee无线传感器网络技术和GPRS无线远程传输技术，构造了一种二者通信优势互补的无线传感网络。该系统具备了ZigBee技术的组网速度快、成本比较低、功耗比较小、网络结构简单、对参数能进行实时监控和远程通信的特点。通过多个子节点采集到的数据发动到主节点，再经由网关传输至GPRS网络，利用成熟的GPRS技术，实现了数据全无线的远距离传输与监测，同时还能以短信的方式发送到指定的手机上。

3、试验

       选取兖矿集团鲍店矿区为试验矿区，选择2处地点分装布设静力水准仪，组成1个小型树形网络，其中一处为基准点，另一处为监测点。每个传感器节点定时发送数据到中心节点，节点发送完数据后浸入休眠状态，中心节点将数据发送至GPRS模块，GPRS模块再将数据发送到远程监控中心的数据库。

4、结语

       通过将传统静力水准系统与无线传感网技术相结合，构建一套基于ZigBee与GPRS的无线传感器网络，可实现对地表沉降的实时、高精度、连续观测，节省了人力物力。其成本低、便于布设、灵活性高、容易维护、可适应复杂的地质环境等特点使其具有广阔的应用前景。同时在应用过程中应考虑温度等因素的影响，而且静力水准系统管路长短对检测结果也有一定的影响，要根据实际情况适当调整，提高静力水准系统的使用效果。