利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)能力

2008年5月12日，發(fā)生在中國(guó)四川省汶川地區(qū)的8級(jí)特大?震災(zāi)害，牽動(dòng)了每一個(gè)中華兒女的心。地震災(zāi)害給汶川人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損傷，6萬(wàn)多鮮活的生命離開(kāi)了我們，無(wú)數(shù)棟房屋變成瓦礫，學(xué)校停課，工廠停工，地震造成的傷痕可能需要中國(guó)人民花費(fèi)十?dāng)?shù)年的時(shí)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(xiàn)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(wù)于無(wú)線傳感器行業(yè)多年，對(duì)其技術(shù)及應(yīng)用小有心得。在將多年與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)項(xiàng)目整理之后，終于有此篇文章問(wèn)世。

技術(shù)概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)誕生于上世紀(jì)90年代末，最初是美國(guó)軍方提出用以進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的新技術(shù)，將大量的廉價(jià)傳感器節(jié)點(diǎn)遍布指定區(qū)域，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)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(huì)盡收觀察者的眼中了。

       該計(jì)劃由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校承擔(dān)研究任務(wù)，在初期產(chǎn)品完成后由美國(guó)Crossbow科技公司負(fù)責(zé)民用推廣。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，其最明顯的特色可以用六個(gè)字來(lái)概括，即“自組織，自愈合”。自組織是指在無(wú)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)，其各個(gè)節(jié)點(diǎn)在部署之后可以自動(dòng)探測(cè)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(gè)過(guò)程不需人為干預(yù)。同時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)靈活性，在任何節(jié)點(diǎn)損壞，或加入新節(jié)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)都可以自動(dòng)調(diào)節(jié)路由，隨時(shí)適應(yīng)物理網(wǎng)絡(luò)的變化。這就是所謂的自愈合特性。

這些特點(diǎn)使得無(wú)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(cè)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(duì)余震、山體滑坡、堰塞湖等進(jìn)行檢測(cè)，效率低下，且缺乏量化數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析預(yù)測(cè)。如果在災(zāi)區(qū)部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就能有效解決這一問(wèn)題。無(wú)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(hào)電池大小，電池供電可以保證數(shù)月工作時(shí)間，不需現(xiàn)場(chǎng)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(cè)并預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)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(guó)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(huì)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(duì)居民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的威脅。

過(guò)去數(shù)十年內(nèi)在某些極其危險(xiǎn)地域發(fā)生了多次山體滑坡現(xiàn)象，因此政府部門(mén)試圖部署一種靈活穩(wěn)定的系統(tǒng)對(duì)山體滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警。政府部門(mén)嘗試部署過(guò)多套有線方式的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，但是由于監(jiān)測(cè)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(lái)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(zhuān)人定時(shí)前往監(jiān)測(cè)點(diǎn)下載數(shù)據(jù)，系統(tǒng)得不到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，靈活性較差。

Crossbow在與地理監(jiān)測(cè)專(zhuān)家進(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(zhuān)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測(cè)方案。山體滑坡的監(jiān)測(cè)主要依靠?jī)煞N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(xiǎn)的區(qū)域，將會(huì)沿著山勢(shì)走向豎直設(shè)置多個(gè)孔洞，如圖所示。

每個(gè)孔洞都會(huì)在最下端部署一個(gè)液位傳感器，在不同深度部署數(shù)個(gè)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，因此地下水位深度是顯示山體滑坡危險(xiǎn)度的第一指標(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(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

通過(guò)傾角傳感器我們可以監(jiān)測(cè)山體的運(yùn)動(dòng)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(gòu)成和侵蝕程度不同，其運(yùn)動(dòng)速度不同。發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)我們部署在不同深度的傾角傳感器將會(huì)返回不同的傾角數(shù)據(jù)。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)獲取到各個(gè)傾角傳感器的數(shù)據(jù)后，通過(guò)數(shù)據(jù)融合處理，專(zhuān)業(yè)人員就可以據(jù)此判斷出山體滑坡的趨勢(shì)和強(qiáng)度，并判斷其威脅性大小。

山體滑坡在地震之后的災(zāi)區(qū)隨處可見(jiàn)，尤其是交通要道兩側(cè)的山體滑坡對(duì)救援進(jìn)度更是會(huì)造成巨大的威脅，相信無(wú)數(shù)人仍然記得在聽(tīng)到理縣到汶川的生命線在打通后不到一天的時(shí)間就又因山體滑坡而中斷時(shí)那揪心的感覺(jué)。

2.地震監(jiān)測(cè)

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。因此安置在地表的振動(dòng)傳感器可以用來(lái)檢測(cè)地震的發(fā)生和強(qiáng)度。四川汶川的地震強(qiáng)度8級(jí)，以及后續(xù)的各次余震都是通過(guò)地震局匯聚部署在各地的振動(dòng)傳感器信息，再還原為地震中心點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)得出的。

當(dāng)然，地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由于部署地點(diǎn)確定，使用有線監(jiān)測(cè)方式是較為合適的選擇。但是在應(yīng)急情況下，可以隨時(shí)部署獲取數(shù)據(jù)的無(wú)線地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)也具有相當(dāng)?shù)囊饬x。比如在地震之后用以監(jiān)測(cè)余震的發(fā)生，機(jī)械波的傳遞遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于無(wú)線電波，因此可以搶出寶貴的幾分鐘預(yù)警時(shí)間給救援人員后撤。

美國(guó)哈佛大學(xué)在去年部署了一套類(lèi)似的應(yīng)急地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要部署在火山地區(qū)用來(lái)監(jiān)測(cè)因火山爆發(fā)而導(dǎo)致的地震信息。系統(tǒng)采用TelosB無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，搭載24位ADC用以監(jiān)測(cè)MEMS加速度計(jì)傳送的微弱振動(dòng)信息。節(jié)點(diǎn)以火山口為中心徑向部署，間隔數(shù)百米部署一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在部署完畢后可以監(jiān)測(cè)出地震沿徑向傳播各點(diǎn)的振動(dòng)信息。

類(lèi)似的系統(tǒng)在余震監(jiān)測(cè)和震后應(yīng)急補(bǔ)充部署時(shí)將具有重要的意義。中國(guó)地震局、哈爾濱工程力學(xué)研究所、中國(guó)臺(tái)灣地震研究中心在近年都開(kāi)始進(jìn)行類(lèi)似項(xiàng)目的研究。期待在不遠(yuǎn)的將來(lái)能有類(lèi)似裝備問(wèn)世。

3.建筑物健康監(jiān)測(cè)

在地震中，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成最大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，北京地區(qū)也有震感，高層寫(xiě)字樓均有晃動(dòng)，大量人員有不適感，但直至通過(guò)廣播、網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)地震發(fā)生后，寫(xiě)字樓人員方開(kāi)始撤離。如果震中在北京附近，這幾分鐘的遲疑就會(huì)帶來(lái)高層寫(xiě)字樓數(shù)千生命的消逝，而北京至少擁有數(shù)百棟高層寫(xiě)字樓。

加速度計(jì)依然是監(jiān)測(cè)建筑物的最簡(jiǎn)單有效方式。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校在Cross－bow的協(xié)助下對(duì)舊金山金門(mén)大橋部署過(guò)建筑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其本意是用來(lái)檢測(cè)橋體在風(fēng)力作用下的各個(gè)關(guān)鍵受力點(diǎn)的振動(dòng)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(duì)性的修補(bǔ)。

橋體和高層建筑有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是建筑結(jié)構(gòu)及其敏感，因此其前端的測(cè)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(wú)線技術(shù)，特別是不需供電的低功耗無(wú)線技術(shù)，在解決建筑物健康監(jiān)測(cè)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(wú)線能力，體積較為小巧，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)一經(jīng)部署不需要頻繁更換。省去了復(fù)雜耗時(shí)的布線操作，只要打開(kāi)節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)，位于建筑物監(jiān)控中心的接收終端就可以實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，與建筑報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)后，一旦探測(cè)到可能威脅到建筑物的震動(dòng)信息，立即發(fā)出報(bào)警通知建筑物內(nèi)人員撤離。平時(shí)該系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)還可以用來(lái)監(jiān)測(cè)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(guó)內(nèi)與哈爾濱工程大學(xué)歐進(jìn)萍院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，專(zhuān)門(mén)針對(duì)建筑物健康監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究。相關(guān)研究成果已經(jīng)在國(guó)內(nèi)數(shù)座橋梁的維護(hù)工作中得到應(yīng)用。Crossbow也推出過(guò)提供全套源代碼的入門(mén)級(jí)振動(dòng)套件，支持六個(gè)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(guò)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一個(gè)參考設(shè)計(jì)。

問(wèn)題與解決方案 

1. 通信距離

在將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用野外時(shí)最大問(wèn)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)行香港項(xiàng)目(環(huán)境非常類(lèi)似山區(qū)，人跡罕至，高達(dá)一人高的野草和大量樹(shù)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(huì)對(duì)無(wú)線信號(hào)產(chǎn)生衰減。433MHz由于其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，因此繞射性能較好，在雨中具有較好的表現(xiàn)。2.4GHz由于波長(zhǎng)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(shí)間應(yīng)該在50％以下。因此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2.4GHz的商用設(shè)備如WiFi，BlueTooth多為短距設(shè)備，因此2.4GHz頻段較為干凈，干擾較少。400MHz與900MHz的干擾則相對(duì)較多。在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，大量使用的單兵電臺(tái)，步話機(jī)等及其容易造成相互干擾。從避免干擾的角度來(lái)說(shuō)，2.4G是較佳的選擇。

盡管2.4GHz具有相對(duì)較好的表現(xiàn)，重植被和降雨仍然會(huì)對(duì)無(wú)線信號(hào)產(chǎn)生較大的衰減。Crossbow在2007年最新推出了IRIS 節(jié)點(diǎn)，由于采用了全新的AT1281＋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(shí)其功耗反而得到一定降低。
 

由上圖可見(jiàn)，在北京后海地區(qū)進(jìn)行的湖面環(huán)境測(cè)試時(shí)，該節(jié)點(diǎn)達(dá)到了一公里的通信距離。在換裝5dBi增益天線后，IRIS節(jié)點(diǎn)在北京二環(huán)路上下班高峰時(shí)期的車(chē)輛密集情況下也達(dá)到了500米的通信距離。而其功耗相對(duì)原有的MicaZ節(jié)點(diǎn)降低了1/3左右。

2. 能源消耗

每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)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與中科院遙感所聯(lián)合開(kāi)發(fā)的用以南極科考的氣象探測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在零下80度時(shí)還可保持長(zhǎng)達(dá)一年的工作時(shí)間。

電池的電壓隨時(shí)被監(jiān)控，一旦電壓過(guò)低，節(jié)點(diǎn)會(huì)將電壓數(shù)據(jù)發(fā)至基站。這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送成功后，節(jié)點(diǎn)會(huì)處于深度睡眠模式，管理者在獲致了某個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓過(guò)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(gè)節(jié)點(diǎn)被重新?lián)Q上新電池后將自動(dòng)正常工作。

3. 可靠通信

無(wú)線通信都存在一定的數(shù)據(jù)丟失率，在用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，丟失一次采集信息并不會(huì)對(duì)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(cè)中時(shí)，它所傳遞的信息關(guān)系重大，一旦丟失所造成影響及其嚴(yán)重。End to End的ACK提供了端到端的發(fā)送信息確認(rèn)，專(zhuān)門(mén)用以發(fā)送類(lèi)似的關(guān)心數(shù)據(jù)包，在該模式下每個(gè)數(shù)據(jù)包在經(jīng)過(guò)多跳傳輸?shù)竭_(dá)目的節(jié)點(diǎn)后，目的節(jié)點(diǎn)會(huì)立刻回傳一個(gè)ACK數(shù)據(jù)包，發(fā)送端在經(jīng)過(guò)確定時(shí)間延時(shí)(根據(jù)路由表跳數(shù)確定)沒(méi)有收到ACK數(shù)據(jù)包，會(huì)立刻重新發(fā)送，重復(fù)該過(guò)程直到數(shù)據(jù)包安全到達(dá)目的地。

總結(jié) 

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)較新的技術(shù)，以其特有的能力可以解決日常生活中很多問(wèn)題，本文結(jié)合作者專(zhuān)業(yè)所及為汶川大地震類(lèi)似的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供一種采用新技術(shù)來(lái)提高監(jiān)測(cè)能力的設(shè)想。但是從設(shè)想到實(shí)現(xiàn)中間還會(huì)有相當(dāng)長(zhǎng)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(duì)中國(guó)數(shù)量龐大的軟件和嵌入式開(kāi)發(fā)人員而言，熟悉和了解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的工程人員在中國(guó)仍然屈指可數(shù)。從軟件角度而言，在為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)編寫(xiě)程序時(shí)，必須從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)全局考慮，類(lèi)似于把線程的概念擴(kuò)展到成百上千個(gè)CPU之上，彼此配合來(lái)完成特定的工作。從硬件角度而言，設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，必須考慮外部電路的低功耗設(shè)計(jì)，與手機(jī)，MP3等一天到幾天的工作時(shí)間相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)路必須要考慮的是靠有限的電池工作數(shù)月乃至數(shù)年的時(shí)間。