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利用無線傳感器網(wǎng)絡可以提高地質(zhì)災害監(jiān)測能力

2010-11-25 15:47:57

２００８年５月１２日，在中國四川省汶川地區(qū)發(fā)生的特大地震災害，給汶川人民的帶來了巨大的損失，６００００多個生命離開了我們，無數(shù)棟房屋變成瓦礫，工廠停工，學校停課，地震造成的傷痕可能需要國民花費十數(shù)年的時間去撫平。

技術概述

無線傳感器網(wǎng)絡誕生于２０世紀９０年代末，當初是美國軍方提出用以進行戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測的新技術，將大量的廉價傳感器節(jié)點遍布指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有信息就會盡收觀察者的眼中了。

這個計劃是由美國加州大學擔研究任務，在初期產(chǎn)品完成后由美國Crossbow科技公司負責推廣。

無線傳感器網(wǎng)絡相對于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡，其明顯的特色可以用６個字來概括，即“自愈合，自組織”。自組織是指在無線傳感器網(wǎng)絡中不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡需要人為指定拓撲結(jié)構(gòu)，各個節(jié)點在部署之后可以自動探測鄰居節(jié)點并形成網(wǎng)狀的最終匯聚到網(wǎng)關節(jié)點的多跳 路由，整個過程不需人工來干預。而且整個網(wǎng)絡具有動態(tài)靈活性，在任何節(jié)點損壞或加入新節(jié)點時，網(wǎng)絡都可以自動調(diào)節(jié)路由，隨時適應物理網(wǎng)絡的變化。這就是自愈合特性。

這些特點使得無線傳感器網(wǎng)絡能夠適應復雜多變的環(huán)境，去監(jiān)測人力難以到達的惡劣環(huán)境。汶川地震發(fā)生之后所有通信設施中斷，在后期只能依靠人力對山體滑坡、余震、堰塞湖等進行檢測，效率低下，且缺乏量化數(shù)據(jù)進行科學分析預測。如果在災區(qū)部署無線傳感器網(wǎng)絡就能有效解決這１問題。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點體積大多小巧，Crossbow公司的Mica系列節(jié)點僅為兩節(jié)五號電池大小，電池供電可以保證數(shù)月工作時間，不需現(xiàn)場拉線供電，非常方便在應急情況下進行靈活部署監(jiān)測并預測地質(zhì)災害的發(fā)生情況。

１.地震監(jiān)測

地震是由地殼變化釋放能量在地表形成機械波傳遞的現(xiàn)象。所以安置在地表的振動傳感器可以用來檢測地震的發(fā)生和強度。汶川的地震強度８級，以及后續(xù)的各次余震都是通過地震局匯聚部署在各地的振動傳感器信息，再還原為地震中心點的振動數(shù)據(jù)得出的。

美國哈佛大學在去年部署了１套類似的應急地震監(jiān)測系統(tǒng)，主要部署在火山地區(qū)用來監(jiān)測因火山爆 發(fā)而導致的地震信息。系統(tǒng)采用TelosB無線傳感器節(jié)點，搭載２４位ADC用以監(jiān)測MEMS加速度計傳送的微弱振動信息。節(jié)點以火山口為中心徑向部署， 間隔數(shù)百米部署１個節(jié)點。在部署完畢后可以監(jiān)測出地震沿徑向傳播各點的振動信息。

２.山體滑坡

HongKong存在大量山地地貌，居民人口眾多，要求土地必須保持較高的利用率，所以道路和大量建筑都位于山區(qū)附近。而地理位置決定了該地區(qū)降雨量常年偏高，尤其在每年夏季，會出現(xiàn)大量的降水。不穩(wěn)定的山地地貌在受到雨水侵蝕后，容易產(chǎn)生山體滑坡現(xiàn)象，對居民財產(chǎn)生命安全造成很大的威脅。

過去數(shù)１０年內(nèi)在某些極其危險地域發(fā)生了多次山體滑坡現(xiàn)象，所以GOV部門試圖部署１種靈活穩(wěn)定的系統(tǒng)對山體滑坡進行預警和監(jiān)測。GOV部門嘗試部署過多套有線方式的監(jiān)測網(wǎng)絡，但是由于監(jiān)測區(qū)域往往為人跡罕至的山間，缺乏道路，電源供給，野外布線等都受到限制，使得有線系統(tǒng)部署起來非常困難。此外，有線方式往往采用就近部署Datalogger的方式紀錄采集數(shù)據(jù)，需要專人定時前往監(jiān)測點下載數(shù)據(jù)，系統(tǒng)得不到實時數(shù)據(jù)，靈活性較差。

Crossbow和地理監(jiān)測專門人員進行多次交流并進行數(shù)次實地考察后，Crossbow幫助地質(zhì)專業(yè)公司Fugro和FT在HongKong大嶼山和青山地區(qū)部署了基于無線傳感器網(wǎng)絡的山體滑坡監(jiān)測方案。山體滑坡的監(jiān)測主要依靠兩種傳感器的作用，傾角傳感器和液位傳感器。在山體容易發(fā)生危險的區(qū)域，將會沿著山勢走向豎直設置多個孔洞，如圖所示。

每個孔洞都會在最下端部署１個液位傳感器，在不同深度部署數(shù)個傾角傳感器。由于該地區(qū)的山體滑坡現(xiàn)象主要是由雨水侵蝕產(chǎn)生的，所以地下水位深度是顯示山體滑坡危險度的第１指標。該數(shù)據(jù)由部署在孔洞最下端的液位深度傳感器采集并由無線網(wǎng)絡發(fā)送。

通過傾角傳感器我們可以監(jiān)測山體的運動狀況，山體往往由多層巖石或土壤組成，不同層次間由于侵蝕程度不同和物理構(gòu)成，其運動速度不同。發(fā)生這種現(xiàn)象時我們部署在不同深度的傾角傳感器將會返回不同的傾角數(shù)據(jù)。在無線網(wǎng)絡獲取到各個傾角傳感器的數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)融合處理，專門人員們就可以據(jù)此判斷出山體滑坡的強度和趨勢，并判斷其威脅性。

3.建筑物健康監(jiān)測

在地震中，對人民生命財產(chǎn)安全造成突出傷害的就是建筑物的倒塌。而現(xiàn)今大都市中，摩天大樓林 立，在汶川大地震中，北平也有震感，高層寫字樓均有晃動，大量人員有不適感，但直至通過網(wǎng)絡、廣播確認地震發(fā)生后，寫字樓人員方開始撤離。如果震中在北平附近，這幾分鐘的延誤就會帶來高層寫字樓數(shù)千生命的消逝，而北平至少有幾百幢高層寫字樓。

加速度計依然是監(jiān)測建筑物的簡單有效的方式。美國加州大學伯克利分校在Cross－bow的 協(xié)助下對舊金山金門大橋部署過建筑健康監(jiān)測系統(tǒng)。其本意是用來檢測橋體在風力作用下的各個關鍵受力點的振動狀況，整體數(shù)據(jù)建模后就可以分析出橋體受損老化嚴重的部分，從而進行有針對性的修補。

橋體和高層建筑有１個共同的特點，就是建筑結(jié)構(gòu)及其敏感，所以其前端的測量點部署很難采用有 線方式，否則極易損害建筑結(jié)構(gòu)受力。而無線技術，特別是不需供電的低功耗無線技術，在解決建筑物健康監(jiān)測前端100米數(shù)據(jù)獲取中具有極其重要的意義。節(jié)點 具有無線能力，體積小巧，可以很容易地安裝在建筑物的關鍵受力點上，而不影響建筑物外觀。具有低功耗能力，節(jié)點１經(jīng)部署不需要頻繁更換。省去了復雜耗時的布線操作，只要打開節(jié)點開關，位于建筑物監(jiān)控中心的接收終端就可以實時獲取數(shù)據(jù)，和建筑報警系統(tǒng)聯(lián)動后，１旦探測到可能威脅到建筑物的震動信息，立即發(fā)出報警通知建筑物內(nèi)人員撤離。平時該系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)還可以用來監(jiān)測建筑物老化狀況，為建筑物維護提供輔助決策信息。


Crossbow在國內(nèi)和哈爾濱工程大學歐進萍院士領軍的研究團隊建立了聯(lián)合實驗 室，專門針對建筑物健康監(jiān)測進行研究。相關研究成果已經(jīng)在國內(nèi)數(shù)座橋梁的維護工作中得到應用。Crossbow也推出過提供全套源代碼的入門級振動套件，支持六個節(jié)點同步采集4G加速度計信息，并傳回網(wǎng)關，通過Labview進行后期建模分析工作，可以作為廣大研究和工程人員的１個參考設計。

問題和解決方案

1. 通信距離

在 將無線傳感器網(wǎng)絡應用野外時突出問題是如何保證Mote節(jié)點在重植被覆蓋下仍能正常組網(wǎng)通信。容易發(fā)生地質(zhì)災害的山區(qū)往往植被密集，Crossbow在進 行HongKong項目(環(huán)境非常類似山區(qū)，人跡罕至，高達１人高的野草和大量樹木)之前數(shù)次排人進行實地考察，并進行了詳細的討論和分析，最終2.4GHz被認為尤其合適該環(huán)境的使用。

 


由上表可以看出，重植被和暴雨都會對無線信號產(chǎn)生衰減。433MHz由于其波長較 長，所以繞射性能較好，在雨中具有較好的表現(xiàn)。2.4GHz由于波長較短，穿透性較好，在重植被環(huán)境下具有較好的表現(xiàn)。而根據(jù)上表重植被造成的衰減為暴雨的數(shù)千倍，且系統(tǒng)工作在降雨環(huán)境下的時間應該在50％以下。所以2.4GHz應該更適合野外環(huán)境的使用。



此外，考慮頻譜環(huán)境，目前使用２.５GHz的商用設備如 WiFi，BlueTooth多為短距設備，所以２.５GHz頻段較為干凈，干擾較少。４００MHz和９００MHz的干擾則相對較多。在地質(zhì)災害發(fā)生時，大量使用的單兵電臺，步話機等及其容易造成相互干擾。從避免干擾的角度來說，２.５G是較佳的選擇。

盡管２.５GHz具有相對較好的表現(xiàn)，重植被和降雨仍然會對無線信號產(chǎn)生較大的衰減。Crossbow在２００８年推出了IRIS 節(jié)點，由于采用了全新的AT１２８２＋RF230芯片組，以及模塊化設計生產(chǎn)。IRIS在通信距離指標上得到大幅提高，同時其功耗反而得到１定降低。



由上圖可見，在北平后海地區(qū)進行的湖面環(huán)境測試時，該節(jié)點達到了１公里的通信距離。在換裝５dBi增益天線后，IRIS節(jié)點在北平二環(huán)路上下班高峰時期的車輛密集情況下也達到了５００米的通信距離。而其功耗相對原有的MicaZ節(jié)點降低了１/３左右。

2. 能源消耗

每個節(jié)點通過電池供電，在Crossbow公司的被稱為ELP電源管理機制下，電池電量能維持節(jié)點連續(xù)工作４年以上。ELP即為Extend Low Power 模式，為Crossbow公司原有Low Power 模式的改進版，能夠提供更加優(yōu)異的電量表現(xiàn)。在crossbow和中科院遙感所聯(lián)合開發(fā)的用以南極科考的氣象探測無線傳感器網(wǎng)絡，在零下８０度時還可保持 長達１年的工作時間。

電池的電壓隨時被監(jiān)控，１旦電壓過低，節(jié)點會將電壓數(shù)據(jù)發(fā)至基站。這個數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，節(jié)點會處于深度睡眠模式，管理者在獲致了某個節(jié)點電壓過低的警告后，就可以有目的的進行系統(tǒng)的維護工作。當這個節(jié)點被重新?lián)Q上新電池后將自動正常工作。

3. 可靠通信

無線通信都存在１定的數(shù)據(jù)丟失率，在用在環(huán)境監(jiān)測中，丟失１次采集信息并不會對全局的海量數(shù)據(jù)造成任何影響。但是當用在地址災害監(jiān)測中時，它所傳遞的信息關 系重大，１旦丟失所造成影響及其嚴重。尾對尾的ACK提供了端到端的發(fā)送信息確認，專門用以發(fā)送類似的關心數(shù)據(jù)包，在該模式下每個數(shù)據(jù)包在經(jīng)過多跳傳輸?shù)竭_目的節(jié)點后，目的節(jié)點會立刻回傳１個 ACK數(shù)據(jù)包，發(fā)送端在經(jīng)過確定時間延時(根據(jù)路由表跳數(shù)確定)沒有收到ACK數(shù)據(jù)包，會立刻重新發(fā)送，重復該過程直到數(shù)據(jù)包安全到達目的地。