基于RFID的山洪地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

引 言

隨著科技的發(fā)展，目前人們已經(jīng)可以較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)天氣、空氣質(zhì)量、河流水位等自然現(xiàn)象，但是山洪地質(zhì)災(zāi)害是局部地區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境與短期內(nèi)的降水情況相結(jié)合產(chǎn)生的，具有多發(fā)、易發(fā)、突發(fā)、破壞性大等特點(diǎn)，嚴(yán)重危害當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全，在不同的地點(diǎn)利用自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，借助軟件平臺(tái)，快速收集和準(zhǔn)確分析各類(lèi)相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，可以提前預(yù)警， 使損失減到最小。

1 RFID技術(shù)

1.1 RFID原理

當(dāng)前，自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是利用信息技術(shù)自動(dòng)獲得數(shù)據(jù)信息的一門(mén)新型技術(shù)，已經(jīng)在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。射頻識(shí)別（RFID）是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的一種識(shí)別技術(shù)，除此之外， 識(shí)別技術(shù)還有磁條識(shí)別技術(shù)、生物識(shí)別技術(shù)和條形碼識(shí)別技術(shù)等。不同的識(shí)別技術(shù)其差異主要體現(xiàn)在對(duì)識(shí)別碼的存儲(chǔ)和解析上，每種識(shí)別技術(shù)都有其自己獨(dú)有的應(yīng)用范圍。

RFID 的工作原理是：RFID 識(shí)別器利用天線與標(biāo)簽（目標(biāo)）之間無(wú)需進(jìn)行光學(xué)或機(jī)械式的接觸，主要通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)進(jìn)行識(shí)別，在讀寫(xiě)器的識(shí)讀有效范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)特定目標(biāo)后，會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)和發(fā)送發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)信息，將對(duì)數(shù)據(jù)信息的處理和判斷交給系統(tǒng)端完成。其原理如圖１所示。

1.2 RFID的選型

RFID 的種類(lèi)很多，可以根據(jù)需要應(yīng)用在不同的場(chǎng)合。影響RFID 的主要技術(shù)參數(shù)有以下幾種：

(1) 工作頻率，主要決定了 RFID的應(yīng)用范圍、成本和可行性。

(2) 作用距離，主要決定寫(xiě)讀器與目標(biāo)之間的有效距離。

(3) 安全性，主要指讀寫(xiě)器的身份識(shí)別和數(shù)據(jù)加密。

(4) 識(shí)別能力，在有效的范圍內(nèi)，對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和判斷能力。

對(duì)于山洪地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)預(yù)警來(lái)說(shuō)，RFID 設(shè)備的選型，應(yīng)該具有以下幾個(gè)具體要求：

(1) 由于設(shè)備需要安裝在戶外，能夠適應(yīng)該地區(qū)天氣溫度和濕度的變化，可以在極端惡劣的自然天氣下正常工作。

(2) 為了提高識(shí)讀性，監(jiān)測(cè)目標(biāo)與寫(xiě)讀器之間要留有一定的距離。另外，設(shè)備安裝在戶外的山體中，為了避免被動(dòng)物或山洪破壞，在確保有效距離的同時(shí)，需要對(duì)讀寫(xiě)器采用一定保護(hù)措施。

(3) 山體中可以在任何地方出現(xiàn)山洪地質(zhì)災(zāi)害，需要對(duì)多目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此寫(xiě)讀器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量要足夠大。

根據(jù)山洪地質(zhì)災(zāi)害的需要，可以在不同地段安裝RFID 識(shí)別設(shè)備，本文根據(jù)實(shí)際需求，采用NRF24LE1 型號(hào)，工作頻率為 2.4 GHz，識(shí)別距離可達(dá) 90 米，最大傳輸速率可達(dá)到Mb/s，采用 GFSK調(diào)制模式，可以同時(shí)識(shí)別 200個(gè)以上目標(biāo)。

2 山洪地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

山洪地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要遵循一定的原則，在此原則上進(jìn)行系統(tǒng)的研發(fā)，提高系統(tǒng)的最大利用率。其原則主要有：

(1) 堅(jiān)持以人為本的根本原則，將人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全考慮放在第一位。在山洪易發(fā)地區(qū)，一般情況下，人口相對(duì)比較集中居住在平地上，山洪地質(zhì)災(zāi)害可能在極短時(shí)間內(nèi)造成巨大損害。預(yù)警系統(tǒng)要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)預(yù)警、快速轉(zhuǎn)移， 使損害降至最低。

(2) 堅(jiān)持以科學(xué)依據(jù)為準(zhǔn)繩。要結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況， 與水利部門(mén)、地質(zhì)部門(mén)進(jìn)行詳細(xì)的溝通，借助當(dāng)前氣象、水利測(cè)量設(shè)備，以其他地區(qū)成功的案例為借鑒，不斷總結(jié)完善山洪預(yù)警系統(tǒng)。

(3) 堅(jiān)持設(shè)計(jì)規(guī)范化。山洪地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)不是一蹴而就的工程，而是不斷完善、不斷細(xì)化的系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)中， 無(wú)論是硬件設(shè)備的選擇、軟件開(kāi)發(fā)，還是通信協(xié)議，都要嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)定要求，這樣即有利于系統(tǒng)的維護(hù)，又可以在此基礎(chǔ)上對(duì)工程進(jìn)行升級(jí)和更新，使之具有更為強(qiáng)大的功能。

2.2 水雨情監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)雨情和水情要與山洪地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的實(shí)際地理、地質(zhì)特點(diǎn)相結(jié)合，對(duì)于信息的收集一方面要依靠當(dāng)?shù)赜炅孔詣?dòng)站、氣象部門(mén)等，另外要充分發(fā)揮 RFID 設(shè)備的作用，當(dāng)前地方上常用的水雨情測(cè)量有：

(1) 自動(dòng)水位站

自 動(dòng)水位站是在無(wú)需人員控制的情況下，將河水的水位情況通過(guò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)姆绞浇o服務(wù)器，是山洪預(yù)警的第一手資料。

(2) 自動(dòng)雨量站

自動(dòng)雨量站也是在無(wú)人值守的情況下，自動(dòng)將采集的雨量信息實(shí)時(shí)傳遞給服務(wù)器，采用上報(bào)——確認(rèn)的方式。

(3) 氣象站

氣象站作為整個(gè)地區(qū)氣象的管理監(jiān)測(cè)中心，人工、自動(dòng)兩種方式對(duì)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向、雨量、溫度等進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，為預(yù)警工作提供最可靠的資料。

2.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)我國(guó)山洪地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的分析，大部分集中在山區(qū)， 結(jié)合山洪和泥石流發(fā)生時(shí)伴隨的自然現(xiàn)象，預(yù)警系統(tǒng)要與當(dāng)?shù)氐乃块T(mén)和氣象部門(mén)的信息充分共享，另外要能夠?qū)崟r(shí)接收RFID 所傳送的數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

如圖 2 所示，整個(gè)系統(tǒng)分為雨水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)， 其中雨水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)水雨信息的監(jiān)測(cè)，主要來(lái)源于氣象部門(mén)和RFID 兩部分，將測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線傳輸兩個(gè)渠道實(shí)時(shí)傳輸給預(yù)警系統(tǒng)，以確保數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和無(wú)差錯(cuò)。預(yù)警系統(tǒng)主要是對(duì)信息的匯總和查詢，能夠第一時(shí)間對(duì)所收集的信息進(jìn)行分析，假如出現(xiàn)危險(xiǎn)的情況， 能夠在第一時(shí)間向有關(guān)部門(mén)和人員發(fā)出明顯的警報(bào)，確保危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的人身安全。

根據(jù)總體設(shè)計(jì)，將整個(gè)山洪地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)劃為以下幾個(gè)功能模塊，具體如圖 3 所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文的系統(tǒng)采用 B/S 和 C/S 相結(jié)合的模式，對(duì)于信息的 發(fā)布和查詢采用 B/S 模式，而對(duì)于信息的采集和存儲(chǔ)采用 C/S 模式。

在本文中，對(duì)于信息的采集至關(guān)重要，由于采用無(wú)線和 有線兩種通道同時(shí)傳輸，信息的發(fā)送和接收，特別是 RFID 設(shè) 備與計(jì)算機(jī)之間的兼容，要采用統(tǒng)一的協(xié)議進(jìn)行傳輸，其 IP 地址和端口要保持一致。其核心代碼如下：

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)山洪地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行研究，由于 山洪地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性和破壞性非常大，對(duì)民眾的危害無(wú)法 估計(jì)，建立強(qiáng)大的預(yù)警系統(tǒng)可以有效地降低損失。本文對(duì)系 統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和部分實(shí)現(xiàn)代碼進(jìn)行了分析，但由于篇幅所限， 對(duì)于 RFID 的選擇、核心模塊的具體實(shí)現(xiàn)沒(méi)有給出，希望大家 共同交流。