摘 要：針對(duì)滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測和防治的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)提出了一套基于智能WSN的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的應(yīng)用架構(gòu)和應(yīng)急保障體系結(jié)構(gòu)。介紹了系統(tǒng)總體方案，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)硬件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)協(xié)議、算法和軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)不僅能夠?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，而且能夠?qū)崿F(xiàn)智能化調(diào)控監(jiān)控設(shè)施的參數(shù)和多媒體設(shè)備的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)山體滑坡等自然災(zāi)害監(jiān)測的可靠性和預(yù)報(bào)預(yù)警的實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞：無線傳感器 智能多媒體無線傳感器 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測 滑坡泥石流災(zāi)害

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）01（b）-0010-04

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近10年來，因滑坡、崩塌、泥石流造成死亡和失蹤的人員每年平均約1000人，造成直接經(jīng)濟(jì)損失年均38.6億元。四川、甘肅和陜西等省地震區(qū)84個(gè)縣（市、區(qū)）發(fā)現(xiàn)重大地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)8439處，其中，滑坡4372處，崩塌2309處，泥石流515處，威脅109萬人的生命安全[1]。國內(nèi)外用于山體滑坡監(jiān)測的方法和手段很多[2]，由于山體滑坡監(jiān)測區(qū)域的地理?xiàng)l件復(fù)雜、線路架設(shè)困難、電源供給等限制，使得有線系統(tǒng)部署起來非常困難，系統(tǒng)維護(hù)十分不便，并且監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可靠性不高[3]，并且很多監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的信息十分有限，監(jiān)測方式成本高，不適合大范圍推廣與應(yīng)用[4]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)延伸了傳感器的感知觸角[5]，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)狀態(tài)信息的非接觸傳遞、實(shí)時(shí)監(jiān)測、協(xié)作處理、本地化決策，以及與互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)的接入，則大大提高了信息采集的實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性。以傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合寬帶移動(dòng)通信技術(shù)，建設(shè)不同地質(zhì)環(huán)境背景、不同氣候條件的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測示范區(qū)，解決滑坡泥石流監(jiān)測預(yù)警的關(guān)鍵技術(shù)，及時(shí)捕捉重大滑坡泥石流的前兆信息，成為當(dāng)前災(zāi)害防治研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。

1 系統(tǒng)總體方案和架構(gòu)

1.1 地災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)

多媒體無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Multimedia Senior Network，簡稱WMSN）是由一組具有計(jì)算、存儲(chǔ)和通信能力的多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)組成的分布式感知網(wǎng)絡(luò)[6]。它通常由多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)（multimedia sensor）、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）、控制中心（control center）等構(gòu)成，借助于節(jié)點(diǎn)上多媒體傳感器感知所在周邊環(huán)境的多種媒體信息（音頻、視頻、圖像、數(shù)值等），通過多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳到匯聚中心，匯聚中心通過Internet 網(wǎng)絡(luò)或通信衛(wèi)星到達(dá)控制中心。用戶通過控制中心對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)[7～9]。

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、通信傳輸基站及監(jiān)控中心系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。系統(tǒng)內(nèi)WMSN節(jié)點(diǎn)是使用ZigBee協(xié)議的低速率探測傳感器節(jié)點(diǎn)（如表層探測傳感器、地表深度位移傳感器、雨量傳感器等）。網(wǎng)絡(luò)中的各種探測傳感器節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)通過自組織成網(wǎng)的方式構(gòu)成最底層的傳感器監(jiān)測網(wǎng)。系統(tǒng)內(nèi)WMSN節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)信息沿著傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)逐級(jí)跳轉(zhuǎn)進(jìn)行傳輸，最后匯集到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)層。

匯聚網(wǎng)關(guān)層則使用WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，該層包括ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)、WiFi中繼節(jié)點(diǎn)、TD-SCDMA網(wǎng)關(guān)與大數(shù)據(jù)量的音視頻傳感器節(jié)點(diǎn)、GPS傳感器節(jié)點(diǎn)和地聲傳感器節(jié)點(diǎn)。探測傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)可以通過任一個(gè)ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)接入?yún)R聚網(wǎng)關(guān)層，通過匯聚網(wǎng)絡(luò)中繼到達(dá)某一個(gè)TD-SCDMA網(wǎng)關(guān)，TD-SCDMA網(wǎng)關(guān)具有WiFi到TD-SCDMA的網(wǎng)關(guān)功能，能夠?qū)⑹褂肳iFi匯聚到的數(shù)據(jù)通過TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)測中心。為了滿足大數(shù)據(jù)量的傳感器設(shè)備如音視頻傳感器等的數(shù)據(jù)速率要求，也將他們放入到匯聚網(wǎng)關(guān)層，他們可以以單跳或多跳的方式將數(shù)據(jù)傳送至TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中。

第三層為TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)與地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中心站。本系統(tǒng)使用TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸率高的特點(diǎn)。使用TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)可以基本滿足當(dāng)前的監(jiān)測傳感器與多媒體數(shù)據(jù)的傳輸需求，并可以大大降低研發(fā)和部署成本。對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的匯集傳輸是一個(gè)很好的選擇（見圖1）。

1.2 災(zāi)后應(yīng)急保障體系結(jié)構(gòu)

當(dāng)災(zāi)區(qū)經(jīng)受了地震、滑坡泥石流等破壞后，監(jiān)測區(qū)域的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)可能受損，長期監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)通信會(huì)出現(xiàn)鏈路故障。為了能夠收集到各類傳感器在受到地質(zhì)災(zāi)害時(shí)采集到的寶貴的數(shù)據(jù)，災(zāi)后通信保障采用支持寬帶無線通信技術(shù)TD-LTE的遠(yuǎn)距離基站（如圖2所示），該基站具有WiFi-LTE網(wǎng)關(guān)的功能，將受災(zāi)區(qū)域內(nèi)部署的傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)通過WiFi匯聚到應(yīng)急基站進(jìn)行遠(yuǎn)距離的接力傳輸。

同時(shí)，各傳感器節(jié)點(diǎn)帶有較大的存儲(chǔ)器，能夠緩存采集到得數(shù)據(jù)，一旦鏈路受到破壞無法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。當(dāng)基站建立起來或者有人攜帶通信設(shè)備進(jìn)入災(zāi)區(qū)后，就可建立起通信鏈路，此時(shí)就可將數(shù)據(jù)傳送給采集設(shè)備，完成數(shù)據(jù)采集過程。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過基站傳輸?shù)竭h(yuǎn)程指揮監(jiān)控中心，通過多媒體信息與各類監(jiān)測數(shù)據(jù)監(jiān)控災(zāi)區(qū)或易發(fā)災(zāi)區(qū)的破壞情況，并可根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果對(duì)滑坡泥石流的災(zāi)害情況進(jìn)行評(píng)估和分析。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 智能傳感器組件設(shè)計(jì)

地災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的智能傳感器組件包括：智能化輸出傳感器，無線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊，智能化電源管理，（見圖3）。智能傳感器組建實(shí)現(xiàn)了功能模塊化、測量自動(dòng)化、接口標(biāo)準(zhǔn)化，即將固定式測斜儀、孔隙水壓力計(jì)、地表裂縫位移計(jì)、雨量計(jì)等傳感器實(shí)現(xiàn)智能組件化；開發(fā)適應(yīng)傳感器網(wǎng)絡(luò)體系要求的標(biāo)準(zhǔn)接口、協(xié)議，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)功能組件的模塊化；實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，即在傳感器組件層引入高性能、低功耗的微處理器；對(duì)傳感器輸出實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)字化，引入（專用）標(biāo)準(zhǔn)無線收發(fā)模塊和協(xié)議規(guī)范，支持滑坡泥石流監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)體系標(biāo)準(zhǔn)；適應(yīng)野外環(huán)境的高可靠性儀器裝備，即滿足不同地區(qū)、不同環(huán)境條件下儀器裝備的可靠性要求。通過將固定式測斜儀、孔隙水壓力計(jì)、地表裂縫位移計(jì)、雨量計(jì)等傳感器模塊化，并定義標(biāo)準(zhǔn)接口，與傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)傳感器的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

2.1.2 多媒體監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

多媒體監(jiān)控是減小滑坡泥石流災(zāi)害損失的重要手段，不同的監(jiān)測對(duì)象和監(jiān)測環(huán)境對(duì)多媒體信息源和傳輸手段的要求也不同，因此本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由多媒體接口模塊、處理器、射頻接口模塊、電源模塊構(gòu)成多媒體監(jiān)控設(shè)備（如圖4所示）。其中，媒體接口模塊負(fù)責(zé)連接多媒體數(shù)據(jù)源。根據(jù)數(shù)據(jù)采集要求可分別連接視頻監(jiān)控設(shè)備和照片采集設(shè)備；射頻接口模塊則根據(jù)具體的監(jiān)測環(huán)境連接WiFi射頻模塊和TD-LTE射頻模塊；而處理器模塊和電源模塊與傳統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)備相應(yīng)模塊功能類似。

此外，多媒體監(jiān)控對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求會(huì)很高，本系統(tǒng)采用寬帶無線傳輸技術(shù)，選擇使用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第二代信源編碼標(biāo)準(zhǔn)AVS對(duì)視頻進(jìn)行編碼。同時(shí)，使用事件驅(qū)動(dòng)的方式，在監(jiān)測區(qū)域出現(xiàn)異常情況時(shí)，才啟動(dòng)攝像頭進(jìn)行進(jìn)監(jiān)控，以增加網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。

2.1.3 多協(xié)議網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

相對(duì)通常的傳感器網(wǎng)絡(luò)，面向滑坡泥石流災(zāi)害的傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)有其特殊的技術(shù)要求。由于其面臨復(fù)雜的監(jiān)測環(huán)境，并且面臨滑坡泥石流災(zāi)害發(fā)生后各種通信設(shè)施被毀的情況，因此必須支持各類高、低速共存的通信協(xié)議，網(wǎng)關(guān)設(shè)備必須能夠處理各種不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，包括支持多協(xié)議的模塊化網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，低功耗電源管理策略，突發(fā)情況緊急存儲(chǔ)。

本系統(tǒng)對(duì)射頻模塊的數(shù)據(jù)交換接口進(jìn)行抽象，設(shè)計(jì)多協(xié)議支持模塊，對(duì)不同的協(xié)議提供支持，（見圖5所示）。需要對(duì)某種協(xié)議的支持時(shí)，只需要將該協(xié)議的射頻模塊接入網(wǎng)關(guān)，并進(jìn)行簡單的配置即可完成網(wǎng)關(guān)的協(xié)議類型轉(zhuǎn)換。由于各種協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸速率不同，因此網(wǎng)關(guān)設(shè)備必須提供存儲(chǔ)模塊，對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。另外，一旦發(fā)生緊急情況，網(wǎng)關(guān)還能夠?qū)⒆詈蠼邮盏降臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，并進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能源。待救援人員到達(dá)其傳輸范圍之內(nèi)，將其喚醒，并通過無線方式獲取其緩存的數(shù)據(jù)，從而獲取災(zāi)害的詳細(xì)資料，對(duì)今后的災(zāi)害預(yù)警提供寶貴資料。

電源是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備關(guān)鍵因素。兩種方式可以提高能源利用率：一是通過采用軟硬件協(xié)同的動(dòng)態(tài)功耗管理機(jī)制來有效地節(jié)約能耗；二是通過采用能量自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模式策略，在組網(wǎng)或者進(jìn)行路由選擇過程中，充分考慮節(jié)點(diǎn)能量信息，即優(yōu)先選擇能量高的節(jié)點(diǎn)傳輸關(guān)鍵數(shù)據(jù)，讓能量低的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠模式，必要時(shí)才將其喚醒以維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行，從而顯著降低節(jié)點(diǎn)的能耗。

2.2 系統(tǒng)通信協(xié)議和軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)要求建成一個(gè)支持傳感器網(wǎng)絡(luò)[10]從面（區(qū)域）到線（監(jiān)測剖面）到點(diǎn)（重點(diǎn)位置核心參數(shù)），覆蓋災(zāi)害體區(qū)域的地上（如降水量/強(qiáng)度、地表位移等）和地下（深部位移、孔隙水壓力等），包含地體變形參數(shù)、相關(guān)因素、誘發(fā)因素的立體監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。各種監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害的傳感器節(jié)點(diǎn)（如：雨量傳感器、含水率傳感器、測斜傳感器、位移傳感器等等）構(gòu)成一個(gè)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，而且不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測產(chǎn)生的數(shù)據(jù)特征是不同的，例如：雨量傳感器、含水率傳感器、測斜傳感器、位移傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量小，并且數(shù)據(jù)的實(shí)效性不強(qiáng)；而地聲傳感器、GPS設(shè)備與視頻傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大。為了在滿足數(shù)據(jù)要求的條件下更好的利用帶寬資源，本系統(tǒng)采用低速率與高速率傳感器節(jié)點(diǎn)共存的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（見圖6）。雨量傳感器、測斜傳感器、位移傳感器采用低速率網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議；地聲傳感器、GPS設(shè)備與視頻傳感器采用高速率寬帶網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

依據(jù)監(jiān)測方案來設(shè)定監(jiān)測參數(shù)的類型和傳感器組件數(shù)量，依據(jù)傳感器組件的帶寬和數(shù)據(jù)傳輸速率構(gòu)建數(shù)據(jù)通信子網(wǎng)，各子網(wǎng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間通過自組織成網(wǎng)方式形成底層數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，向上匯聚于匯聚節(jié)點(diǎn)，各子網(wǎng)匯聚節(jié)點(diǎn)（也是地災(zāi)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)）向上以地災(zāi)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為匯聚節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚接入地災(zāi)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

在系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)中，無線傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信機(jī)制是重點(diǎn)，如何合理設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)間的收發(fā)數(shù)據(jù)機(jī)制從而有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能是整個(gè)方案設(shè)計(jì)必須要解決的關(guān)鍵問題。軟件功能主要包括數(shù)據(jù)采集和處理、路由算法的實(shí)施以及無線傳輸。應(yīng)用層面的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件流程（如圖7所示）。

在網(wǎng)絡(luò)初始化和通信信道選擇階段之后，無線傳感器節(jié)點(diǎn)開始進(jìn)入對(duì)周邊的物理環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的流程。首先，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定，為了達(dá)到網(wǎng)絡(luò)節(jié)能的目的，節(jié)點(diǎn)將處于低功耗狀態(tài)直至收到數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求后被激活，在數(shù)據(jù)采集過程中，數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)貫穿始終。然后，節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)比較所采集數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的閾值的大小，如果數(shù)據(jù)超出程序預(yù)先設(shè)定的閾值，圖像傳感器將被激活以拍攝現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)將被實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心；如果未超出閾值，傳感器節(jié)點(diǎn)將繼續(xù)采集和傳輸本地?cái)?shù)據(jù)至基站。最終，所有數(shù)據(jù)將在控制中心匯總分析，以輔助決策。同時(shí)，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)收到監(jiān)控中心的接收請(qǐng)求后，由低功耗等待狀態(tài)喚醒，進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)直至接收完畢。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)完畢后，均相應(yīng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

3 示范區(qū)運(yùn)行結(jié)果與分析

四川雅安是西南地區(qū)典型的地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)，其中峽口滑坡具有區(qū)域滑坡的典型特征，峽口滑坡是由老滑坡、新滑坡、蠕變體三種形式組成，（見圖8所示）。在峽口滑坡上部和中部各建立一監(jiān)測站，安裝GCY-1型固定式測斜儀、LGW-1型裂縫計(jì)、KLP18型水位計(jì)、KLP18型水溫計(jì)、YSR-1型雨量計(jì)，對(duì)峽口滑坡進(jìn)行多參數(shù)綜合監(jiān)測[12]。

4 結(jié)論

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一[12]，這一新興技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)有的多種先進(jìn)技術(shù)，為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑[13～16]。

將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一最新的IT技術(shù)應(yīng)用于山體滑坡監(jiān)測，具有傳統(tǒng)技術(shù)所不具備的優(yōu)勢。通過采用各種智能傳感器、多媒體監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、TD-CDMA網(wǎng)關(guān)以及采用支持寬帶無線通信技術(shù)的TD-LTE技術(shù)，形成對(duì)現(xiàn)場環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采樣和實(shí)時(shí)傳輸、建立后臺(tái)的分析預(yù)警和災(zāi)后應(yīng)急保障體系，提高了對(duì)山體滑坡等自然災(zāi)害監(jiān)測的可靠性和預(yù)報(bào)預(yù)警的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高了整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用范圍。為多媒體智能無線傳感器技術(shù)在水質(zhì)污染、森林火災(zāi)、地震等自然災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用提供的參考。

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