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利用无线传感器网络可以提高地质灾害监测能力

2010-11-25 15:47:57

2008年5月12日,在中国四川省汶川地区发生的特大地震灾害,给汶川人民的带来了巨大的损失,60000多个生命离开了我们,无数栋房屋变成瓦砾,工厂停工,学校停课,地震造成的伤痕可能需要国民花费十数年的时间去抚平。

技术概述

无线传感器网络诞生于20世纪90年代末,当初是美国军方提出用以进行战场环境监测的新技术,将大量的廉价传感器节点遍布指定区域,数据通过无线网络传回监控中心,监控区域内的所有信息就会尽收观察者的眼中了。

这个计划是由美国加州大学担研究任务,在初期产品完成后由美国Crossbow科技公司负责推广。

无线传感器网络相对于传统的网络,其最明显的特色可以用6个字来概括,即“自愈合,自组织”。自组织是指在无线传感器网络中不像传统网络需要人为指定拓扑结构,各个节点在部署之后可以自动探测邻居节点并形成网状的最终汇聚到网关节点的多跳 路由,整个过程不需人工来干预。而且整个网络具有动态灵活性,在任何节点损坏或加入新节点时,网络都可以自动调节路由,随时适应物理网络的变化。这就是自愈合特性。

这些特点使得无线传感器网络能够适应复杂多变的环境,去监测人力难以到达的恶劣环境。汶川地震发生之后所有通信设施中断,在后期只能依靠人力对山体滑坡、余震、堰塞湖等进行检测,效率低下,且缺乏量化数据进行科学分析预测。如果在灾区部署无线传感器网络就能有效解决这1问题。无线传感器网络节点体积大多小巧,Crossbow公司的Mica系列节点仅为两节五号电池大小,电池供电可以保证数月工作时间,不需现场拉线供电,非常方便在应急情况下进行灵活部署监测并预测地质灾害的发生情况。

1.地震监测

地震是由地壳变化释放能量在地表形成机械波传递的现象。所以安置在地表的振动传感器可以用来检测地震的发生和强度。汶川的地震强度8级,以及后续的各次余震都是通过地震局汇聚部署在各地的振动传感器信息,再还原为地震中心点的振动数据得出的。

美国哈佛大学在去年部署了1套类似的应急地震监测系统,主要部署在火山地区用来监测因火山爆 发而导致的地震信息。系统采用TelosB无线传感器节点,搭载24位ADC用以监测MEMS加速度计传送的微弱振动信息。节点以火山口为中心径向部署, 间隔数百米部署1个节点。在部署完毕后可以监测出地震沿径向传播各点的振动信息。

2.山体滑坡

HongKong存在大量山地地貌,居民人口众多,要求土地必须保持较高的利用率,所以道路和大量建筑都位于山区附近。而地理位置决定了该地区降雨量常年偏高,尤其在每年夏季,会出现大量的降水。不稳定的山地地貌在受到雨水侵蚀后,容易产生山体滑坡现象,对居民财产生命安全造成很大的威胁。

过去数10年内在某些极其危险地域发生了多次山体滑坡现象,所以GOV部门试图部署1种灵活稳定的系统对山体滑坡进行预警和监测。GOV部门尝试部署过多套有线方式的监测网络,但是由于监测区域往往为人迹罕至的山间,缺乏道路,电源供给,野外布线等都受到限制,使得有线系统部署起来非常困难。此外,有线方式往往采用就近部署Datalogger的方式纪录采集数据,需要专人定时前往监测点下载数据,系统得不到实时数据,灵活性较差。

Crossbow和地理监测专门人员进行多次交流并进行数次实地考察后,Crossbow帮助地质专业公司Fugro和FT在HongKong大屿山和青山地区部署了基于无线传感器网络的山体滑坡监测方案。山体滑坡的监测主要依靠两种传感器的作用,倾角传感器和液位传感器。在山体容易发生危险的区域,将会沿着山势走向竖直设置多个孔洞,如图所示。

每个孔洞都会在最下端部署1个液位传感器,在不同深度部署数个倾角传感器。由于该地区的山体滑坡现象主要是由雨水侵蚀产生的,所以地下水位深度是显示山体滑坡危险度的第1指标。该数据由部署在孔洞最下端的液位深度传感器采集并由无线网络发送。

通过倾角传感器我们可以监测山体的运动状况,山体往往由多层岩石或土壤组成,不同层次间由于侵蚀程度不同和物理构成,其运动速度不同。发生这种现象时我们部署在不同深度的倾角传感器将会返回不同的倾角数据。在无线网络获取到各个倾角传感器的数据后,通过数据融合处理,专门人员们就可以据此判断出山体滑坡的强度和趋势,并判断其威胁性。

3.建筑物健康监测

在地震中,对人民生命财产安全造成最大伤害的就是建筑物的倒塌。而现今大都市中,摩天大楼林 立,在汶川大地震中,北平也有震感,高层写字楼均有晃动,大量人员有不适感,但直至通过网络、广播确认地震发生后,写字楼人员方开始撤离。如果震中在北平附近,这几分钟的延误就会带来高层写字楼数千生命的消逝,而北平至少有几百幢高层写字楼。

加速度计依然是监测建筑物的最简单有效方式。美国加州大学伯克利分校在Cross-bow的 协助下对旧金山金门大桥部署过建筑健康监测系统。其本意是用来检测桥体在风力作用下的各个关键受力点的振动状况,整体数据建模后就可以分析出桥体受损老化严重的部分,从而进行有针对性的修补。

桥体和高层建筑有1个共同的特点,就是建筑结构及其敏感,所以其前端的测量点部署很难采用有 线方式,否则极易损害建筑结构受力。而无线技术,特别是不需供电的低功耗无线技术,在解决建筑物健康监测前端100米数据获取中具有极其重要的意义。节点 具有无线能力,体积小巧,可以很容易地安装在建筑物的关键受力点上,而不影响建筑物外观。具有低功耗能力,节点1经部署不需要频繁更换。省去了复杂耗时的布线操作,只要打开节点开关,位于建筑物监控中心的接收终端就可以实时获取数据,和建筑报警系统联动后,1旦探测到可能威胁到建筑物的震动信息,立即发出报警通知建筑物内人员撤离。平时该系统收集的数据还可以用来监测建筑物老化状况,为建筑物维护提供辅助决策信息。


Crossbow在国内和哈尔滨工程大学欧进萍院士领导的研究团队建立了联合实验 室,专门针对建筑物健康监测进行研究。相关研究成果已经在国内数座桥梁的维护工作中得到应用。Crossbow也推出过提供全套源代码的入门级振动套件,支持六个节点同步采集4G加速度计信息,并传回网关,通过Labview进行后期建模分析工作,可以作为广大研究和工程人员的1个参考设计。

问题和解决方案

1. 通信距离

在 将无线传感器网络应用野外时最大问题是如何保证Mote节点在重植被覆盖下仍能正常组网通信。容易发生地质灾害的山区往往植被密集,Crossbow在进 行HongKong项目(环境非常类似山区,人迹罕至,高达1人高的野草和大量树木)之前数次排人进行实地考察,并进行了详细的讨论和分析,最终2.4GHz被认为最为合适该环境的使用。

 


由上表可以看出,重植被和暴雨都会对无线信号产生衰减。433MHz由于其波长较 长,所以绕射性能较好,在雨中具有较好的表现。2.4GHz由于波长较短,穿透性较好,在重植被环境下具有较好的表现。而根据上表重植被造成的衰减为暴雨的数千倍,且系统工作在降雨环境下的时间应该在50%以下。所以2.4GHz应该更适合野外环境的使用。



此外,考虑频谱环境,目前使用2.5GHz的商用设备如 WiFi,BlueTooth多为短距设备,所以2.5GHz频段较为干净,干扰较少。400MHz和900MHz的干扰则相对较多。在地质灾害发生时,大量使用的单兵电台,步话机等及其容易造成相互干扰。从避免干扰的角度来说,2.5G是较佳的选择。

尽管2.5GHz具有相对较好的表现,重植被和降雨仍然会对无线信号产生较大的衰减。Crossbow在2008年最新推出了IRIS 节点,由于采用了全新的AT1282+RF230芯片组,以及模块化设计生产。IRIS在通信距离指标上得到大幅提高,同时其功耗反而得到1定降低。



由上图可见,在北平后海地区进行的湖面环境测试时,该节点达到了1公里的通信距离。在换装5dBi增益天线后,IRIS节点在北平二环路上下班高峰时期的车辆密集情况下也达到了500米的通信距离。而其功耗相对原有的MicaZ节点降低了1/3左右。

2. 能源消耗

每个节点通过电池供电,在Crossbow公司的被称为ELP电源管理机制下,电池电量能维持节点连续工作4年以上。ELP即为Extend Low Power 模式,为Crossbow公司原有Low Power 模式的改进版,能够提供更加优异的电量表现。在crossbow和中科院遥感所联合开发的用以南极科考的气象探测无线传感器网络,在零下80度时还可保持 长达1年的工作时间。

电池的电压随时被监控,1旦电压过低,节点会将电压数据发至基站。这个数据发送成功后,节点会处于深度睡眠模式,管理者在获致了某个节点电压过低的警告后,就可以有目的的进行系统的维护工作。当这个节点被重新换上新电池后将自动正常工作。

3. 可靠通信

无线通信都存在1定的数据丢失率,在用在环境监测中,丢失1次采集信息并不会对全局的海量数据造成任何影响。但是当用在地址灾害监测中时,它所传递的信息关 系重大,1旦丢失所造成影响及其严重。尾对尾的ACK提供了端到端的发送信息确认,专门用以发送类似的关心数据包,在该模式下每个数据包在经过多跳传输到达目的节点后,目的节点会立刻回传1个 ACK数据包,发送端在经过确定时间延时(根据路由表跳数确定)没有收到ACK数据包,会立刻重新发送,重复该过程直到数据包安全到达目的地。