一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)當(dāng)前山體滑坡及泥石流災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)成本高、實(shí)施困難、準(zhǔn)確度不足等問(wèn)題，提出一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡及泥石流災(zāi)害預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。方案綜合傳感器、嵌入式計(jì)算、無(wú)線通信等技術(shù)，利用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(diǎn)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，由遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)綜合預(yù)警判斷模型得到災(zāi)害預(yù)警等級(jí)，發(fā)出不同報(bào)警信息。在此詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)方法，通過(guò)實(shí)物搭建和實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了方案的可行性，經(jīng)測(cè)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(cái)產(chǎn)損失。

關(guān)鍵詞： 滑坡及泥石流監(jiān)測(cè)； 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； ZigBee； 預(yù)警

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(guó)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(guó)土總面積的61.9%，地表破碎[1]，是國(guó)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害重災(zāi)區(qū)之一，災(zāi)害種類(lèi)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(zāi)害所占比例高達(dá)75%以上，并以其突發(fā)性、隨機(jī)性以及短時(shí)間內(nèi)能造成巨大損失的特點(diǎn)，直接危害人民群眾的生命財(cái)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(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于山體滑坡及泥石流災(zāi)害的監(jiān)測(cè)方式主要包括有線和無(wú)線兩大類(lèi)。有線方式多受監(jiān)測(cè)區(qū)域地理?xiàng)l件的限制，系統(tǒng)部署困難、維護(hù)不便。無(wú)線方式中，近景攝影測(cè)量法監(jiān)測(cè)精度低，易受天氣等因素的影響[2]；GPS監(jiān)測(cè)法精度高、全自動(dòng)，但成本高、動(dòng)態(tài)性較差，在高精度測(cè)量要求下，每組數(shù)據(jù)測(cè)量的時(shí)間較長(zhǎng)，需要幾十分鐘甚至更長(zhǎng)時(shí)間[3]；RS技術(shù)監(jiān)測(cè)范圍廣，但快速、實(shí)時(shí)性較差。除此之外，受地理位置、經(jīng)濟(jì)因素、技術(shù)條件等限制，省內(nèi)部分災(zāi)害多發(fā)地對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)仍主要依賴于天氣預(yù)報(bào)發(fā)布的災(zāi)害預(yù)警，采用人工進(jìn)行群測(cè)群防，實(shí)時(shí)性、精確性、針對(duì)性不強(qiáng)。因此需要研究新的方法對(duì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。

無(wú)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(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器通過(guò)無(wú)線通信的方式構(gòu)成，能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(qiáng)的抗破壞力，能夠在無(wú)人為干預(yù)的情況下對(duì)各種復(fù)雜多變的環(huán)境進(jìn)行采集、處理和傳輸。

本文針對(duì)貴州省多發(fā)地質(zhì)災(zāi)害中的山體滑坡和泥石流，搭建基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)，結(jié)合GPRS通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)災(zāi)害的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)報(bào)，以期最大限度減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在此基礎(chǔ)上，還將通過(guò)對(duì)局部重點(diǎn)區(qū)域的長(zhǎng)期觀測(cè)，為山體滑坡和泥石流災(zāi)害的研究以及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警機(jī)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(jì)

1.1 預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，整個(gè)預(yù)警系統(tǒng)由三部分組成：首先是由監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成的無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)；其次是由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的匯聚網(wǎng)關(guān)層；最后是遠(yuǎn)程監(jiān)控及預(yù)警中心。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采集用于精確預(yù)警的實(shí)時(shí)有效環(huán)境信息。滑坡泥石流災(zāi)害多發(fā)的原因，除了地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地貌類(lèi)型多變、地勢(shì)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(duì)貴州省實(shí)際情況，主要監(jiān)測(cè)參數(shù)包括連續(xù)降雨量、實(shí)時(shí)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(cè)區(qū)域內(nèi)布放的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，根據(jù)一定的頻率采集以上監(jiān)測(cè)信息，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間無(wú)線多跳通信匯聚至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的 GPRS 模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控及預(yù)警中心。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心對(duì)接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)，結(jié)合綜合預(yù)警模型以及專(zhuān)業(yè)人士的判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡及泥石流災(zāi)害的有效監(jiān)控與實(shí)時(shí)準(zhǔn)確預(yù)警。

1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署方案

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)控節(jié)點(diǎn)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(cè)節(jié)點(diǎn)良好、有效覆蓋范圍之內(nèi)，通過(guò)前期調(diào)研、現(xiàn)場(chǎng)勘查、地形測(cè)繪和土壤測(cè)試等方法選定每個(gè)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(cè)節(jié)點(diǎn)。另外，為保證監(jiān)測(cè)的精度及全面性，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)不僅分布在災(zāi)害體表面，還需在災(zāi)害體內(nèi)部署必要數(shù)量的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。結(jié)合所選用傳感器類(lèi)型，雨量傳感器、溫濕度傳感器等應(yīng)置于災(zāi)害體表面，土壤水分傳感器、加速度傳感器等應(yīng)置于災(zāi)害體內(nèi)不同深度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

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

圖2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)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(duì)災(zāi)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(jìn)行采集，與CC2530的連接接口依次為I2C、RS485、UART以及I2C。

處理器及無(wú)線通信模塊：監(jiān)控節(jié)點(diǎn)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(qiáng)型8051內(nèi)核，具有256 KB FLASH和8 KB RAM，能夠在各種方式下保持?jǐn)?shù)據(jù)，支持硬件調(diào)試；具有多種運(yùn)行模式，不同運(yùn)行模式間能迅速轉(zhuǎn)換，功率消耗低，性能優(yōu)良，功能強(qiáng)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(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)建立、管理、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，主要包括處理器及無(wú)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(wú)線通信模塊硬件電路設(shè)計(jì)參考監(jiān)控節(jié)點(diǎn)相應(yīng)模塊。由于強(qiáng)降雨與滑坡泥石流災(zāi)害有最直接聯(lián)系，會(huì)在強(qiáng)降雨的當(dāng)天或第二天造成突發(fā)性災(zāi)害[6]，這需要配置雨量傳感器長(zhǎng)時(shí)間對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(diǎn)配置一個(gè)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(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸，電源模塊對(duì) GPRS 模塊提供 4.2 V 工作電壓。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(jìn)行供電，一般將其部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較好的位置。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)屬于精簡(jiǎn)功能節(jié)點(diǎn)，是無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通電后，首先進(jìn)行硬件和ZigBee協(xié)議棧初始化，然后申請(qǐng)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)，將按規(guī)定頻率向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，其余時(shí)間處于睡眠狀態(tài)。

監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的各個(gè)傳感器采集頻率受到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)雨量傳感器所監(jiān)測(cè)降雨量的控制。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)雨量傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)降雨量，并通過(guò)GPRS網(wǎng)關(guān)將降雨量傳至遠(yuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)控中心所設(shè)置的頻率工作，一般以雨季旱季進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，最終通過(guò)GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。一旦網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)雨量傳感器記錄的降雨量超過(guò)閾值，則通知監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，此時(shí)無(wú)論雨季旱季，各個(gè)傳感器均以1～5 s一次的頻率采集數(shù)據(jù)。

通過(guò)這樣的工作方式，可以延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間，減少無(wú)效數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。為了進(jìn)一步減少節(jié)點(diǎn)能耗，也可設(shè)置相關(guān)閾值，采集數(shù)據(jù)需超過(guò)各傳感器參數(shù)閾值才由監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主程序流程如圖3所示。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作方式

GPRS 網(wǎng)絡(luò)分布廣泛，我國(guó)城鄉(xiāng)各地幾乎完全實(shí)現(xiàn)了 GPRS 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的覆蓋，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采集的環(huán)境信息能夠通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程可靠傳輸。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)GPRS模塊與CC2530采用串口通信，通過(guò)AT指令實(shí)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(guò)串口向SIM900A發(fā)送“AT”，測(cè)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(gè)隨機(jī)臨時(shí)的IP地址及端口，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

圖3 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心接收由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送的大量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，提取存儲(chǔ)并分析處理其中的有效信息，根據(jù)綜合預(yù)警判斷模型得到災(zāi)害預(yù)警等級(jí)，并根據(jù)不同等級(jí)發(fā)出相應(yīng)程度報(bào)警信息。除此之外，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?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(guò)以上功能分析，系統(tǒng)監(jiān)控預(yù)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(shí)現(xiàn)。

圖4 監(jiān)控預(yù)警軟件功能模塊圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試選在某小區(qū)背后小山斜坡上，現(xiàn)場(chǎng)布置由多個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖5所示。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí)，因測(cè)試時(shí)間為雨季，系統(tǒng)以2 h為周期采集監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；當(dāng)通過(guò)人工降水使降雨量達(dá)到18 mm時(shí)（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(guò)閾值則經(jīng)GRPS網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如圖6所示，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，人為使節(jié)點(diǎn)B處于滑坡臨界狀態(tài)，通過(guò)綜合預(yù)警模型分析，節(jié)點(diǎn)B發(fā)出橙色預(yù)警，其他節(jié)點(diǎn)處于正常狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)ΡO(jiān)控區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化及時(shí)預(yù)警，性能穩(wěn)定，運(yùn)行良好。

圖5 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)物

5 結(jié) 語(yǔ)

將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于山體滑坡與泥石流災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警，具有傳統(tǒng)技術(shù)所不具備的優(yōu)勢(shì)，比如無(wú)需基礎(chǔ)設(shè)施、部署方便、易擴(kuò)展、自組織、造價(jià)低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等。基于此，本文提出了利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行滑坡及泥石流災(zāi)害預(yù)警應(yīng)急系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jì)方法，經(jīng)實(shí)測(cè)，達(dá)到了預(yù)期效果，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)橘F州省乃至全國(guó)范圍內(nèi)災(zāi)害預(yù)警提供有益借鑒。

圖6 遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警界面

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇澤志，蘇寧.貴州山體滑坡與防護(hù)研究[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，30（3）：137?140.

[2] 王秀美，賀躍光，曾卓喬.數(shù)字化近景攝影測(cè)量系統(tǒng)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2002（2）：28?30.

[3] 胡穎.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2011.

[4] 楊勝元.貴州省地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀與防治成效[C]//中國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：中國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)，2005：566?571.

[5] 武彩萍，駱亞生，陳偉.降雨對(duì)黃土裸坡坡面形態(tài)影響的室內(nèi)模型試驗(yàn)[J].水土保持通報(bào)，2013，33（1）：115?119.

[6] 馬力，游揚(yáng)聲，繆啟龍.強(qiáng)降水誘發(fā)山體滑坡預(yù)報(bào)[J].山地學(xué)報(bào)，2008，26（5）：583?589.

[7] 孫偉，高峰.暴雨型泥石流預(yù)報(bào)中的降水因子[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（12）：6287?6288.