一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的災害預警系統(tǒng)設(shè)計

摘 要： 針對當前山體滑坡及泥石流災害監(jiān)測預警系統(tǒng)成本高、實施困難、準確度不足等問題，提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡及泥石流災害預警應急系統(tǒng)設(shè)計方案。方案綜合傳感器、嵌入式計算、無線通信等技術(shù)，利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實時采集降雨量、土壤含水率、位移量、傾斜角度以及溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送至遠程監(jiān)控中心，由遠程監(jiān)控軟件對有效數(shù)據(jù)進行分析處理，根據(jù)綜合預警判斷模型得到災害預警等級，發(fā)出不同報警信息。在此詳細介紹了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計方法，通過實物搭建和實驗分析驗證了方案的可行性，經(jīng)測試，系統(tǒng)部署方便快速、穩(wěn)定性好，能夠減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

關(guān)鍵詞： 滑坡及泥石流監(jiān)測； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； ZigBee； 預警

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）24?0072?04

Design of disaster early?warning system based on wireless sensor network

SU Wenli1， YE Sheng2

（1. School of Computer and Information Science， Zunyi Normal College， Zunyi 563002， China；

2. Management Center of Modern Technology and Equipment， Zunyi Normal College， Zunyi 563002， China）

Abstract： For the problems of high cost， difficult implementation and low accuracy of the current disaster monitoring and early?warning system for landslide and debris flow， a design scheme of the early?warning system based on wireless sensor network （WSN） is proposed. The scheme is integrated with the technologies of the sensor， embedded computing and wireless communication， in which ZigBee wireless sensor network is adopted to acquire the real?time environmental data of rainfall capacity， soil moisture content， displacement， tilt angle and humidity in real?time， and then the data is send to the remote monitoring center through GPRS gateway node， in which the valid data is analyzed and processed. According to the comprehensive early?warning judgment model， the early?warning levels are obtained， and the different warning information is sent out. The architecture and design methods of software and hardware are introduced in detail. The feasibility of the scheme was verified by physical structure and experiment analysis. The testing results indicate that the system can be deployed quickly and conveniently， has great stability， and can reduce the casualties and property loss.

Keywords： landslide and debris flow monitoring； wireless sensor network； ZigBee； early?warning

0 引 言

貴州省地處我國西南地區(qū)，喀斯特地貌廣布，省內(nèi)可溶巖地層出露面積占國土總面積的61.9%，地表破碎[1]，是國內(nèi)地質(zhì)災害重災區(qū)之一，災害種類全、數(shù)量多、分布廣、影響大、損失重。其中，山體滑坡及泥石流災害所占比例高達75%以上，并以其突發(fā)性、隨機性以及短時間內(nèi)能造成巨大損失的特點，直接危害人民群眾的生命財產(chǎn)安全，影響正常的生產(chǎn)生活，制約了省內(nèi)生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。目前國內(nèi)外對于山體滑坡及泥石流災害的監(jiān)測方式主要包括有線和無線兩大類。有線方式多受監(jiān)測區(qū)域地理條件的限制，系統(tǒng)部署困難、維護不便。無線方式中，近景攝影測量法監(jiān)測精度低，易受天氣等因素的影響[2]；GPS監(jiān)測法精度高、全自動，但成本高、動態(tài)性較差，在高精度測量要求下，每組數(shù)據(jù)測量的時間較長，需要幾十分鐘甚至更長時間[3]；RS技術(shù)監(jiān)測范圍廣，但快速、實時性較差。除此之外，受地理位置、經(jīng)濟因素、技術(shù)條件等限制，省內(nèi)部分災害多發(fā)地對地質(zhì)災害的監(jiān)測仍主要依賴于天氣預報發(fā)布的災害預警，采用人工進行群測群防，實時性、精確性、針對性不強。因此需要研究新的方法對災害多發(fā)區(qū)域進行監(jiān)測預警。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種自組織、多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由布放在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器通過無線通信的方式構(gòu)成，能夠?qū)ΡO(jiān)測區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)進行實時采集、融合處理，并發(fā)送給觀察者。WSN成本低、能耗低、部署方便、可靠性高、有較強的抗破壞力，能夠在無人為干預的情況下對各種復雜多變的環(huán)境進行采集、處理和傳輸。

本文針對貴州省多發(fā)地質(zhì)災害中的山體滑坡和泥石流，搭建基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的災害監(jiān)測預警應急系統(tǒng)，結(jié)合GPRS通信技術(shù)，實現(xiàn)對突發(fā)災害的遠程實時監(jiān)控與預報，以期最大限度減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。在此基礎(chǔ)上，還將通過對局部重點區(qū)域的長期觀測，為山體滑坡和泥石流災害的研究以及地質(zhì)災害預警機制的制定提供數(shù)據(jù)支持與技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 預警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，整個預警系統(tǒng)由三部分組成：首先是由監(jiān)控節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)；其次是由網(wǎng)關(guān)節(jié)點構(gòu)成的匯聚網(wǎng)關(guān)層；最后是遠程監(jiān)控及預警中心。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采集用于精確預警的實時有效環(huán)境信息?；履嗍鳛暮Χ喟l(fā)的原因，除了地質(zhì)構(gòu)造復雜、地貌類型多變、地勢起伏大等自然條件，第一誘因就是大氣降水，包括連續(xù)降雨及局部暴雨[4]。

針對貴州省實際情況，主要監(jiān)測參數(shù)包括連續(xù)降雨量、實時降雨量、土壤含水率、位移量、傾斜角度以及外部環(huán)境（溫度、濕度）等[5?7]。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布放的監(jiān)控節(jié)點，根據(jù)一定的頻率采集以上監(jiān)測信息，通過節(jié)點間無線多跳通信匯聚至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點的 GPRS 模塊發(fā)送至遠程監(jiān)控及預警中心。遠程監(jiān)控中心對接收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲，結(jié)合綜合預警模型以及專業(yè)人士的判斷，實現(xiàn)對滑坡及泥石流災害的有效監(jiān)控與實時準確預警。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方案

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)控節(jié)點采用基于網(wǎng)格的部署法，即將監(jiān)控區(qū)域按矩形劃分，矩形大小在監(jiān)測節(jié)點良好、有效覆蓋范圍之內(nèi)，通過前期調(diào)研、現(xiàn)場勘查、地形測繪和土壤測試等方法選定每個矩形區(qū)域范圍內(nèi)具有代表性、敏感度較高的若干位置布設(shè)傳感器監(jiān)測節(jié)點。另外，為保證監(jiān)測的精度及全面性，監(jiān)控節(jié)點不僅分布在災害體表面，還需在災害體內(nèi)部署必要數(shù)量的監(jiān)控節(jié)點。結(jié)合所選用傳感器類型，雨量傳感器、溫濕度傳感器等應置于災害體表面，土壤水分傳感器、加速度傳感器等應置于災害體內(nèi)不同深度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 監(jiān)控節(jié)點設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控節(jié)點由采集模塊、處理器及無線通信模塊、電源模塊組成，如圖2所示。

圖2 監(jiān)控節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

采集模塊：采用三軸加速度傳感器ADXL345、SMS?II?485土壤水分傳感器、US?100超聲波傳感器以及DS18B20溫度傳感器、DHT11濕度傳感器分別對災害體傾斜角度、土壤含水率、位移量以及溫濕度等環(huán)境參數(shù)進行采集，與CC2530的連接接口依次為I2C、RS485、UART以及I2C。

處理器及無線通信模塊：監(jiān)控節(jié)點核心采用了Ti公司生產(chǎn)的CC2530芯片，其整合了微控制器和RF射頻芯片，使用增強型8051內(nèi)核，具有256 KB FLASH和8 KB RAM，能夠在各種方式下保持數(shù)據(jù)，支持硬件調(diào)試；具有多種運行模式，不同運行模式間能迅速轉(zhuǎn)換，功率消耗低，性能優(yōu)良，功能強大。

電源模塊：采用電池供電，集成了穩(wěn)壓器AMS1117?3.3和濾波電容，輸出電壓為 3.3 V。

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點建立、管理、維護網(wǎng)絡(luò)以及遠程傳輸數(shù)據(jù)，主要包括處理器及無線通信模塊、雨量傳感器、GPRS 模塊以及電源模塊。其中，處理器及無線通信模塊硬件電路設(shè)計參考監(jiān)控節(jié)點相應模塊。由于強降雨與滑坡泥石流災害有最直接聯(lián)系，會在強降雨的當天或第二天造成突發(fā)性災害[6]，這需要配置雨量傳感器長時間對監(jiān)控區(qū)域進行實時監(jiān)測，因其耗電量較大，并且監(jiān)控區(qū)域具有一定連續(xù)性，所以僅在網(wǎng)關(guān)節(jié)點配置一個雨量傳感器即可。系統(tǒng)采用華控興業(yè)翻斗式雨量傳感器。GPRS模塊采用Simcom公司生產(chǎn)的SIM900A模組，該芯片尺寸小、功耗低，睡眠模式低于2 mA，適用頻帶寬，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸，電源模塊對 GPRS 模塊提供 4.2 V 工作電壓。網(wǎng)關(guān)節(jié)點需始終處于工作狀態(tài)，以保持網(wǎng)絡(luò)的通信，目前采用外部電源進行供電，一般將其部署在監(jiān)測區(qū)域移動網(wǎng)絡(luò)信號較好的位置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)控節(jié)點軟件設(shè)計

監(jiān)控節(jié)點屬于精簡功能節(jié)點，是無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集節(jié)點，節(jié)點通電后，首先進行硬件和ZigBee協(xié)議棧初始化，然后申請加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)，將按規(guī)定頻率向網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，其余時間處于睡眠狀態(tài)。

監(jiān)控節(jié)點的各個傳感器采集頻率受到網(wǎng)關(guān)節(jié)點雨量傳感器所監(jiān)測降雨量的控制。網(wǎng)關(guān)節(jié)點雨量傳感器持續(xù)監(jiān)測實時降雨量，并通過GPRS網(wǎng)關(guān)將降雨量傳至遠程監(jiān)控中心，在降雨量正常的情況下，土壤水分傳感器、加速度傳感器、超聲波傳感器以及溫濕度傳感器根據(jù)遠程監(jiān)控中心所設(shè)置的頻率工作，一般以雨季旱季進行區(qū)分，即雨季（5—9月）[4] 2～8 h一次和旱季12～24 h一次的頻率采集相關(guān)信息，再經(jīng)由多跳路由對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)，最終通過GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送到遠程監(jiān)控中心。一旦網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)現(xiàn)雨量傳感器記錄的降雨量超過閾值，則通知監(jiān)控節(jié)點，此時無論雨季旱季，各個傳感器均以1～5 s一次的頻率采集數(shù)據(jù)。

通過這樣的工作方式，可以延長節(jié)點的工作時間，減少無效數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。為了進一步減少節(jié)點能耗，也可設(shè)置相關(guān)閾值，采集數(shù)據(jù)需超過各傳感器參數(shù)閾值才由監(jiān)控節(jié)點的無線通信模塊進行轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)點主程序流程如圖3所示。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作方式

GPRS 網(wǎng)絡(luò)分布廣泛，我國城鄉(xiāng)各地幾乎完全實現(xiàn)了 GPRS 網(wǎng)絡(luò)信號的覆蓋，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采集的環(huán)境信息能夠通過GPRS實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程可靠傳輸。網(wǎng)關(guān)節(jié)點GPRS模塊與CC2530采用串口通信，通過AT指令實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接及數(shù)據(jù)收發(fā)。連接GPRS網(wǎng)絡(luò)前，首先需通過串口向SIM900A發(fā)送“AT”，測試模塊是否正常工作，接收到返回的“OK”則連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，被分配一個隨機臨時的IP地址及端口，進行數(shù)據(jù)傳送。

圖3 監(jiān)控節(jié)點主程序流程圖

3.3 遠程監(jiān)控中心軟件設(shè)計

遠程監(jiān)控中心接收由網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳送的大量監(jiān)控數(shù)據(jù)，提取存儲并分析處理其中的有效信息，根據(jù)綜合預警判斷模型得到災害預警等級，并根據(jù)不同等級發(fā)出相應程度報警信息。除此之外，還能實現(xiàn)對節(jié)點實時監(jiān)控數(shù)據(jù)可視化顯示，歷史數(shù)據(jù)查詢，系統(tǒng)設(shè)置等若干功能。通過以上功能分析，系統(tǒng)監(jiān)控預警軟件部分各功能模塊如圖4所示，軟件基于B/S結(jié)構(gòu)，采用C#實現(xiàn)。

圖4 監(jiān)控預警軟件功能模塊圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試選在某小區(qū)背后小山斜坡上，現(xiàn)場布置由多個監(jiān)控節(jié)點及網(wǎng)關(guān)節(jié)點構(gòu)成的傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控節(jié)點及網(wǎng)關(guān)節(jié)點實物如圖5所示。開始實驗時，因測試時間為雨季，系統(tǒng)以2 h為周期采集監(jiān)控數(shù)據(jù)；當通過人工降水使降雨量達到18 mm時（大于降水量閾值10 mm），系統(tǒng)加快采集頻率，以3 s為周期采集傾斜角度、土壤含水率、位移量以及溫濕度，若采集數(shù)據(jù)超過閾值則經(jīng)GRPS網(wǎng)絡(luò)傳送至遠程監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進行分析。如圖6所示，實驗過程中，人為使節(jié)點B處于滑坡臨界狀態(tài)，通過綜合預警模型分析，節(jié)點B發(fā)出橙色預警，其他節(jié)點處于正常狀態(tài)。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)ΡO(jiān)控區(qū)域進行實時數(shù)據(jù)采集并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化及時預警，性能穩(wěn)定，運行良好。

圖5 監(jiān)控節(jié)點及網(wǎng)關(guān)節(jié)點實物

5 結(jié) 語

將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應用于山體滑坡與泥石流災害監(jiān)測與預警，具有傳統(tǒng)技術(shù)所不具備的優(yōu)勢，比如無需基礎(chǔ)設(shè)施、部署方便、易擴展、自組織、造價低、實時性強等。基于此，本文提出了利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行滑坡及泥石流災害預警應急系統(tǒng)的設(shè)計方案，給出了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及硬件組成與軟件設(shè)計方法，經(jīng)實測，達到了預期效果，具有實際應用價值，能夠為貴州省乃至全國范圍內(nèi)災害預警提供有益借鑒。

圖6 遠程預警系統(tǒng)報警界面

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