一種基于無線傳感器網絡的災害預警系統設計

摘 要： 針對當前山體滑坡及泥石流災害監測預警系統成本高、實施困難、準確度不足等問題，提出一種基于無線傳感器網絡的滑坡及泥石流災害預警應急系統設計方案。方案綜合傳感器、嵌入式計算、無線通信等技術，利用ZigBee無線傳感器網絡實時采集降雨量、土壤含水率、位移量、傾斜角度以及溫濕度等環境數據，經GPRS網關節點發送至遠程監控中心，由遠程監控軟件對有效數據進行分析處理，根據綜合預警判斷模型得到災害預警等級，發出不同報警信息。在此詳細介紹了系統的體系結構及軟硬件設計方法，通過實物搭建和實驗分析驗證了方案的可行性，經測試，系統部署方便快速、穩定性好，能夠減少人員傷亡和財產損失。

關鍵詞： 滑坡及泥石流監測； 無線傳感器網絡； 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，喀斯特地貌廣布，省內可溶巖地層出露面積占國土總面積的61.9%，地表破碎[1]，是國內地質災害重災區之一，災害種類全、數量多、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，并以其突發性、隨機性以及短時間內能造成巨大損失的特點，直接危害人民群眾的生命財產安全，影響正常的生產生活，制約了省內生態環境、社會經濟的可持續發展。目前國內外對于山體滑坡及泥石流災害的監測方式主要包括有線和無線兩大類。有線方式多受監測區域地理條件的限制，系統部署困難、維護不便。無線方式中，近景攝影測量法監測精度低，易受天氣等因素的影響[2]；GPS監測法精度高、全自動，但成本高、動態性較差，在高精度測量要求下，每組數據測量的時間較長，需要幾十分鐘甚至更長時間[3]；RS技術監測范圍廣，但快速、實時性較差。除此之外，受地理位置、經濟因素、技術條件等限制，省內部分災害多發地對地質災害的監測仍主要依賴于天氣預報發布的災害預警，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區域進行監測預警。

無線傳感器網絡（WSN）是一種自組織、多跳的網絡系統，由布放在監測區域內的傳感器通過無線通信的方式構成，能夠對監測區域內數據進行實時采集、融合處理，并發送給觀察者。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境進行采集、處理和傳輸。

本文針對貴州省多發地質災害中的山體滑坡和泥石流，搭建基于無線傳感器網絡的災害監測預警應急系統，結合GPRS通信技術，實現對突發災害的遠程實時監控與預報，以期最大限度減少人員傷亡和財產損失。在此基礎上，還將通過對局部重點區域的長期觀測，為山體滑坡和泥石流災害的研究以及地質災害預警機制的制定提供數據支持與技術支撐。

1 系統總體設計

1.1 預警系統結構

如圖1所示，整個預警系統由三部分組成：首先是由監控節點通過自組織方式構成的無線傳感器監測網；其次是由網關節點構成的匯聚網關層；最后是遠程監控及預警中心。

圖1 系統架構圖

無線傳感器監測網絡采集用于精確預警的實時有效環境信息。滑坡泥石流災害多發的原因，除了地質構造復雜、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，包括連續降雨及局部暴雨[4]。

針對貴州省實際情況，主要監測參數包括連續降雨量、實時降雨量、土壤含水率、位移量、傾斜角度以及外部環境（溫度、濕度）等[5?7]。監測區域內布放的監控節點，根據一定的頻率采集以上監測信息，通過節點間無線多跳通信匯聚至網關節點，通過網關節點的 GPRS 模塊發送至遠程監控及預警中心。遠程監控中心對接收到的監測數據進行分析、處理、存儲，結合綜合預警模型以及專業人士的判斷，實現對滑坡及泥石流災害的有效監控與實時準確預警。

1.2 無線傳感器網絡部署方案

無線傳感器網絡中監控節點采用基于網格的部署法，即將監控區域按矩形劃分，矩形大小在監測節點良好、有效覆蓋范圍之內，通過前期調研、現場勘查、地形測繪和土壤測試等方法選定每個矩形區域范圍內具有代表性、敏感度較高的若干位置布設傳感器監測節點。另外，為保證監測的精度及全面性，監控節點不僅分布在災害體表面，還需在災害體內部署必要數量的監控節點。結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不同深度。

2 系統硬件設計

2.1 監控節點設計

無線傳感器網絡監控節點由采集模塊、處理器及無線通信模塊、電源模塊組成，如圖2所示。

圖2 監控節點硬件結構圖

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境參數進行采集，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：監控節點核心采用了Ti公司生產的CC2530芯片，其整合了微控制器和RF射頻芯片，使用增強型8051內核，具有256 KB FLASH和8 KB RAM，能夠在各種方式下保持數據，支持硬件調試；具有多種運行模式，不同運行模式間能迅速轉換，功率消耗低，性能優良，功能強大。

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

2.2 網關節點設計

網關節點建立、管理、維護網絡以及遠程傳輸數據，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計參考監控節點相應模塊。由于強降雨與滑坡泥石流災害有最直接聯系，會在強降雨的當天或第二天造成突發性災害[6]，這需要配置雨量傳感器長時間對監控區域進行實時監測，因其耗電量較大，并且監控區域具有一定連續性，所以僅在網關節點配置一個雨量傳感器即可。系統采用華控興業翻斗式雨量傳感器。GPRS模塊采用Simcom公司生產的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，可以低功耗實現語音、SMS、數據和傳真信息的傳輸，電源模塊對 GPRS 模塊提供 4.2 V 工作電壓。網關節點需始終處于工作狀態，以保持網絡的通信，目前采用外部電源進行供電，一般將其部署在監測區域移動網絡信號較好的位置。

3 系統軟件設計

3.1 監控節點軟件設計

監控節點屬于精簡功能節點，是無線傳感器監測網絡中的數據采集節點，節點通電后，首先進行硬件和ZigBee協議棧初始化，然后申請加入ZigBee網絡。監控節點成功加入網絡，將按規定頻率向網關節點發送數據，其余時間處于睡眠狀態。

監控節點的各個傳感器采集頻率受到網關節點雨量傳感器所監測降雨量的控制。網關節點雨量傳感器持續監測實時降雨量，并通過GPRS網關將降雨量傳至遠程監控中心，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遠程監控中心所設置的頻率工作，一般以雨季旱季進行區分，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信息，再經由多跳路由對數據進行轉發，最終通過GPRS網關節點發送到遠程監控中心。一旦網關節點發現雨量傳感器記錄的降雨量超過閾值，則通知監控節點，此時無論雨季旱季，各個傳感器均以1～5 s一次的頻率采集數據。

通過這樣的工作方式，可以延長節點的工作時間，減少無效數據的采集與發送。為了進一步減少節點能耗，也可設置相關閾值，采集數據需超過各傳感器參數閾值才由監控節點的無線通信模塊進行轉發。系統監控節點主程序流程如圖3所示。

3.2 網關節點工作方式

GPRS 網絡分布廣泛，我國城鄉各地幾乎完全實現了 GPRS 網絡信號的覆蓋，監測網絡采集的環境信息能夠通過GPRS實現數據遠程可靠傳輸。網關節點GPRS模塊與CC2530采用串口通信，通過AT指令實現網絡連接及數據收發。連接GPRS網絡前，首先需通過串口向SIM900A發送“AT”，測試模塊是否正常工作，接收到返回的“OK”則連接GPRS網絡，被分配一個隨機臨時的IP地址及端口，進行數據傳送。

圖3 監控節點主程序流程圖

3.3 遠程監控中心軟件設計

遠程監控中心接收由網關節點傳送的大量監控數據，提取存儲并分析處理其中的有效信息，根據綜合預警判斷模型得到災害預警等級，并根據不同等級發出相應程度報警信息。除此之外，還能實現對節點實時監控數據可視化顯示，歷史數據查詢，系統設置等若干功能。通過以上功能分析，系統監控預警軟件部分各功能模塊如圖4所示，軟件基于B/S結構，采用C#實現。

圖4 監控預警軟件功能模塊圖

4 系統測試

系統測試選在某小區背后小山斜坡上，現場布置由多個監控節點及網關節點構成的傳感器監測網絡，監控節點及網關節點實物如圖5所示。開始實驗時，因測試時間為雨季，系統以2 h為周期采集監控數據；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，若采集數據超過閾值則經GRPS網絡傳送至遠程監控中心，由監控中心對數據進行分析。如圖6所示，實驗過程中，人為使節點B處于滑坡臨界狀態，通過綜合預警模型分析，節點B發出橙色預警，其他節點處于正常狀態。實驗結果表明，系統能夠對監控區域進行實時數據采集并根據監測數據變化及時預警，性能穩定，運行良好。

圖5 監控節點及網關節點實物

5 結 語

將無線傳感器網絡技術應用于山體滑坡與泥石流災害監測與預警，具有傳統技術所不具備的優勢，比如無需基礎設施、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絡進行滑坡及泥石流災害預警應急系統的設計方案，給出了系統的體系結構以及硬件組成與軟件設計方法，經實測，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災害預警提供有益借鑒。

圖6 遠程預警系統報警界面

參考文獻

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