基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測(cè)解決方案

在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域，往往需要長(zhǎng)時(shí)間、大范圍、多通道的數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)。而在野外環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，由于環(huán)境條件的特殊情況，經(jīng)常使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因?yàn)?a target="_blank">電源、長(zhǎng)距離布線等因素的存在而難以有效部署。而無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其低功耗、自組織路由、無(wú)需布線等特性，特別適合于工業(yè)領(lǐng)域的野外測(cè)量。

本文將介紹一個(gè)部署在我國(guó)南部某沿海城市的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)案例，該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)少量修改后可以滿足許多工業(yè)測(cè)量的需求。

該城市存在大量山地地貌，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。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，容易發(fā)生山體滑坡，對(duì)居民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大的威脅。

當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)嘗試部署過(guò)多套有線方式的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)以對(duì)山體滑坡進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，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。

對(duì)此，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公司提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測(cè)全套無(wú)線解決方案。

1 基本測(cè)量原理

山體滑坡的監(jiān)測(cè)主要依靠?jī)煞N傳感器的作用：液位傳感器和傾角傳感器。在山體容易發(fā)生危險(xiǎn)的區(qū)域，沿著山勢(shì)走向豎直設(shè)置多個(gè)孔洞，如圖1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標(biāo)識(shí)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)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)，如圖2所示。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。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖3所示，Crossbow用于此項(xiàng)目的產(chǎn)品包括新型Mote節(jié)點(diǎn)IRIS、MDA300數(shù)據(jù)采集板、Stargate基站；MoteWorksTM軟件環(huán)境包括Xmesh協(xié)議棧（IEEE802.15.4兼容）、Xserver中間件及MoteWeb可視化管理平臺(tái)。

傳感器節(jié)點(diǎn)探測(cè)出的數(shù)據(jù)通過(guò)Xmesh無(wú)線多跳自組的網(wǎng)絡(luò)傳輸給基站，或通過(guò)中繼Mote傳輸給基站。Mote是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本節(jié)點(diǎn)，由處理器和RF芯片組成，它的體積較小，所以稱(chēng)之為“塵埃（Mote）”。基站則是用來(lái)溝通無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與已有的IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

基站將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">中心服務(wù)器，通過(guò)Xserver中間件解析后，用戶可以通過(guò)IT系統(tǒng)應(yīng)用軟件進(jìn)行監(jiān)控；同時(shí)數(shù)據(jù)接口完全兼容于客戶的原有信息管理系統(tǒng)，用戶能夠靈活地將新的傳感器數(shù)據(jù)加入原有的信息管理系統(tǒng)，從而通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控物理世界信息。

在實(shí)際部署時(shí)，Crossbow采用了分層網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。每個(gè)目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)子網(wǎng)，子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)依靠Xmesh無(wú)線多跳自組織協(xié)議，通過(guò)多跳的方式把數(shù)據(jù)傳遞給Stargate基站?；驹谶M(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離把數(shù)據(jù)發(fā)送回中心服務(wù)器，如圖4所示。

每個(gè)目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域大概由10～20個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成（依具體情況有所調(diào)整），整個(gè)項(xiàng)目由數(shù)個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域構(gòu)成，由于Crossbow的Xserver中間件服務(wù)器的強(qiáng)大功能，系統(tǒng)構(gòu)成靈活可調(diào)（包括子網(wǎng)數(shù)目和網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)目）。相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離約為20～100m，數(shù)據(jù)采集間隔也可以由中心服務(wù)器靈活控制，在旱季可以調(diào)整為每24小時(shí)采集并傳遞一次數(shù)據(jù)，從而節(jié)省能量并避免大量的冗余數(shù)據(jù)。而在雨季危險(xiǎn)期，其采集間隔可以密集至2分鐘一次，從而保證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能。

系統(tǒng)支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，所有數(shù)據(jù)匯集到基站，連接至上層IT系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，方便管理和查詢(xún)。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包含液位傳感器與傾角傳感器元件、IRIS無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、MDA300數(shù)據(jù)采集板和電池組。

MDA300提供8個(gè)ADC通道、8個(gè)數(shù)字通道以及I2C接口用于外接各類(lèi)傳感器。在本項(xiàng)目中傾角傳感器電壓輸出為0~5V，通過(guò)MDA300預(yù)留的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)很容易接至MDA300提供的0~2.5V ADC接口。液位傳感器則為4~20mA電流輸出，通過(guò)外接電池組模擬理想電壓源，再使用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)124？贅電阻即可將4～20mA轉(zhuǎn)換為ADC可以采集的0~2.5V電壓信號(hào)。

MDA300被配置為1個(gè)液位傳感器通道和6個(gè)傾角傳感器通道。

2.2 中繼Mote

中繼Mote的硬件結(jié)構(gòu)和Mote完全一樣，只是沒(méi)有連接傳感器。與普通Mote不同，中繼Mote不是由電池供電，而是通過(guò)有線形式供電，始終保持在工作狀態(tài)來(lái)保證全網(wǎng)的通信效率。中繼Mote將來(lái)自節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)Mesh網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交尽．?dāng)一個(gè)Mote出現(xiàn)故障，與之相關(guān)的其他Mote會(huì)自動(dòng)重新選擇路由。在這個(gè)Mote的故障排除后，會(huì)重新加入到Mesh網(wǎng)絡(luò)中繼續(xù)工作。

2.3 基站

基站由一個(gè)Stargate網(wǎng)關(guān)和一個(gè)Mote組成。Stargate網(wǎng)關(guān)包含Intel PXA255主處理器、Intel SA1111協(xié)處理器、64MB RAM、32MB FLASH以及51針接口、PCMCIA接口、CF接口。

在該項(xiàng)目中，Stargate通過(guò)51針接口連接一個(gè)IRIS節(jié)點(diǎn)，依靠Xmesh自組協(xié)議獲取子網(wǎng)數(shù)據(jù)；通過(guò)PCMCIA外接GPRS卡，依靠GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取遠(yuǎn)距離通信能力。

基站本身的處理能力用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，CF接口外接512MB FLASH卡用來(lái)保存本地至少7天的數(shù)據(jù)。

2.4 MoteWeb

MoteWeb是Windows平臺(tái)下支持無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的B/S架構(gòu)可視監(jiān)控軟件，可通過(guò)Web瀏覽器直接訪問(wèn)WSN數(shù)據(jù)，具有友好的交互界面。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)Xserver中間件解析后儲(chǔ)存在PostreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。MoteWeb能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取并顯示出來(lái)，也能夠?qū)崟r(shí)地顯示基站接收到的數(shù)據(jù)?；贛oteWeb，管理者可以通過(guò)直接數(shù)據(jù)、圖表或節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)快速整理、搜尋或查閱每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。MoteWeb還可以根據(jù)管理者的設(shè)置以手機(jī)短信和電子郵件的方式提供報(bào)警信息。

3 關(guān)鍵問(wèn)題與解決方案

3.1 通信距離

在將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到該項(xiàng)目的過(guò)程中，遇到的最大問(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。Crossbow在開(kāi)發(fā)該項(xiàng)目之前數(shù)次派人進(jìn)行實(shí)地考察，并進(jìn)行了詳細(xì)的討論和分析，最終認(rèn)為2.4GHz最適合該環(huán)境。

表1為不同條件下信號(hào)衰減情況。從中可以看出，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)該更適合該環(huán)境的使用。

此外，考慮頻譜環(huán)境，目前使用的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。

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)，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)其功耗還得到一定降低。

3.2 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(chēng)為ELP（Extend Low Power）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。

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，就可以有目的地進(jìn)行系統(tǒng)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。

3.3 IT系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中間件概念的提出使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)IT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得極其容易。Xserver提供了包括數(shù)據(jù)庫(kù)接口、XML接口等通用數(shù)據(jù)接口，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)世界的物理信息量轉(zhuǎn)換成各種服務(wù)器可以接受的格式。用戶可以很容易地將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)加入到原有的信息管理系統(tǒng)中去。

美國(guó)Crossbow科技公司的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大大提高了山體滑坡監(jiān)測(cè)工作的效率。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不僅使每個(gè)節(jié)點(diǎn)便于安裝部署，免去了有線接入的繁瑣過(guò)程，降低了成本，并且基于Xmesh的網(wǎng)絡(luò)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、可靠地連續(xù)工作，保證數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和及時(shí)更新。整個(gè)系統(tǒng)的工作模式也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)改變，以靈活適應(yīng)不同的環(huán)境狀態(tài)。

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