基于无人机与无线传感技术的山体滑坡应急监测系统

第41卷第4期2019年4月湖州师范学院学报J o u r n a l o fH u z h o uU n i v e r s i t y V o l.41 N o.4 A p r.,2019基于无人机与无线传感技术的山体滑坡应急监测系统曾孟佳1,2,蔡淑怡2,黄旭1,3(1.湖州师范学院信息工程学院,浙江湖州313000;2.湖州师范学院求真学院,浙江湖州313000;3.浙江大学控制科学与工程学院,浙江杭州310058)摘要:结合无线传感器网络与遥感无人机技术,采用液位传感器与倾角传感器对山体承受的压力以及山体的水平角度数据进行实时监测采集,以遥感无人机作为无线传感网中的移动节点,通过无人机机群协同合作,达到扩大通信范围㊁提高通信质量㊁提升数据传输效率的目的.实地试验结果表明,该系统能够完成实时数据采集和传输,实现监测目的.关键词:遥感无人机;无线传感网络;山体滑坡;地质灾害监测中图分类号:P642文献标志码:A文章编号:10091734(2019)04005107 0引言浙江省湖州市地处浙江北部㊁太湖南岸,辖德清㊁长兴㊁安吉三县和吴兴㊁南浔两区.湖州市地势大致为西高东低,西部多为山区,是山体滑坡地质灾害的易发地区.据湖州市国土资源局和气象局数据资料显示,湖州市综合气象灾害为中等偏重,在梅汛期㊁台汛期,山体土壤含水量易饱和,加上较为复杂的地质环境条件,使湖州山区发生山体滑坡的可能性极大.山体滑坡发生的诱发因素有很多,如强降雨㊁降温㊁冻融以及人类活动等,这些诱发因素导致山体滑坡发生具有较强的突发性质.若人们无法及时发现山体滑坡,做出有效应对措施,会使得灾害带来的损害极大.因此山体滑坡监测技术越来越受到人们的重视.山体滑坡监测技术即采用数据采集㊁有线或无线传输等技术手段,对山体实时数据进行采集观测,根据数据状态及时发现潜在灾害风险,做好预防工作,以最大限度地降低灾害对民众㊁政府以及社会的损失.目前,已有学者提出了使用传感器对山体滑坡进行监测的方法[1],具体做法是:将液位传感器及倾角传感器置于待监测滑坡的山体中进行山体数据的采集,再通过无线传感网络将采集的数据发回数据处理中心,数据处理中心若发现异常数据则可联动相应部分做出预警反馈[2,3].在文献[2]所述系统中,应用传感节点网络,通过G P R S传输网关完成Z i g b e e协议与G P R S的数据转换.但由于山体环境恶劣,给传统静态设置的无线传感网络在节点布设㊁通信以及节点的能量更新上都带来不便.遥感无人机可控性强㊁灵活性高,且成本较低,在可移动节点上具有极大的应用前景.国外研究证实移动节点[4,5]能够用于无线网络中并可扩展无线网络的范围,表明移动性可提升无线网络的性能.国内已有学者尝试将无人机作为移动节点应用于农田监测系统中[6],证实了无人机应用于无线传感网中的可行性.在湖州市政府列明的158处地质灾害隐患点中有120处位于安吉县,可见安吉县为灾害多发县,故将安吉县作为此次研究的实验地点.根据山体信息采集传输困难㊁网络节点能量更新困难等特点,提出一种收稿日期:20190216基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目(201810347023);浙江省软科学计划项目(2019C35006);浙江省湖州市科技计划攻关工业项目(2018G G29);湖州师范学院校级科研项目(2018X J K J63);湖州师范学院校级大学生创新创业训练科研重点项目(20180282,20180272).通信作者:曾孟佳,硕士,讲师,研究方向:物联网与智能系统.E m a i l:z m j@z j h u.e d u.c n25湖州师范学院学报第41卷遥感无人机与无线传感技术结合的监测技术,搭建一个由数据采集层㊁网络传输层与数据汇聚层三层架构组成的无线传感器网络体系结构,设计实现了安吉县山体滑坡监测系统.该系统以无人机为移动节点来减轻W S N中传感器节点的传输任务,同时利用无人机机群[7]协同工作来提高工作效率,以完成对安吉县山体数据的实时采集㊁监测及传送.1应急监测系统1.1组织架构本监测系统(见图1)主要由传感模块㊁通信模块㊁管理模块三大模块组成.传感模块主要由传感节点(s e n s o r n o d e,S N)与中继节点(r e l a y n o d e,R N)组成;通信模块主要由汇聚节点(s i n kn o d e,S N)与无人机机群协同合作构成;管理模块由控制管理中心与数据分析中心构成传感节点㊁中继节点与汇聚节点三大节点架构起无线传感网与互联网的通讯桥梁.汇聚节点传输上层信号配置管理总体节点的工作,发布的监测任务通过中继节点传输给传感节点,而各路的传感节点依据指示采集相关数据并将感应到的数据传输给中继节点,通过中继节点的多跳转发,汇总的数据传输至汇聚节.点,此时数据由无线传感网内部的传输转换为互联网之间的流通各类节点的相互关系如图2所示在管理模块控制管理中心的统筹协调下,传感模块主要负责感应山体环境信息并采集相关数据交由通信模块,由通信模块通过网关将数据传输给管理模块,再由数据分析中心对数据进行处理.系统拓扑图如图3所示.1.1.1传感模块传感模块由传感节点与中继节点构成.传感节点是一种典型的微小型嵌入式系统,具有环境感知㊁数据处理㊁智能控制和数据通信等功能的智能数据终端设备.本项目主要用到倾角传感器与液位传感器.倾角传感器常用于系统的水平角度变化测量,目前已成为土木工程㊁石油钻井㊁航空航海㊁工业自动化㊁智能平台㊁机械加工等领域不可缺少的一种重要测量工具.该系统通过感知山体在垂直面内的垂直角收集山体中的倾斜角度数据.液位传感器是工业实践中最常用的一种压力传感器,它可以感知测量山体中地下水的深度与压强.两种传感器相互结合协助,可有效感知相应环境中山体的详细信息.大量的这两类无线传感器节点被部署在有一定地质威胁的山体范围内,当这些传感器节点相互作用时,会组成一个大型的 以数据为中心 的无线传感器网络,以实现对较大地理范围内山体数据的采集与处理.中继节点负责对无线信号进行1次或多次转发,在转发过程中将质量较差的链路替换成质量较好的链路,以获得更高的链路容量及更好的覆盖.倾角传感器与液位传感器采集到的数据通过中继节点多跳转发,传输至移动站点即无人机机群,提升了整体的传输速度与效率,此外中继技术也很好地解决了部署灵活性和成本的问题.1.1.2 通信模块通信模块主要由汇聚节点与无人机机群组成.无人飞行器是自带动力㊁可控制㊁携带移动通讯设备的固定翼或旋转翼无人驾驶飞行器.无人飞行器携带的移动通讯设备支持多种通讯协议和接口,可以多种方式与地面或空中设备通讯,且具备一定的运算和存储能力,可实现数据实时处理.当通讯质量不好时,接收到的数据可存储在缓存中,当通讯质量恢复良好后,再将数据传送给数据中心.无人机作为移动基站扩大了无线通信范围,可通过对无人机的遥控控制,根据需要针对某一特定监测区域进行定向数据采集.由子母无人机构成的无人机机群的联同合作能更进一步提升系统整体数据传输效率.汇聚节点的处理能力㊁存储能力和通信能力相对较强.它作为连接传感器网络与互联网等外部网络的节点,主要任务是进行通讯与数据的存储和传输,实现两种通信协议之间的转换.汇聚节点能够对无线信号进行1次或者多次转发连接,将收集到的数据转发到外部网络.汇聚节点既可以是一个具有增强功能的35第4期 曾孟佳,等:基于无人机与无线传感技术的山体滑坡应急监测系统45湖州师范学院学报第41卷传感器节点,具有足够的内存与计算资源,也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关.通过地面控制端控制子母无人机的移动,提升通信质量,扩大通信范围,将接收到的数据传输至汇聚节点,通过交换机连接至上层网关,再将数据交付至管理模块进行处理.1.1.3管理模块管理模块由控制管理中心与数据分析中心构成.控制管理中心由控制人员通过网络服务器统筹整个系统的管理工作,控制中心只有主要的监测管理人员有权访问.控制人员向下层发布控制命令,对传感模块采集的信息范围进行划定,协调好无人机机群分布,同时汇总传输过来的信息并进行初步的处理,滤去干扰信息,再传送给数据分析中心.数据分析中心由服务器㊁数据库㊁高速网络等资源组成,由数据技术人员对控制管理中心的数据进行精确地计算,同时结合数据库对采集到的数据进行分析比较,并从中获得所需要的信息,判断山体的危险系数以及发生山体滑坡的几率.数据处理中心仅有数据处理人员有权访问.1.2硬件架构本系统的传感模块㊁通信模块㊁管理模块由不同的硬件单元支持,主要为数据采集单元㊁数据处理单元和数据传输单元,在与定位单元和动力单元的协同合作下,完成本系统的监测任务.硬件构架如图4所示.4Fig.4 Hardware architecture数据采集单元主要为系统的传感模块提供服务,硬件组成为传感器与数据转换器.本系统应用的传感器为倾角传感器与液位传感器,都需要在电源的支持下工作,选用传感器的输出信号为模拟信号,即采集到的山体倾角与山体内部液位的物理量是随着时间连续变化的,无法得到准确值,为了能够从连续变化的幅值中抽象出数据,则需要由数据转换器进行模数转换,将模拟信号转换为取值离散的数字信号,以供计算机处理.数据传输单元为通信模块提供服务,负责数据的传输,除了传输传感器采集的山体相关数据外,还传输定位单元所提供的山体采集位置信息.数据处理单元为管理模块提供服务,是硬件架构的核心,而处理器为数据处理单元的核心,负责统筹协调整个系统的工作.接收到数据后,处理器会对数据进行初步处理,滤掉无用信息,整合冗余信息.处理后的数据被暂时存储在存储器中,由数据传输单元进行传送.数据处理单元与数据库协作对数据进行读写完成数据交互.2无人机机群协同工作考虑到山体布置基站不现实,且山体之间通信范围小㊁传输信号弱,对数据的采集以及传输的准确性都会造成一定的干扰,因此将无人机作为移动基站并采用无人机机群协同工作方式来提高整体通信质量.无人机机群协同工作是指通过无人机平台充当移动临时基站,构成无人机协同通信网络[8],并辅以无线传感网进行无线信息传输.采用分布式控制方式,主要由一个总控制无人机(也称为母无人机)与多个分管无人机(子无人机)构成.母无人机负责控制多个子无人机的移动以及采集信息的位置,同时对子无人机发送过来的数据进行初步汇总与临时存储.子无人机根据母无人机的指示到指定区域接收节点信息,并将数据传输给母无人机.子母无人机在一定区域范围内的交互工作可以实现无线网络覆盖区域的快速移动.无人机也可以通过相互协同的方式形成虚拟的多天线阵列,构成无人机无线自治系统[9],以进一步提高系统接收处理数据的效率,从而保证通信的可靠性.无人机机群协同工作如图5所示.3 实地试验与结果分析3.1 测区概况安吉县呈三面环山,中间凹陷,东北开口的 畚箕形 盆地地形.近三年年均降水量达1400mm ,且年际与年内差异较大.六㊁七月份的梅雨季节以及八㊁九月份的台风季节往往雨量较集中,易引发山体滑坡等地质灾害.本实验选取安吉县内一处距离地面高度约150m 的山体近路一端作为主试验地段.该山体没有高大的树木,植被覆盖率较低,坡体本身存在一定山体滑坡的危险.3.2 实施流程3.2.1 准备工作试验前对系统中所有的设备进行故障排除与质量检测,确保设备的精准性和安全性.同时对所有硬件设备的能源供给进行检查和充电,提前利用县区地形地图确立测区范围,借助卫星地图(如高德地图)对无人机的航线做规划,并做好无人机的性能参数设定[10].本试验设定无人机始终在距待测地点30m 左右的高度,以2m /s 的速度匀速飞行.本实验采用一对子母无人机作为移动基站.实验中使用的无人机㊁倾角传感器和液位传感器分别如图6㊁图7㊁图8所示.55第4期 曾孟佳,等:基于无人机与无线传感技术的山体滑坡应急监测系统65湖州师范学院学报第41卷3.2.2现场作业将液压传感器与倾角传感器各8个埋设在固定的监测点.沿着山势走向竖直设置8个孔洞,在每个孔洞的最下端部署1个液位传感器.再根据不同深度,每个深度部署1个倾角传感器.山体滑坡现象常常是由雨水侵蚀产生的,因此地下水位深度是显示山体滑坡危险度的有力指标.该数据由部署在孔洞最下端的液位深度传感器采集并由无线网络发送.通过倾角传感器可以监测山体的运动状况,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,其运动速度也不同,当发生这种现象时部署在不同深度的倾角传感器会返回不同的倾角数据.无人机采用最大载重为5k g的八旋翼无人机,它携带了电源㊁Z i g B e e通讯模块㊁数据存储模块㊁数据处理模块㊁4G模块的封装包.无人机的控制分为手动与自动控制.自动控制[11]即按照监测区域以及无线通信质量规划好航行线路,可靠高效,也可在一定通信范围内自动满足信号调节要求.本实验设置为自动控制模式.3.3实验结果本实验在2个试验地点分别布设8个倾角传感器和8个液位传感器,2处试验点的直线距离约为100m.移动临时基站以一对子母无人机写作充当,每次实验飞行时间为10m i n,每次实验间隔为30m i n.倾角传感器与液位传感器分别以1~16号编号,1~8号为倾角传感器,9~16号为液位传感器.传感器距离地面的布设深度如表1所示.表1传感器埋设深度表T a b.1S e n s o r b u r i e dd e p t h编号12345678910111213141516深度/m0.10.20.30.20.10.40.50.20.10.30.40.30.20.10.50.3倾角传感器数据单位为 ʎ ,液位传感器会将采集到的液位数据转换成0~5V的电压值进行输出.5次实验的数据采集结果如表2所示.表2无人机传回数据结果T a b.2U A Vr e t u r nd a t a r e s u l t s实验次序12345678910111213141516 115.0423.2244.6516.1753.2245.3467.2134.450.180.140.210.330.120.050.340.21 215.0323.2144.6516.1653.2245.3367.2234.440.170.140.220.330.130.060.340.22 315.0123.2244.6416.1753.2245.3367.2134.430.170.150.210.320.120.060.340.22 415.0423.2244.6516.1753.2245.3367.2134.440.170.150.220.320.110.060.340.22 515.0223.2144.6516.1753.2145.3467.2234.450.170.150.220.320.110.050.340.21从实验结果可以看出,5次实验全部成功采集到了数据,且数据精度在可接受范围内.4结论与展望本文针对安吉山体滑坡灾害数据采集难度大㊁通信困难㊁传输效率低等问题,结合遥感无人机与无线传感技术,将无人机作为无线传感网络的移动节点,构建了安吉县山体滑坡灾害应急监测无线传感网络,并根据该网络架构设计实现了一套监测系统.实地试验表明,该系统能够大范围大规模地进行山体数据采集,对灾害的有效预防有积极作用.对比传统的无线传感网络数据传输,遥感无人机存在以下优点:①无人机实时性强,能够实现有效数据提取,由主无人机接收到子无人机收集的监测区域内所有传感器节点传输的数据,再对数据进行简单处理,降低数据冗余度再上传给数据处理中心;②可控性高,无人机可由操作人员灵活调整,从而协调整体监测区域无线通信范围内的信号质量,实现数据的高效传输;③时延性低,可低空操作且成本不昂贵,不需要组建高级设备来提升整体系统服务.参考文献:[1]徐占才,方源敏,倪津.传感器在山体滑坡监测中的一种应用方法[J ].勘察科学技术,2011(4):5456.[2]吴莲贵.W S N 的滑坡地质灾害监测预警系统研究[J ].甘肃科技,2014,30(24):1418.[3]周溢德.基于无线传感器网络的山体滑坡监测预警系统设计[J ].铁道通信信号,2011,47(4):7780.[4]B A R IA ,,J A E K E L A ,e t a l .An e wa r c h i t e c t u r e f o r h i e r a r c h i c a l s e n s o r n e t w o r k sw i t hm o b i l e d a t a c o l l e c t o r s [C ].K o l k -a t a :I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nD i s t r ib u t e dC o m p u t i n g a n dN e t w o r k i n g ,2010:116127.[5]R A HU LC ,S UM I T R ,S U S HA TJ ,e t a l .D a t aMU L E s :m o d e l i n g a t h r e e t i e r a rc h i t e c t u r e f o r s pa r s e s e n s o r n e t w o r k s [C ].I s t a nb u l :I E E ES N P A (F i r s t I E E EI n t e r n a t i o n a lW o r k s h o p o nS e n s o rN e t w o r kP r o t oc o l s a n dA p pl i c a t i o n s ),2003:3041.[6]张波,罗锡文,兰玉彬,等.基于无线传感器网络的无人机农田信息监测系统[J ].农业工程学报,2015,31(17):176182.[7]邹玉龙,姜晓,严培舜,等.下一代无人机群协同通信网络[J ].南京邮电大学学报(自然科学版),2017,37(3):4351.[8]李念国,赵慧.某型无人机多传感器数据融合设计要求[J ].设计与研究,2015,228(5):3334.[9]袁万腾,李亚各.无人机网络移动部署算法设计[J ].电脑知识与技术,2017,13(3):5659.[10]刘宁波,孙艳丽,周伟.无人机多传感器协同探测演示系统设计[J ].兵器装备工程学报,2016,37(12):8083.[11]黄海峰,林海玉,吕奕铭,等.基于小型无人机遥感的单体地质灾害应急调查方法与实践[J ].工程地质学报,2017,25(2):447454.L a n d s l i d eE m e r g e n c y M o n i t o r i n g S y s t e m B a s e do nU A Va n d W i r e l e s s S e n s o rT e c h n o l o g yZ E N G M e n g j i a 1,2,C A I S h u y i 2,HU A N G X u 1,3(1.S c h o o l o f I n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ,H u z h o uU n i v e r s i t y,H u z h o u313000,C h i n a ;2.Q i u z h e nS c h o o l o fH u z h o uU n i v e r s i t y ,H u z h o u313000,C h i n a ;3.C o l l e g e o fC o n t r o l S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g ,Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ,H a n g z h o u310027,C h i n a )A b s t r a c t :T h i s p a p e rc o m b i n e s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k (W S N )a n dr e m o t es e n s i n g U A V (U n -m a n n e dA e r i a lV e h i c l e )t e c h n o l o g y ,a n d i t u s e s l i qu i d l e v e l s e n s o r a n d i n c l i n a t i o ns e n s o r t o r e a l -t i m e m o n i t o r a n d c o l l e c t p r e s s u r e a n dh o r i z o n t a l a n g l e d a t a o fm o u n t a i nb o d y .R e m o t e s e n s i n g U A Vi s t a k e n a sm o b i l en o d e i n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ,a n dc o o p e r a t i v ec o o p e r a t i o no fU A Vf l e e t i su t i l i z e dt oa -c h i e v e t h e e x p a n d i n g l a r g e c o mm u n i c a t i o nr a n g e ,i m p r o v i n g c o mm u n i c a t i o n q u a l i t y an dd a t a t r a n s m i s -s i o ne f f i c i e n c y .F i e l dt e s tr e s u l t ss h o wt h a t t h es y s t e m c a nc o m p l e t er e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o na n d t r a n s m i s s i o n f o rm o n i t o r i n gp u r p o s e s .K e y w o r d s :u n m a n n e d a e r i a l v e h i c l e ;w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k ;l a n d s l i d e s ;g e o l o g i c a l h a z a r dm o n i t o r i n g [责任编辑 高俊娥]75第4期 曾孟佳,等:基于无人机与无线传感技术的山体滑坡应急监测系统。