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利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以提高地質(zhì)災(zāi)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(zāi)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(xué)校停課,，地震造成的傷痕可能需要國民花費(fèi)十?dāng)?shù)年的時間去撫平,。
技術(shù)概述
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)誕生于２０世紀(jì)９０年代末,，當(dāng)初是美國軍方提出用以進(jìn)行戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測的新技術(shù),，將大量的廉價傳感器節(jié)點(diǎn)遍布指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)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(jì)劃是由美國加州大學(xué)擔(dān)研究任務(wù)，在初期產(chǎn)品完成后由美國Crossbow科技公司負(fù)責(zé)推廣,。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò),，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(luò)中不像傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需要人為指定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個節(jié)點(diǎn)在部署之后可以自動探測鄰居節(jié)點(diǎn)并形成網(wǎng)狀的最終匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的多跳 路由,，整個過程不需人工來干預(yù),。而且整個網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)靈活性，在任何節(jié)點(diǎn)損壞或加入新節(jié)點(diǎn)時,，網(wǎng)絡(luò)都可以自動調(diào)節(jié)路由,，隨時適應(yīng)物理網(wǎng)絡(luò)的變化。這就是自愈合特性,。
這些特點(diǎn)使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境,，去監(jiān)測人力難以到達(dá)的惡劣環(huán)境。汶川地震發(fā)生之后所有通信設(shè)施中斷,，在后期只能依靠人力對山體滑坡,、余震、堰塞湖等進(jìn)行檢測,，效率低下,，且缺乏量化數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析預(yù)測。如果在災(zāi)區(qū)部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就能有效解決這１問題,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積大多小巧,，Crossbow公司的Mica系列節(jié)點(diǎn)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(yīng)急情況下進(jìn)行靈活部署監(jiān)測并預(yù)測地質(zhì)災(zāi)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(jī)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(qiáng)度,。汶川的地震強(qiáng)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(diǎn)的振動數(shù)據(jù)得出的,。
美國哈佛大學(xué)在去年部署了１套類似的應(yīng)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(dǎo)致的地震信息。系統(tǒng)采用TelosB無線傳感器節(jié)點(diǎn),，搭載２４位ADC用以監(jiān)測MEMS加速度計(jì)傳送的微弱振動信息,。節(jié)點(diǎn)以火山口為中心徑向部署， 間隔數(shù)百米部署１個節(jié)點(diǎn),。在部署完畢后可以監(jiān)測出地震沿徑向傳播各點(diǎn)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(cái)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(xiǎn)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(jìn)行預(yù)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(luò)，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(jì)錄采集數(shù)據(jù),，需要專人定時前往監(jiān)測點(diǎn)下載數(shù)據(jù),，系統(tǒng)得不到實(shí)時數(shù)據(jù)，靈活性較差,。
Crossbow和地理監(jiān)測專門人員進(jìn)行多次交流并進(jìn)行數(shù)次實(shí)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(luò)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(xiǎn)的區(qū)域,，將會沿著山勢走向豎直設(shè)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(xiǎn)度的第１指標(biāo)。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(luò)發(fā)送,。
通過傾角傳感器我們可以監(jiān)測山體的運(yùn)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(yùn)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(luò)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(qiáng)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(cái)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(luò),、廣播確認(rèn)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(jì)依然是監(jiān)測建筑物的簡單有效的方式,。美國加州大學(xué)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(fēng)力作用下的各個關(guān)鍵受力點(diǎn)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(yán)重的部分,，從而進(jìn)行有針對性的修補(bǔ),。
橋體和高層建筑有１個共同的特點(diǎn)，就是建筑結(jié)構(gòu)及其敏感,，所以其前端的測量點(diǎn)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(shù)，特別是不需供電的低功耗無線技術(shù),，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(diǎn) 具有無線能力，體積小巧,，可以很容易地安裝在建筑物的關(guān)鍵受力點(diǎn)上,，而不影響建筑物外觀。具有低功耗能力,，節(jié)點(diǎn)１經(jīng)部署不需要頻繁更換,。省去了復(fù)雜耗時的布線操作，只要打開節(jié)點(diǎn)開關(guān),，位于建筑物監(jiān)控中心的接收終端就可以實(shí)時獲取數(shù)據(jù),，和建筑報(bào)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(bào)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(hù)提供輔助決策信息,。
Crossbow在國內(nèi)和哈爾濱工程大學(xué)歐進(jìn)萍院士領(lǐng)軍的研究團(tuán)隊(duì)建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn) 室,，專門針對建筑物健康監(jiān)測進(jìn)行研究。相關(guān)研究成果已經(jīng)在國內(nèi)數(shù)座橋梁的維護(hù)工作中得到應(yīng)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(diǎn)同步采集4G加速度計(jì)信息，并傳回網(wǎng)關(guān),，通過Labview進(jìn)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(shè)計(jì)。
問題和解決方案
1. 通信距離
在 將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用野外時突出問題是如何保證Mote節(jié)點(diǎn)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(zāi)害的山區(qū)往往植被密集,，Crossbow在進(jìn) 行HongKong項(xiàng)目(環(huán)境非常類似山區(qū)，人跡罕至,，高達(dá)１人高的野草和大量樹木)之前數(shù)次排人進(jìn)行實(shí)地考察,，并進(jìn)行了詳細(xì)的討論和分析，最終2.4GHz被認(rèn)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(yīng)該在50％以下,。所以2.4GHz應(yīng)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(shè)備如 WiFi,，BlueTooth多為短距設(shè)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(zāi)害發(fā)生時,，大量使用的單兵電臺，步話機(jī)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(diǎn)，由于采用了全新的AT１２８２＋RF230芯片組,，以及模塊化設(shè)計(jì)生產(chǎn),。IRIS在通信距離指標(biāo)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(jìn)行的湖面環(huán)境測試時，該節(jié)點(diǎn)達(dá)到了１公里的通信距離,。在換裝５dBi增益天線后,，IRIS節(jié)點(diǎn)在北平二環(huán)路上下班高峰時期的車輛密集情況下也達(dá)到了５００米的通信距離。而其功耗相對原有的MicaZ節(jié)點(diǎn)降低了１/３左右,。
2. 能源消耗
每個節(jié)點(diǎn)通過電池供電,，在Crossbow公司的被稱為ELP電源管理機(jī)制下，電池電量能維持節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(luò),，在零下８０度時還可保持 長達(dá)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(diǎn)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(diǎn)會處于深度睡眠模式,，管理者在獲致了某個節(jié)點(diǎn)電壓過低的警告后,，就可以有目的的進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)工作。當(dāng)這個節(jié)點(diǎn)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(dāng)用在地址災(zāi)害監(jiān)測中時,，它所傳遞的信息關(guān) 系重大，１旦丟失所造成影響及其嚴(yán)重,。尾對尾的ACK提供了端到端的發(fā)送信息確認(rèn),，專門用以發(fā)送類似的關(guān)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_(dá)目的節(jié)點(diǎn)后,，目的節(jié)點(diǎn)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(fù)該過程直到數(shù)據(jù)包安全到達(dá)目的地,。
