利用无线传感器网络提高地质灾害监测能力

2008年5月12日，发生在中国四川省汶川地区的8级特大?震灾害，牵动了每一个中华儿女的心。地震灾害给汶川人民的生命财产带来了巨大的损伤，6万多鲜活的生命离开了我们，无数栋房屋变成瓦砾，学校停课，工厂停工，地震造成的伤痕可能需要中国人民花费十数年的时间去抚平。

    痛定思痛，在捐款捐物，尽一份普通人的微薄之力之余，如何能够更有效的贡献出自己的能力成为环绕于作者脑海，久久挥之不去的念头。

    作者服务于无线传感器行业多年，对其技术及应用小有心得。在将多年与地质灾害相关项目整理之后，终于有此篇文章问世。

技术概述

无线传感器网络诞生于上世纪90年代末，最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。

       该计划由美国加州大学伯克利分校承担研究任务，在初期产品完成后由美国Crossbow科技公司负责民用推广。

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六个字来概括，即“自组织，自愈合”。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，其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，整个过程不需人为干预。同时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。这就是所谓的自愈合特性。

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余震、山体滑坡、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一问题。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.山体滑坡

香港由于存在大量山地地貌，城市居民人口众多，要求土地必须保持较高的利用率，因此大量建筑和道路都位于山区附近。由于地处中国南方，地理位置决定了该地区降雨量常年偏高，尤其在每年夏季的梅雨季节，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，对居民生命财产安全造成巨大的威胁。

过去数十年内在某些极其危险地域发生了多次山体滑坡现象，因此政府部门试图部署一种灵活稳定的系统对山体滑坡进行监测和预警。政府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，野外布线，电源供给等都受到限制，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在与地理监测专家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FT与Fugro在香港青山和大屿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，液位传感器以及倾角传感器。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一个液位传感器，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，因此地下水位深度是显示山体滑坡危险度的第一指标。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，山体往往由多层土壤或岩石组成，不同层次间由于物理构成和侵蚀程度不同，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，专业人员就可以据此判断出山体滑坡的趋势和强度，并判断其威胁性大小。

山体滑坡在地震之后的灾区随处可见，尤其是交通要道两侧的山体滑坡对救援进度更是会造成巨大的威胁，相信无数人仍然记得在听到理县到汶川的生命线在打通后不到一天的时间就又因山体滑坡而中断时那揪心的感觉。

2.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。因此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。四川汶川的地震强度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。

当然，地震监测网络由于部署地点确定，使用有线监测方式是较为合适的选择。但是在应急情况下，可以随时部署获取数据的无线地震监测网络也具有相当的意义。比如在地震之后用以监测余震的发生，机械波的传递远远慢于无线电波，因此可以抢出宝贵的几分钟预警时间给救援人员后撤。

美国哈佛大学在去年部署了一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，间隔数百米部署一个节点。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。

类似的系统在余震监测和震后应急补充部署时将具有重要的意义。中国地震局、哈尔滨工程力学研究所、中国台湾地震研究中心在近年都开始进行类似项目的研究。期待在不远的将来能有类似装备问世。

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，北京地区也有震感，高层写字楼均有晃动，大量人员有不适感，但直至通过广播、网络确认地震发生后，写字楼人员方开始撤离。如果震中在北京附近，这几分钟的迟疑就会带来高层写字楼数千生命的消逝，而北京至少拥有数百栋高层写字楼。

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。

桥体和高层建筑有一个共同的特点，就是建筑结构及其敏感，因此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，体积较为小巧，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，节点一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，与建筑报警系统联动后，一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在国内与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一个参考设计。

问题与解决方案 

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在进行香港项目(环境非常类似山区，人迹罕至，高达一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，重植被与暴雨都会对无线信号产生衰减。433MHz由于其波长较长，因此绕射性能较好，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。因此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2.4GHz的商用设备如WiFi，BlueTooth多为短距设备，因此2.4GHz频段较为干净，干扰较少。400MHz与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，2.4G是较佳的选择。

尽管2.4GHz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2007年最新推出了IRIS 节点，由于采用了全新的AT1281＋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一定降低。
 

由上图可见，在北京后海地区进行的湖面环境测试时，该节点达到了一公里的通信距离。在换装5dBi增益天线后，IRIS节点在北京二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与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度时还可保持长达一年的工作时间。

电池的电压随时被监控，一旦电压过低，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

无线通信都存在一定的数据丢失率，在用在环境监测中，丢失一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，一旦丢失所造成影响及其严重。End to End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一个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。

总结 

无线传感器网络作为一项较新的技术，以其特有的能力可以解决日常生活中很多问题，本文结合作者专业所及为汶川大地震类似的地质灾害监测提供一种采用新技术来提高监测能力的设想。但是从设想到实现中间还会有相当长的路要走，这中间需要广大科技工作者的不懈努力和投入。相对中国数量庞大的软件和嵌入式开发人员而言，熟悉和了解无线传感器网络开发的工程人员在中国仍然屈指可数。从软件角度而言，在为无线传感器网络编写程序时，必须从整个网络全局考虑，类似于把线程的概念扩展到成百上千个CPU之上，彼此配合来完成特定的工作。从硬件角度而言，设计无线传感器网络节点时，必须考虑外部电路的低功耗设计，与手机，MP3等一天到几天的工作时间相比，无线传感器网路必须要考虑的是靠有限的电池工作数月乃至数年的时间。