利用無線傳感器網絡提高地質災害監(jiān)測能力

    2008年5月12日，發(fā)生在中國四川省汶川地區(qū)的8級特大?震災害，牽動了每一個中華兒女的心。地震災害給汶川人民的生命財產帶來了巨大的損傷，6萬多鮮活的生命離開了我們，無數棟房屋變成瓦礫，學校停課，工廠停工，地震造成的傷痕可能需要中國人民花費十數年的時間去撫平。 

    痛定思痛，在捐款捐物，盡一份普通人的微薄之力之余，如何能夠更有效的貢獻出自己的能力成為環(huán)繞于作者腦海，久久揮之不去的念頭。 

    作者服務于無線傳感器行業(yè)多年，對其技術及應用小有心得。在將多年與地質災害相關項目整理之后，終于有此篇文章問世。 

    技術概述

    無線傳感器網絡誕生于上世紀90年代末，最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，數據通過無線網絡傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控區(qū)域內的所有信息就會盡收觀察者的眼中了。

    該計劃由美國加州大學伯克利分校承擔研究任務，在初期產品完成后由美國Crossbow科技公司負責民用推廣。

    無線傳感器網絡相對于傳統(tǒng)的網絡，其最明顯的特色可以用六個字來概括，即“自組織，自愈合”。自組織是指在無線傳感器網絡中不像傳統(tǒng)網絡需要人為指定拓撲結構，其各個節(jié)點在部署之后可以自動探測鄰居節(jié)點并形成網狀的最終匯聚到網關節(jié)點的多跳路由，整個過程不需人為干預。同時整個網絡具有動態(tài)靈活性，在任何節(jié)點損壞，或加入新節(jié)點時，網絡都可以自動調節(jié)路由，隨時適應物理網絡的變化。這就是所謂的自愈合特性。

    這些特點使得無線傳感器網絡能夠適應復雜多變的環(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余震、山體滑坡、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(qū)部署無線傳感器網絡就能有效解決這一問題。無線傳感器網絡節(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(jiān)測并預測地質災害的發(fā)生情況。

    1.山體滑坡

    香港由于存在大量山地地貌，城市居民人口眾多，要求土地必須保持較高的利用率，因此大量建筑和道路都位于山區(qū)附近。由于地處中國南方，地理位置決定了該地區(qū)降雨量常年偏高，尤其在每年夏季的梅雨季節(jié)，會出現大量的降水。不穩(wěn)定的山地地貌在受到雨水侵蝕后，容易產生山體滑坡現象，對居民生命財產安全造成巨大的威脅。

    過去數十年內在某些極其危險地域發(fā)生了多次山體滑坡現象，因此政府部門試圖部署一種靈活穩(wěn)定的系統(tǒng)對山體滑坡進行監(jiān)測和預警。政府部門嘗試部署過多套有線方式的監(jiān)測網絡，但是由于監(jiān)測區(qū)域往往為人跡罕至的山間，缺乏道路，野外布線，電源供給等都受到限制，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的方式紀錄采集數據，需要專人定時前往監(jiān)測點下載數據，系統(tǒng)得不到實時數據，靈活性較差。

    Crossbow在與地理監(jiān)測專家進行多次交流并進行數次實地考察后，Crossbow幫助地質專業(yè)公司FT與Fugro在香港青山和大嶼山地區(qū)部署了基于無線傳感器網絡的山體滑坡監(jiān)測方案。山體滑坡的監(jiān)測主要依靠兩種傳感器的作用，液位傳感器以及傾角傳感器。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一個液位傳感器，在不同深度部署數個傾角傳感器。由于該地區(qū)的山體滑坡現象主要是由雨水侵蝕產生的，因此地下水位深度是顯示山體滑坡危險度的第一指標。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(fā)送。

    通過傾角傳感器我們可以監(jiān)測山體的運動狀況，山體往往由多層土壤或巖石組成，不同層次間由于物理構成和侵蝕程度不同，其運動速度不同。發(fā)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，專業(yè)人員就可以據此判斷出山體滑坡的趨勢和強度，并判斷其威脅性大小。

    山體滑坡在地震之后的災區(qū)隨處可見，尤其是交通要道兩側的山體滑坡對救援進度更是會造成巨大的威脅，相信無數人仍然記得在聽到理縣到汶川的生命線在打通后不到一天的時間就又因山體滑坡而中斷時那揪心的感覺。

    2.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象。因此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。四川汶川的地震強度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據得出的。

    當然，地震監(jiān)測網絡由于部署地點確定，使用有線監(jiān)測方式是較為合適的選擇。但是在應急情況下，可以隨時部署獲取數據的無線地震監(jiān)測網絡也具有相當的意義。比如在地震之后用以監(jiān)測余震的發(fā)生，機械波的傳遞遠遠慢于無線電波，因此可以搶出寶貴的幾分鐘預警時間給救援人員后撤。

    美國哈佛大學在去年部署了一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，間隔數百米部署一個節(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。

    類似的系統(tǒng)在余震監(jiān)測和震后應急補充部署時將具有重要的意義。中國地震局、哈爾濱工程力學研究所、中國臺灣地震研究中心在近年都開始進行類似項目的研究。期待在不遠的將來能有類似裝備問世。


    3.建筑物健康監(jiān)測

    在地震中，對人民生命財產安全造成最大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，北京地區(qū)也有震感，高層寫字樓均有晃動，大量人員有不適感，但直至通過廣播、網絡確認地震發(fā)生后，寫字樓人員方開始撤離。如果震中在北京附近，這幾分鐘的遲疑就會帶來高層寫字樓數千生命的消逝，而北京至少擁有數百棟高層寫字樓。

    加速度計依然是監(jiān)測建筑物的最簡單有效方式。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。

    橋體和高層建筑有一個共同的特點，就是建筑結構及其敏感，因此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(jiān)測前端100米數據獲取中具有極其重要的意義。節(jié)點具有無線能力，體積較為小巧，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)點一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(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據，與建筑報警系統(tǒng)聯動后，一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人員撤離。平時該系統(tǒng)收集的數據還可以用來監(jiān)測建筑物老化狀況，為建筑物維護提供輔助決策信息。

    Crossbow在國內與哈爾濱工程大學歐進萍院士領導的研究團隊建立了聯合實驗室，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(jié)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一個參考設計。 

    問題與解決方案 

    1. 通信距離 

    在將無線傳感器網絡應用野外時最大問題是如何保證Mote節(jié)點在重植被覆蓋下仍能正常組網通信。容易發(fā)生地質災害的山區(qū)往往植被密集，Crossbow在進行香港項目(環(huán)境非常類似山區(qū)，人跡罕至，高達一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被認為最為合適該環(huán)境的使用。  
 

    由上表可以看出，重植被與暴雨都會對無線信號產生衰減。433MHz由于其波長較長，因此繞射性能較好，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(huán)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(tǒng)工作在降雨環(huán)境下的時間應該在50％以下。因此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2.4GHz的商用設備如WiFi，BlueTooth多為短距設備，因此2.4GHz頻段較為干凈，干擾較少。400MHz與900MHz的干擾則相對較多。在地質災害發(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，2.4G是較佳的選擇。 

    盡管2.4GHz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2007年最新推出了IRIS 節(jié)點，由于采用了全新的AT1281＋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一定降低。  
 

    由上圖可見，在北京后海地區(qū)進行的湖面環(huán)境測試時，該節(jié)點達到了一公里的通信距離。在換裝5dBi增益天線后，IRIS節(jié)點在北京二環(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。在crossbow與中科院遙感所聯合開發(fā)的用以南極科考的氣象探測無線傳感器網絡，在零下80度時還可保持長達一年的工作時間。 

    電池的電壓隨時被監(jiān)控，一旦電壓過低，節(jié)點會將電壓數據發(fā)至基站。這個數據發(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 

    無線通信都存在一定的數據丟失率，在用在環(huán)境監(jiān)測中，丟失一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(jiān)測中時，它所傳遞的信息關系重大，一旦丟失所造成影響及其嚴重。End to End的ACK提供了端到端的發(fā)送信息確認，專門用以發(fā)送類似的關心數據包，在該模式下每個數據包在經過多跳傳輸到達目的節(jié)點后，目的節(jié)點會立刻回傳一個ACK數據包，發(fā)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(fā)送，重復該過程直到數據包安全到達目的地。 

    總結 

    無線傳感器網絡作為一項較新的技術，以其特有的能力可以解決日常生活中很多問題，本文結合作者專業(yè)所及為汶川大地震類似的地質災害監(jiān)測提供一種采用新技術來提高監(jiān)測能力的設想。但是從設想到實現中間還會有相當長的路要走，這中間需要廣大科技工作者的不懈努力和投入。相對中國數量龐大的軟件和嵌入式開發(fā)人員而言，熟悉和了解無線傳感器網絡開發(fā)的工程人員在中國仍然屈指可數。從軟件角度而言，在為無線傳感器網絡編寫程序時，必須從整個網絡全局考慮，類似于把線程的概念擴展到成百上千個CPU之上，彼此配合來完成特定的工作。從硬件角度而言，設計無線傳感器網絡節(jié)點時，必須考慮外部電路的低功耗設計，與手機，MP3等一天到幾天的工作時間相比，無線傳感器網路必須要考慮的是靠有限的電池工作數月乃至數年的時間。