基于物联网的滑坡监测系统设计

近年来，由于山体滑坡险情频繁发生，由此所引发的人员和财产伤亡严重，其对一定范围内的房屋、人员生命安全以及附近的道路交通都造成了很大的威胁。据国家环保总局最新统计显示，近年我国发生的较大规模的滑坡泥石流共九千余起。

加强滑坡灾害的监测与治理，能够在最快最短的时间发现并采取有效措施，已经成为滑坡抢险救援中最大程度减少损失的关键因素。2020年4月12日，自然资源部印发《关于做好2020年地质灾害防治工作的通知》,强调:提高地质灾害评价、监测、预警、防治能力，全力做好全国重点防灾减灾工作。因此，建议一套行之有效的滑坡灾害监测系统意义重大。对滑坡进行监测，掌握滑坡的发生规律，及时进行稳定性分析，实现滑坡的早期预警，对防灾减灾具有重大现实意义。

本项目旨在设计开发可靠性高、低功耗、稳定性强的监测设备，实现数据采集自动化、控制智能化，可在野外恶劣环境下正常稳定运行的山体滑坡监测系统，能及时发现滑坡灾害并预警。

滑坡监测系统主要由数据采集终端节点，数据传送网络、物联网云平台组成，主要研究内容有：

1.滑坡监测系统的硬件设计。主要包括处理器硬件电路设计、传感器选型、传感器信息处理电路设计、供电模块电路设计、通信电路设计等。

2.数据传输稳定性研究。包括信号传输强度、信号收发、信号冗余设计、抗干扰设计。

3.数据采集。滑坡监测系统其主要的监测数据为滑坡体的位移和倾角变化量。通过对滑坡体的位移和倾角变化量检测，结合周围环境的湿度、温度、土壤湿度、雨量等数据综合分析，迅速发现和预警监测点发生滑坡和滑坡风险。

1.国内研究现状

长期以来，我国政府相关部门大力支持地质灾害监测网络建设，已建立的监测网络基本上覆盖了全国大部分省、市，尤其是山区的市、县、州，每年成功预报灾害上干起。但是，地质灾害监测预警预报技术相对落后，大多采用人工现场收集方式，存在数据收集不及时、信息覆盖面狭窄、效率低、不安全等缺点。近年来，我国坚持常规方法和高新技术相结合，在滑坡灾害监测设备自动化、网络化、政策规范化、科学化方面取得了一些成绩：分别在四川的雅安、绵竹、大渡河上游、云南昭通、甘肃陇南，陕西延安等地建立了地质灾害自动化监测预警预报示范区。

从2002年开始，我国政府部门逐渐加大在长江三峡库区崩塌滑坡重点防治区的资金和科技投入，全面系统地建设现代化的滑坡灾害监测系统，诸如GPS监测、RS(遥感）监测网络。在政策上，制定了一系列的国家和行业技术标准，如《地质灾害防治条例》等，推广和应用先进的技术，加大财政上的投入，及时总结经验教训。同时，我国在滑坡实时监测系统的传感器研制方面取得了一些进展，目前自主研制开发了地面位移、地裂缝、位移(地表和深部）、孔隙水压力和水温、地声等多种监测传感器，分别用于地质灾害监测系统的设计。近年来，我国在地震重灾区四川省的雅安市和汉源县等地，尝试采用地表GPS静态连续监测、地面和地下传感器相结合的方式，开展重大滑坡灾害的实时监测预警。

虽然这些技术手段建立的监测系统在不同程度上实现了对滑坡灾害的监测以及预警，但是研制的监测设备的成本、不易维护、监测时间短、操作不便，难以成为范围、多区域、实时远程监测系统的时代潮流。其传输方式多采用有线传输方式，但是有线通讯方式存在着布线困难，难以实现自动化和网络化的缺点。随着无线传感器网络技术和宽带移动通信技术的发展，高智能、高精度传感器模块的成功研制，基于4G通信模块建立大规模、多区域传感器网络监测系统也变得切实可行，同时系统具有无人值守、自动化采集、实时远程传输控制以及维护简单等特点，在示范区运行传感器网络，可以实时获取环境数据信息，进行及时分析从而捕捉到重大滑坡的征兆，为防灾减灾提供技术支撑。

2.国外研究现状

山洪、地震、海啸、火山、雪灾等自然灾害在世界上许多国家都有频频发生，面对这样的现状，世界各国都研制出适合本国的自然灾害防御系统，开发了相应的集数据采集、传输、处理、分析和管理一体的监测预警系统。美国地质局运用地面伸缩仪、倾斜仪、地声监测传感器、地下水压力传感器以及雨量计等先进的仪器设备，对一些重点滑坡进行了全方位的实时监测。瑞士、德 法国、西班牙和意大利等欧洲发达国家采用的地质灾害监测预警和手段与美国比较接近

在2002年，韩国滑坡实时监测系统正式投入使用。其滑坡监测系统主要利用光纤传感器、地面伸缩仪、倾斜仪传感器，地下水压力传感器和雨量传感器等对边坡进行实时监测，该系统主要针对现有缓慢滑动的边坡、未采取任何有效措施治理的、高度大于30m的边坡、交通要塞及居民聚集地所在边坡，从而做到实时获取边坡动态数据，提前进行预测预警。

美国、日本是最早在区域滑坡监测方面开展相关工作的国家之一.美国地质调查局(USGS)早在1985年就联合美国气象服务中心(NWS)在SanFrancisco地区建立了滑坡灾害监测预警系统。近年来，美国在WashingtonD.C.在一些地质灾害隐患点，基于降雨量监测和其它参数监测指标构建了较为完善的地质灾害监测网络，该网络主要运用了数字化雨量传感器和雷达监测技术。通过数学统计分析该区域滑坡与降雨量等相关数据资料，得出不同区域滑坡灾害发生的雨量临界值和预报國值，再根据动态监测到的实际降雨量，辅以一些其它参数采集，经过综合分析、演算和比较判别，形成区域预警预报系统，并根据危险性等级自动发出相关报警信息。日本修建了世界上比较先进的滑坡泥石流观测站，例如岳山观测站，将先进的遥感摄影技术应用于滑坡参数的监测。

目前，国外发达国家将WSN用于环境信息采集和滑坡灾害监测系统，并在这方面做了大量有效的工作，WSN融合了GSM、ZigBee、GPRS、CDMA和有线通讯传输等方式，采集的数据传输到远程监控中心经过软件处理后，结合因特网发布预警预报信息。

1.人机交互可视化。数据的采集与设备的控制不仅可以通过串口屏进行显示与操作，还可以通过远程终端和APP进行。真正做到数据可视化，交互人性化。

2.模块化程度高，可移植性强。系统分解成多个模块，每个模块负责一个特定功能，以降低系统耦合度和提高可维护性。避免了因单个模块损坏导致整个系统失去作用从而引发的设备更换成本。

3.多传感器技术的融合算法。单一传感器采集数据，容易受到环境因素的干扰从而导致判别结果不准确。采用多传感器技术相融合，可以弥补单一监测方式在精确度的欠缺，并且可以减少环境影响产生的误差。

1.技术路线

通过前期大量的相关文献查阅和市场调研，经过充分了解市场，对项目可行性进行分析后。明确了此次项目的研究方法和目标，制定了此次项目的技术路线如图所示：

                                       图1 项目研究技术路线图

2.拟解决问题

（1）数据分析和算法问题。如果依靠单个传感器采集的数据做出最终判断得出的结果往往不可靠。本系统运用了多个传感器采集数据，如何剔除异常数据，采用何种滤波算法，汇总后的数据如何进行正确的判断。

（2）数据的终端传输问题。由于数据的传输主要依靠GSM模块，环境和基站信号均会影响GSM数据传输，这就有可能导致数据丢包。是否有必要增加其通信方式提高系统的容错率。

（3）设备运行稳定性、可靠性问题。由于滑坡监测系统的工作环境相当恶劣，必须保证系统可靠稳定。在受到外界干扰时如何保证系统采集的数据准确无误，不产生误判和漏判的情况，这是一个亟待解决的问题。

（4）供电问题。由于设备在野外工作，只能采用电池供电或者太阳能供电。采用太阳能供电易受到环境的影响，采用电池供电不易维护而且续航有限。

3.预期成果

（1）完成本次项目设计的功能，研制出设备样机1套；

（2）搭建公有云服务器平台1个，移动终端应用程序（APP）1个；

（3）发表与本次项目设计相关的期刊论文1篇；

（4）形成最终的项目结题报告1份；

（5）申请软件著作权2项。

1.第一阶段：2024年5月至2024年6月

可行性研究：分析行业的需求，分析所要实现的功能和平衡出现的限制条件，提出和制定解决滑坡监测的方案。

2.第二阶段：2024年7月至2024年8月

理论设计：根据需求制定方案所要实现的功能，设计符合功能的系统，选择特定功能的器件，设计系统工作的软件，选择技术路线和完成基本原理分析，针对方案准备好制作所需的要素。

3.第三阶段：2024年9月至2024年12月

分模块实现功能 ：根据功能的不同分步实现GPS定位检测、数据传输等功能，将各个模块逐渐加入系统中。逐步实现计划的功能，解决开发过程出现问题，或者根据实际需求增加相应功能。

4.第四阶段：2025年1月至2025年3月

完成原型并调试：完成各个模块的组合之后，运行调试系统，发现潜在的问题并解决，提升整个系统的契合度。对滑坡监测系统的功能实现做出验证，完善系统、提升可靠性。

5.第五阶段：2025年3月至2025年4月

结题：完成对滑坡监测系统设备的制作，展示功能。开始交付设备和完成答辩。