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利用無線傳感器網絡可以提高地質災害監測能力

2010-11-25 15:47:57

２００８年５月１２日，在中國四川省汶川地區發生的特大地震災害，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年的時間去撫平。

技術概述

無線傳感器網絡誕生于２０世紀９０年代末，當初是美國軍方提出用以進行戰場環境監測的新技術，將大量的廉價傳感器節點遍布指定區域，數據通過無線網絡傳回監控中心，監控區域內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，在初期產品完成后由美國Crossbow科技公司負責推廣。

無線傳感器網絡相對于傳統的網絡，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絡中不像傳統網絡需要人為指定拓撲結構，各個節點在部署之后可以自動探測鄰居節點并形成網狀的最終匯聚到網關節點的多跳 路由，整個過程不需人工來干預。而且整個網絡具有動態靈活性，在任何節點損壞或加入新節點時，網絡都可以自動調節路由，隨時適應物理網絡的變化。這就是自愈合特性。

這些特點使得無線傳感器網絡能夠適應復雜多變的環境，去監測人力難以到達的惡劣環境。汶川地震發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，且缺乏量化數據進行科學分析預測。如果在災區部署無線傳感器網絡就能有效解決這１問題。無線傳感器網絡節點體積大多小巧，Crossbow公司的Mica系列節點僅為兩節五號電池大小，電池供電可以保證數月工作時間，不需現場拉線供電，非常方便在應急情況下進行靈活部署監測并預測地質災害的發生情況。

１.地震監測

地震是由地殼變化釋放能量在地表形成機械波傳遞的現象。所以安置在地表的振動傳感器可以用來檢測地震的發生和強度。汶川的地震強度８級，以及后續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據得出的。

美國哈佛大學在去年部署了１套類似的應急地震監測系統，主要部署在火山地區用來監測因火山爆 發而導致的地震信息。系統采用TelosB無線傳感器節點，搭載２４位ADC用以監測MEMS加速度計傳送的微弱振動信息。節點以火山口為中心徑向部署， 間隔數百米部署１個節點。在部署完畢后可以監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附近。而地理位置決定了該地區降雨量常年偏高，尤其在每年夏季，會出現大量的降水。不穩定的山地地貌在受到雨水侵蝕后，容易產生山體滑坡現象，對居民財產生命安全造成很大的威脅。

過去數１０年內在某些極其危險地域發生了多次山體滑坡現象，所以GOV部門試圖部署１種靈活穩定的系統對山體滑坡進行預警和監測。GOV部門嘗試部署過多套有線方式的監測網絡，但是由于監測區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的方式紀錄采集數據，需要專人定時前往監測點下載數據，系統得不到實時數據，靈活性較差。

Crossbow和地理監測專門人員進行多次交流并進行數次實地考察后，Crossbow幫助地質專業公司Fugro和FT在HongKong大嶼山和青山地區部署了基于無線傳感器網絡的山體滑坡監測方案。山體滑坡的監測主要依靠兩種傳感器的作用，傾角傳感器和液位傳感器。在山體容易發生危險的區域，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，在不同深度部署數個傾角傳感器。由于該地區的山體滑坡現象主要是由雨水侵蝕產生的，所以地下水位深度是顯示山體滑坡危險度的第１指標。該數據由部署在孔洞最下端的液位深度傳感器采集并由無線網絡發送。

通過傾角傳感器我們可以監測山體的運動狀況，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成，其運動速度不同。發生這種現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據。在無線網絡獲取到各個傾角傳感器的數據后，通過數據融合處理，專門人員們就可以據此判斷出山體滑坡的強度和趨勢，并判斷其威脅性。

3.建筑物健康監測

在地震中，對人民生命財產安全造成突出傷害的就是建筑物的倒塌。而現今大都市中，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，但直至通過網絡、廣播確認地震發生后，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 協助下對舊金山金門大橋部署過建筑健康監測系統。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，整體數據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，就是建筑結構及其敏感，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構受力。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測前端100米數據獲取中具有極其重要的意義。節點 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，節點１經部署不需要頻繁更換。省去了復雜耗時的布線操作，只要打開節點開關，位于建筑物監控中心的接收終端就可以實時獲取數據，和建筑報警系統聯動后，１旦探測到可能威脅到建筑物的震動信息，立即發出報警通知建筑物內人員撤離。平時該系統收集的數據還可以用來監測建筑物老化狀況，為建筑物維護提供輔助決策信息。


Crossbow在國內和哈爾濱工程大學歐進萍院士領軍的研究團隊建立了聯合實驗 室，專門針對建筑物健康監測進行研究。相關研究成果已經在國內數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，支持六個節點同步采集4G加速度計信息，并傳回網關，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 將無線傳感器網絡應用野外時突出問題是如何保證Mote節點在重植被覆蓋下仍能正常組網通信。容易發生地質災害的山區往往植被密集，Crossbow在進 行HongKong項目(環境非常類似山區，人跡罕至，高達１人高的野草和大量樹木)之前數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。2.4GHz由于波長較短，穿透性較好，在重植被環境下具有較好的表現。而根據上表重植被造成的衰減為暴雨的數千倍，且系統工作在降雨環境下的時間應該在50％以下。所以2.4GHz應該更適合野外環境的使用。



此外，考慮頻譜環境，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。在地質災害發生時，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，重植被和降雨仍然會對無線信號產生較大的衰減。Crossbow在２００８年推出了IRIS 節點，由于采用了全新的AT１２８２＋RF230芯片組，以及模塊化設計生產。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，在北平后海地區進行的湖面環境測試時，該節點達到了１公里的通信距離。在換裝５dBi增益天線后，IRIS節點在北平二環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節點降低了１/３左右。

2. 能源消耗

每個節點通過電池供電，在Crossbow公司的被稱為ELP電源管理機制下，電池電量能維持節點連續工作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，能夠提供更加優異的電量表現。在crossbow和中科院遙感所聯合開發的用以南極科考的氣象探測無線傳感器網絡，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控，１旦電壓過低，節點會將電壓數據發至基站。這個數據發送成功后，節點會處于深度睡眠模式，管理者在獲致了某個節點電壓過低的警告后，就可以有目的的進行系統的維護工作。當這個節點被重新換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定的數據丟失率，在用在環境監測中，丟失１次采集信息并不會對全局的海量數據造成任何影響。但是當用在地址災害監測中時，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提供了端到端的發送信息確認，專門用以發送類似的關心數據包，在該模式下每個數據包在經過多跳傳輸到達目的節點后，目的節點會立刻回傳１個 ACK數據包，發送端在經過確定時間延時(根據路由表跳數確定)沒有收到ACK數據包，會立刻重新發送，重復該過程直到數據包安全到達目的地。