[发明专利]一种地表位移实时监测系统及监测方法

权利要求书

1.一种地表位移实时监测系统，其包括位于滑坡现场的ZigBee网络、无线蜂窝网络以及位于监控中心的中央监控机，现场ZigBee网络和中央监控机间通过无线蜂窝网络进行通信，其特征在于：

所述滑坡现场的ZigBee网络包括锚节点和定位节点，其中布置在滑坡体上的节点称为定位节点，布置在滑坡体周围稳定基岩或物体上的节点称为锚节点，锚节点的坐标位置不变，且为已知；

所述锚节点和定位节点利用ZigBee的自组织网络通信方式，组成一个位于滑坡现场的无线传感器网络； 

在所述锚节点中指定一个为现场主站，现场主站上集成有GPRS通信模块，通过无线蜂窝网络与位于监控中心的中央监控机进行通信，中央监控机上保存有各定位节点的原始坐标数据；

所述中央监控机通过对比分析定位节点坐标数据的变化，来确定地表位移的发生，由此发出地表位移发生时间和位移量警报信息。

2.利用权利要求1所述的系统进行地表位移实时监测的方法，所述方法的过程如下： 

监控中心的中央监控机上保存有各定位节点的原始坐标数据；

中央监控机向现场ZigBee网络发定位指令，设置定位周期，随后接收现场主站发回的定位节点的位置坐标数据；所述定位节点通过运行优化RSSI定位算法得到自身位置坐标数据，并经现场主站将位置坐标数据传输到中央监控机；

如中央监控机接收到的定位节点位置坐标数据与其原始坐标数据一致，说明未发生地表位移，滑坡体稳定；

如中央监控机接收到的定位节点位置坐标数据与其原始坐标数据不一致，说明滑坡体出现滑动，存在滑坡的危险，此时，又分两种情况处理：

1）当定位节点位置坐标数据与原始坐标数据不一致且为无效定位数据，即全部为0时，中央监控机立即发出重复定位指令，验证本次定位数据的正确性；

若连续至少2次验证依然为无效定位数据时，说明滑坡已发生，立即发出滑坡，即故障警报；

若重复定位数据恢复为原始坐标数据，则继续按原定位周期继续对滑坡体进行监测；

2）当定位节点位置坐标数据与原始坐标数据不一致且为有效定位数据时，则缩短定位周期，继续获取定位节点的位置信息；

如果定位节点位置坐标数据连续至少3次发生变化，立即发出滑坡警报；

如果定位节点位置未出现连续变化，说明滑坡体虽有滑动，但目前暂时稳定，此时，不发出滑坡警报，但按缩短的定位周期，继续对滑坡体进行监测。

3.根据权利要求2所述的地表位移实时监测方法，其特征在于：所述优化RSSI定位算法确定定位节点位置坐标方法步骤如下：

中央监控机设定定位周期；

定位时间到，定位节点发出定位请求，以广播方式通知各个锚节点；

锚节点收到请求后，发送确认信息返回给定位节点；

将至少6个锚节点按每组3个分为若干组，由方程组（1）求各锚节点的模型参数，如锚节点A、B、C为一组，以A点为例：

                  （1）

式中，、分别为锚节点A、B和A、C之间的距离；PL表示路径损耗值，由测试决定，单位dbm；为近地参考距离，通常定为1m； ，X为随机误差，服从均值为0，方差为[4,10]的高斯分布，

为锚节点A的路径损耗因子；

同理，求得其余各锚节点的模型参数、，i=1…n；

根据公式(2)~(4)确定该定位环境中的模型参数和；

                 (2)

         (3)

             (4)    

式中，i=2…n，为与某定位节点在物理位置上距离最近的锚节点与该定位节点通信的路径损耗；e_i为调整因子；

（6）根据公式(5)分别计算出某定位节点到各个锚节点的距离、，..... ；

         （5）

式中，RSSI 表示接收的信号强度指示，由测试决定； Pt为发射功率，Gr为天线增益，Pt、Gr均已知，i=1,2.....n；

利用方程组（6）确定定位节点的位置坐标：

                    （6）

式中，、…为各个锚节点的位置坐标，（x,y）为定位节点坐标；

用（6）式中的第个方程减去第个方程,得到线性化方程：

                                            (7)

其中：

                      (8)

    (9)

                                (10)

得到定位节点的坐标：

                     

完成定位，并发送本次定位数据至现场主站；

下一次定位周期到后，重复步骤(2)-(8)完成新的定位任务。