基于智能多媒體傳感器的地質災害監控網絡

摘 要：針對滑坡泥石流地質災害監測和防治的重點，設計提出了一套基于智能WSN的地質災害區域的應用架構和應急保障體系結構。介紹了系統總體方案，詳細闡述了系統硬件、網絡設計以及系統協議、算法和軟件設計。本系統不僅能夠對地質災害易發區域進行實時遠程網絡監控，而且能夠實現智能化調控監控設施的參數和多媒體設備的調度，實現了對山體滑坡等自然災害監測的可靠性和預報預警的實時性。

關鍵詞：無線傳感器 智能多媒體無線傳感器 地質災害監測 滑坡泥石流災害

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（b）-0010-04

據不完全統計，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，造成直接經濟損失年均38.6億元。四川、甘肅和陜西等省地震區84個縣（市、區）發現重大地質災害點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]。國內外用于山體滑坡監測的方法和手段很多[2]，由于山體滑坡監測區域的地理條件復雜、線路架設困難、電源供給等限制，使得有線系統部署起來非常困難，系統維護十分不便，并且監測網絡結構的可靠性不高[3]，并且很多監測系統監測到的信息十分有限，監測方式成本高，不適合大范圍推廣與應用[4]。

無線傳感器網絡技術延伸了傳感器的感知觸角[5]，實現對目標狀態信息的非接觸傳遞、實時監測、協作處理、本地化決策，以及與互聯網和移動通信網的接入，則大大提高了信息采集的實時性、可靠性和靈活性。以傳感器網絡技術為基礎，結合寬帶移動通信技術，建設不同地質環境背景、不同氣候條件的地質災害監測示范區，解決滑坡泥石流監測預警的關鍵技術，及時捕捉重大滑坡泥石流的前兆信息，成為當前災害防治研究的熱點內容。

1 系統總體方案和架構

1.1 地災監測系統的總體架構

多媒體無線傳感器網絡（Wireless Multimedia Senior Network，簡稱WMSN）是由一組具有計算、存儲和通信能力的多媒體傳感器節點組成的分布式感知網絡[6]。它通常由多媒體傳感器節點（multimedia sensor）、匯聚節點（sink node）、控制中心（control center）等構成，借助于節點上多媒體傳感器感知所在周邊環境的多種媒體信息（音頻、視頻、圖像、數值等），通過多跳中繼方式將數據傳到匯聚中心，匯聚中心通過Internet 網絡或通信衛星到達控制中心。用戶通過控制中心對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據[7～9]。

地質災害監測系統由無線傳感器節點、網關節點、通信傳輸基站及監控中心系統構成，如圖1所示。系統內WMSN節點是使用ZigBee協議的低速率探測傳感器節點（如表層探測傳感器、地表深度位移傳感器、雨量傳感器等）。網絡中的各種探測傳感器節點與中繼節點通過自組織成網的方式構成最底層的傳感器監測網。系統內WMSN節點采集到的數據信息沿著傳感器節點組成的網絡逐級跳轉進行傳輸，最后匯集到網關節點層。

匯聚網關層則使用WiFi進行數據的傳輸，該層包括ZigBee-WiFi網關、WiFi中繼節點、TD-SCDMA網關與大數據量的音視頻傳感器節點、GPS傳感器節點和地聲傳感器節點。探測傳感網絡中的數據可以通過任一個ZigBee-WiFi網關接入匯聚網關層，通過匯聚網絡中繼到達某一個TD-SCDMA網關，TD-SCDMA網關具有WiFi到TD-SCDMA的網關功能，能夠將使用WiFi匯聚到的數據通過TD-SCDMA網絡發送到監測中心。為了滿足大數據量的傳感器設備如音視頻傳感器等的數據速率要求，也將他們放入到匯聚網關層，他們可以以單跳或多跳的方式將數據傳送至TD-SCDMA網絡中。

第三層為TD-SCDMA網絡與地質災害監測中心站。本系統使用TD-SCDMA網絡與遠程地質災害監測中心站進行數據交換。TD-SCDMA網絡具有覆蓋范圍廣、數據傳輸率高的特點。使用TD-SCDMA網絡可以基本滿足當前的監測傳感器與多媒體數據的傳輸需求，并可以大大降低研發和部署成本。對于地質災害監測的匯集傳輸是一個很好的選擇（見圖1）。

1.2 災后應急保障體系結構

當災區經受了地震、滑坡泥石流等破壞后，監測區域的TD-SCDMA網絡可能受損，長期監測網絡通信會出現鏈路故障。為了能夠收集到各類傳感器在受到地質災害時采集到的寶貴的數據，災后通信保障采用支持寬帶無線通信技術TD-LTE的遠距離基站（如圖2所示），該基站具有WiFi-LTE網關的功能，將受災區域內部署的傳感器節點監測到的數據通過WiFi匯聚到應急基站進行遠距離的接力傳輸。

同時，各傳感器節點帶有較大的存儲器，能夠緩存采集到得數據，一旦鏈路受到破壞無法進行數據傳輸，則對數據進行緩存。當基站建立起來或者有人攜帶通信設備進入災區后，就可建立起通信鏈路，此時就可將數據傳送給采集設備，完成數據采集過程。監測數據通過基站傳輸到遠程指揮監控中心，通過多媒體信息與各類監測數據監控災區或易發災區的破壞情況，并可根據數據分析結果對滑坡泥石流的災害情況進行評估和分析。

2 系統設計

2.1 系統硬件設計

2.1.1 智能傳感器組件設計

地災監測系統的智能傳感器組件包括：智能化輸出傳感器，無線傳輸網絡模塊，智能化電源管理，（見圖3）。智能傳感器組建實現了功能模塊化、測量自動化、接口標準化，即將固定式測斜儀、孔隙水壓力計、地表裂縫位移計、雨量計等傳感器實現智能組件化；開發適應傳感器網絡體系要求的標準接口、協議，進一步實現功能組件的模塊化；實現傳感器數字化、網絡化，即在傳感器組件層引入高性能、低功耗的微處理器；對傳感器輸出實現本地數字化，引入（專用）標準無線收發模塊和協議規范，支持滑坡泥石流監測傳感器網絡體系標準；適應野外環境的高可靠性儀器裝備，即滿足不同地區、不同環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、地表裂縫位移計、雨量計等傳感器模塊化，并定義標準接口，與傳感網節點設備連接，實現傳感器的智能化、網絡化。

2.1.2 多媒體監控網絡設備

多媒體監控是減小滑坡泥石流災害損失的重要手段，不同的監測對象和監測環境對多媒體信息源和傳輸手段的要求也不同，因此本系統采用模塊化設計，由多媒體接口模塊、處理器、射頻接口模塊、電源模塊構成多媒體監控設備（如圖4所示）。其中，媒體接口模塊負責連接多媒體數據源。根據數據采集要求可分別連接視頻監控設備和照片采集設備；射頻接口模塊則根據具體的監測環境連接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傳感器節點設備相應模塊功能類似。

此外，多媒體監控對無線網絡帶寬的要求會很高，本系統采用寬帶無線傳輸技術，選擇使用具有自主知識產權的第二代信源編碼標準AVS對視頻進行編碼。同時，使用事件驅動的方式，在監測區域出現異常情況時，才啟動攝像頭進行進監控，以增加網絡運行效率。

2.1.3 多協議網關的設計

相對通常的傳感器網絡，面向滑坡泥石流災害的傳感器網絡網關有其特殊的技術要求。由于其面臨復雜的監測環境，并且面臨滑坡泥石流災害發生后各種通信設施被毀的情況，因此必須支持各類高、低速共存的通信協議，網關設備必須能夠處理各種不同協議之間的數據轉發，包括支持多協議的模塊化網關設計，低功耗電源管理策略，突發情況緊急存儲。

本系統對射頻模塊的數據交換接口進行抽象，設計多協議支持模塊，對不同的協議提供支持，（見圖5所示）。需要對某種協議的支持時，只需要將該協議的射頻模塊接入網關，并進行簡單的配置即可完成網關的協議類型轉換。由于各種協議的數據傳輸速率不同，因此網關設備必須提供存儲模塊，對接受到的數據進行緩存。另外，一旦發生緊急情況，網關還能夠將最后接收到的數據存儲起來，并進入睡眠狀態以節省能源。待救援人員到達其傳輸范圍之內，將其喚醒，并通過無線方式獲取其緩存的數據，從而獲取災害的詳細資料，對今后的災害預警提供寶貴資料。

電源是無線傳感器網絡設備關鍵因素。兩種方式可以提高能源利用率：一是通過采用軟硬件協同的動態功耗管理機制來有效地節約能耗；二是通過采用能量自適應網絡組網模式策略，在組網或者進行路由選擇過程中，充分考慮節點能量信息，即優先選擇能量高的節點傳輸關鍵數據，讓能量低的節點進入睡眠模式，必要時才將其喚醒以維護網絡正常運行，從而顯著降低節點的能耗。

2.2 系統通信協議和軟件設計

本系統要求建成一個支持傳感器網絡[10]從面（區域）到線（監測剖面）到點（重點位置核心參數），覆蓋災害體區域的地上（如降水量/強度、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、相關因素、誘發因素的立體監測預警系統。各種監測地質災害的傳感器節點（如：雨量傳感器、含水率傳感器、測斜傳感器、位移傳感器等等）構成一個異構的網絡，而且不同類型的傳感器節點監測產生的數據特征是不同的，例如：雨量傳感器、含水率傳感器、測斜傳感器、位移傳感器產生的數據量小，并且數據的實效性不強；而地聲傳感器、GPS設備與視頻傳感器產生的數據量大。為了在滿足數據要求的條件下更好的利用帶寬資源，本系統采用低速率與高速率傳感器節點共存的異構網絡體系結構（見圖6）。雨量傳感器、測斜傳感器、位移傳感器采用低速率網絡傳輸協議；地聲傳感器、GPS設備與視頻傳感器采用高速率寬帶網絡傳輸協議。

依據監測方案來設定監測參數的類型和傳感器組件數量，依據傳感器組件的帶寬和數據傳輸速率構建數據通信子網，各子網內部節點間通過自組織成網方式形成底層數據傳輸網絡，向上匯聚于匯聚節點，各子網匯聚節點（也是地災監測網絡終端節點）向上以地災監測網絡協調器節點為匯聚節點，實現數據的匯聚接入地災監測網絡。

在系統軟件平臺設計中，無線傳感器節點間的通信機制是重點，如何合理設計節點間的收發數據機制從而有效實現節能是整個方案設計必須要解決的關鍵問題。軟件功能主要包括數據采集和處理、路由算法的實施以及無線傳輸。應用層面的系統網絡軟件流程（如圖7所示）。

在網絡初始化和通信信道選擇階段之后，無線傳感器節點開始進入對周邊的物理環境進行數據采集的流程。首先，根據系統設定，為了達到網絡節能的目的，節點將處于低功耗狀態直至收到數據采集請求后被激活，在數據采集過程中，數據完整性校驗貫穿始終。然后，節點實時比較所采集數據與預先設定的閾值的大小，如果數據超出程序預先設定的閾值，圖像傳感器將被激活以拍攝現場的視頻數據，且數據將被實時傳輸到遠程控制中心；如果未超出閾值，傳感器節點將繼續采集和傳輸本地數據至基站。最終，所有數據將在控制中心匯總分析，以輔助決策。同時，當接收節點收到監控中心的接收請求后，由低功耗等待狀態喚醒，進入接收數據狀態直至接收完畢。節點在發送和接收數據完畢后，均相應進入低功耗狀態。

3 示范區運行結果與分析

四川雅安是西南地區典型的地質災害多發地區，其中峽口滑坡具有區域滑坡的典型特征，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測站，安裝GCY-1型固定式測斜儀、LGW-1型裂縫計、KLP18型水位計、KLP18型水溫計、YSR-1型雨量計，對峽口滑坡進行多參數綜合監測[12]。

4 結論

無線傳感器網絡被認為是影響人類未來生活的重要技術之一[12]，這一新興技術結合了現有的多種先進技術，為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑[13～16]。

將無線傳感器網絡這一最新的IT技術應用于山體滑坡監測，具有傳統技術所不具備的優勢。通過采用各種智能傳感器、多媒體監控網絡設備、TD-CDMA網關以及采用支持寬帶無線通信技術的TD-LTE技術，形成對現場環境信息的實時采樣和實時傳輸、建立后臺的分析預警和災后應急保障體系，提高了對山體滑坡等自然災害監測的可靠性和預報預警的實時性，實現了對監測環境的遠程監控，提高了整個系統的應用價值和應用范圍。為多媒體智能無線傳感器技術在水質污染、森林火災、地震等自然災害監測等領域的應用提供的參考。

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