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基于无线传感器网络的山体滑坡预警系统设计1
胡颖，梁山，王可之，鲜晓东
重庆大学自动化学院，重庆 （400044）
摘 要：对边坡危岩的失稳变形进行监测监控是预测滑坡等地质灾害发生的有效手段。采用
先进的监测技术降低现有监控系统成本、应用低成本的 MEMS 传感器对边坡危岩的位移、
倾斜角、水压、温湿度等信息进行实时监测、扩大监控范围是广泛开展监测预警工作的重要
保证。论文提出了基于无线传感器网络的山体滑坡预警系统的设计方案，介绍了系统结构，
详述了系统硬软件设计、基于无线传感器网络的分层结构网络、对环境监控信息的按需采样、
实时可靠传输，通过 GPRS 实现远程信息交互。
关键词：滑坡监测；无线传感器网络；分层网络结构
中图分类号：TP212 文献标识码：A
1. 引言
山体滑坡是山区最常见的地质灾害之一，它严重威胁人民的生命财产安全，破坏工程设
施，影响正常的生产和生活，造成巨大经济损失和人员伤亡。国内外用于山体滑坡监测的方
法和手段很多，大体可以分为：有线方式和无线方式两大类，由于山体滑坡监测区域的地理
条件复杂、线路架设困难、电源供给等限制，使得有线系统部署起来非常困难，系统维护十
分不便，并且监测网络结构的可靠性不高，很多都是把传感器监测节点简单串联起来[1-3]，
当一个传感器节点发生故障时，会影响后面节点的正常工作，从而影响整个系统的有效性，
并且很多监测系统监测到的信息十分有限，不能为正确及时的预报预警提供充分的数据支持
[4]，从而影响系统的可靠性。现有的无线监测方式如 GPS、GIS，设备成本高，而合成孔径
雷达干涉测量（InSAR），虽然该方式具有全天候、连续获取信息和高空间分辨率的特点，
但该方法对干涉相位图像质量要求高，需要高分辨率的卫星遥感图像，这些决定了它不适合
大范围推广与应用[5]不利于大范围推广。
无线传感器网络（WSN, wireless sensor networks）是一种全新的网络化信息获取与处理
技术，具有自组网和无线路由功能，多跳的无线路由方式保证了数据传输的可靠性和实时性，
传感器节点的低成本[6]，从而可实现对整个滑坡监测区域进行大范围的节点布置，保证了数
据采集的深度，为实现监测和预警提供了巨量数据基础[7-10]。论文针对山体滑坡监测，提出
以无线传感器网络技术为基础，构建山体监测区域无线传感器监测网络，结合 GPRS通信技
术，实现对监测区域的远程实时监护，并通过对采集数据的分析和处理，实现对山体滑坡的
预警预报。
2. 监测系统结构
山体滑坡监控系统由无线传感器监测网络、GPRS网关和远程监控中心三部分组成。为
了得到监测区域的实时有效信息，在监测区域安放大量的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由无线网络发送
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
1本课题得到教育部高等学校博士学科点专项科研基金（项目编号：20060611010）的资助。
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过倾角传感器可以监测山体的运动状况。测量过程中，节点自动调节信息的采集频率和信息
的采集量，通过节点构建若干个簇网络，簇网络对采集的信息进行传输与汇聚，簇头节点对
信息进行去冗余处理，每个簇网络的顶层簇头结点和 GPRS网关相连，通过 GPRS网关把汇
聚的信息以自定义的数据格式发送到远程监控中心；远程监控中心对收到的信息进行出来，
从而实现对山体滑坡准确的预警预报。系统总体构成如图 1所示。
3. 系统的硬件设计
节点硬件设计
系统节点由 CC2430无线通信模块、数据采集通道、电源等部分组成。系统节点尺寸小，
功耗低，适应性强，节点发射功率为 ，通信距离为 30-70m，通过在射频前端加功率
放大器，可使节点发射功率达 10dB，通信距离扩大到 1000m。系统节点硬件结构如图 2所
示。CC2430无线通信模块采用 Ti-Chipcon公司生产的符合 Zigbee技术的 射频系统
芯片 CC2430为核心，CC2430既能满足数据的无线收发，内部又集成了 51单片机，它含有
128KB FLASH、8KB SRAM等高性能模块，还有 8路输入 8～14位 ADC、定时器、AES128
协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电监测电路，
以及 21个可编程 I/O引脚以及 SPI、CAN、I2C和 3个 UART串口[11]。环境信息采集模块中，
加速度传感器采用 VTI公司的 CMA3000，它通过串口和 CC2430的串口 UART2相连，倾
角传感器采用西安迅捷导航测控公司的 LE-60-OEM，液位传感器，它和 CC2430 通过 SPI
相连，和 CC2430的 I2C相连的液位传感器采用鸿泰顺达科技公司的 BJ216，位移传感器采
用北京华运安特科技有限责任公司的 TWSF，该传感器通过串口和 CC2430的 UART1相连。
电源管理模块以 纽扣电池为基础，通过 NCP1117ST50 电压转换芯片为 GPRS 模块提
供 5V 电压，通过 NCP1117ST33 电压转换芯片为环境信息采集模块和 CC2430 无线模块提
供 电压。
图 1 系统总体结构
Fig1 Overall composition of system
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GPRS网关设计
GPRS网关采用 Simcom公司研制的 GPRS通信产品 SIM300为核心，该芯片功耗低，
在睡眠模式下的标
准功耗为 ，工作电压：；适用频带宽，内嵌强大的 TCP/AT 协议栈，通过
AT指令对模块进行编程，可实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输，支持多种 SMS
短信格式，该模块通过串口和 CC2430串口 UART3相连。GPRS网关硬件结构如图 3所示。
4. 系统的软件设计
软件设计以 IAR集成开发环境为平台，以 TI公司提供的免费无线点对点 MAC协议为
基础，结合自己开发的网络层和应用层，组成传感器网络协议栈，实现无线分层网络的构建、
数据的采集、传输、汇聚、与处理，同时结合 GPRS网关，实现本地数据的远程传输和山体
的远程监控。
无线传感器网络的构建
无线传感器网络分为三种拓扑结构：星状结构、树簇结构和网状结构。网络节点分为全
功能节点(FFD：Full Function Device )和半功能节点(RFD：Reduce Function Device )。星状网
络常由一个网络协调器(FFD)和若干终端节点(RFD)组成，协调器负责建立网络、管理网络
节点、寻找路由、汇聚数据等。树簇结构和网状结构包含的传感器节点较多，组成的网络覆
盖范围较广。本系统采用树簇结构建立簇网络，传感器节点底层簇网络中的簇节点，将采集
的信息汇集到簇头节点，并对信息进行冗余处理，簇头节点再组成高一级的簇网络，从而在
保证了数据链路传输的同时，实现了数据的汇集和处理。为保证网络中每个节点的地址是唯
一的，使用了分布式寻址方案，由父节点分配子节点地址。此种算法保证了控制端的数据包
能够精确地发送到指定设备，并且，子节点只能有一个父节点，这有助于网络的可测量性。
在网络初始化过程中，协调器先将自身设置为一个簇标识符为 0的簇头，并向临近的设备以
广播方式发送信标帧。接收到信标帧的设备(路由器或终端设备)向簇头请求加入网络，如果
作为父节点的协调器允许该设备的加入，则将其作为子节点加入到它的邻居表中，同时，请
求加入的设备将协调器作为父节点加入到邻居表中，成为从设备。已经加入网络的路由器也
广播信标帧，以这种方式，直到所有设备都接入网络。在接入网络的同时，广播信标帧的父
节点会向接人的子节点分配唯一的 16位网络短地址。网络建立和节点入网流程如图 4所示。
传感器节点工作方式
低功耗的传感器网络对能耗特别敏感，为了延长系统的续航能力，减少无用数据的采集，
传感器节点采用一下工作过程：读取液位传感器值，并把液位值和设定的阈值()相比
较，当小于阈值时，就以 30秒为周期循环采集液位值；当超过阈值时，就以 1秒为周期采
CC2430
无线通
信模块
倾角传
感器
SPI
I2C
位移传
感器
加速度
传感器
液位传
感器
UART1
UART2
电源模块模块
CC2430
无线通
信模块
GPRS
模块UART3
电源模块模块
图 3 GPRS网关硬件结构
Fig3 GPRS gateway hardware structure
图 2 系统硬件结构
Fig2 System hardware structure
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集加速度值、位移值和倾角值，对采集的数据分别与相应的阈值 (
比较,当任何一个数据大于其阈值时，则报警。为了减少系统的数据传输量并能准确及时的
对山体滑坡进行预警，只有当测得的传感器值达到阈值的 3/4的时，才通过多跳路由方式对
数据进行转发，并最终通过 GPRS网关发送到远程监控中心。传感器节点数据采集流程如图
5所示。
GPRS联网设计
通过对 GPRS模块进行 AT指令编程，实现网络的连接和数据的发送。网络连接首先是
查询模块的工作状态是否正常，若正常，则设置 APN、用户名和密码，返回 OK 后再设置
网络连接方式，返回 OK后，再设置本地 IP 和端口，成功后开始 TCP 或者 UDP 链接，连
接成功后开始发送数据[12]。网络连接流程如图 6所示。
Y
N
N
Y
N
协调器？
建立网络
发起网络
扫描信道
设置PANID
发送信标帧
信道扫描
接收信标
建立邻居表
信标帧是
否有效
选择父节点
发送入网请求
设置网络地址
建立父子关系
加入网络
广播信标
接收到
入网许可
加入
网络
流程
Y
发送信标帧
接收入网请求
分配地址
发送许可
建立父子关系
接入
直接点
Y
N
（a）网络建立流程 （b）子节点接入流程 （c）父节点接入流程
图 4 网络建立和节点入网流程
Fig4 Networking and node network flow
Y
Y N
N
Y
Y
N
N
Y
N
N
返回
OK
发送
"AT+CIICR"
发送消息内容
以0X1A结尾
发送"AT+CIPSTART="UDP"
,"","3001""
N
Y
发送AT
返回SENGD
OK
发送揂T+CSTT=
"CMNET"," "," ""
返回
OK
发送"AT+CIFSR"
"AT+CLPORT="UDP","
3001""
返回
OK
返回
CONNECT
OK
返回
">"
错误处理
一次发送完成
错误处理
错误处理
错误处理
错误处理
错误处理
图 5 传感器节点数据采集流程
Fig5 Sensor node data collection process
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5. 实验测试
实验测试选在郊区沿江路的斜坡上，通过在现场打孔，安放传感器节点到孔洞和斜坡上
组成监测网络，测量现场的液位值、倾角、位移值和加速度值，通过对孔洞加水把液位提高
到 左右（大于 ），提高数据的采集速率，通过传感器网络对数据进行采集与收
集，GPRS网络对数据进行传输，在远程监控中心得到实时的监测数据，在测试过程中，人
为的加入扰动因素，增加山体的加速度值，由于加速度值超过了阈值，系统马上实现了报警，
在取消扰动后，监测数据马上恢复到正常的范围，报警也自动取消。系统监测数据结果如表
1所示。实验测试表明，监测系统性能稳定，能实现数据的自动采集和可靠传输，并能对山
体滑坡进行准确预警预报。
表 1 系统监测数据结果
System monitoring data results
6. 总结
将无线传感器网络这一最新的 IT技术应用于山体滑坡监测,具有传统技术所不具备的优
势。本文提出了基于无线传感器网络的山体滑坡实时监测预警系统的设计方案。详细介绍了
系统构架和系统的各个重要组成部分，包括硬件组成和软件部分设计。通过采用多层网络结
构和按需采样技术对现场环境信息的实时采样和实时传输，减少了系统的数据采样，提高了
对山体滑坡等自然灾害监测的可靠性和预报预警的实时性，增强了传感器节点安装的灵活
性，扩大了监测区域的覆盖范围 ，同时，通过 GPRS网关发送采集的环境监测信息，实现
对监测环境的远程监控，提高了环境监测的远程监控能力，提高了整个系统的实用价值和应
用范围。
Time Acceleration
Displacement
Liquid level Obliquity
11:35:20
11:35:21
11:35:22
11:35:23
11:35:24
11:35:25
11:35:26
11:35:27
11:35:28
11:35:29
11:35:30
是否超过
阈值
正常工作方式
测量倾角、加速度、位移值
报警
N
Y
测量液位
是否超过
阈值
YN
图 6网络连接流程
Fig6 Process of network connection
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参考文献
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-263.
Design of an early-warning system based on wireless sensor
network for landslide
Hu Ying, Liang Shan, Wang Kezhi, Xian Xiaodong
College of Automation, Chongqing University, Chongqing (400044)
Abstract
Morning of slope-instabilities and deformations is an effective means to monitor and forecast landslide.
It is therefore crucial touse new technologies to reduce monitoring costs, to use low-cost MEMS
sensors to measure the changes of displacement, acceleration, tilting, pressure, temperature, humidity,
etc. and to enlarge applicable regions for the demands of extensive landslide morning. A designing
scheme of land sliding early-warning system on wireless sensor network is proposed. and system
architecture are introduce. This paper describes the system structure. The design of hardware and
software, the hierarchical structure of system, sensor data sampling on demand and GPRS based
transmission of remote data are designed.
Keywords: landslide monitoring; wireless sensor networks; hierarchical network architecture
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