利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)能力

在地震中，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成最大傷害的就是建筑物的倒塌。而現(xiàn)今大都市中，摩天大樓林立，在汶川大地震中，北京地區(qū)也有震感，高層寫字樓均有晃動(dòng)，大量人員有不適感，但直至通過(guò)廣播、網(wǎng)絡(luò)確認(rèn)地震發(fā)生后，寫字樓人員方開(kāi)始撤離。如果震中在北京附近，這幾分鐘的遲疑就會(huì)帶來(lái)高層寫字樓數(shù)千生命的消逝，而北京至少擁有數(shù)百棟高層寫字樓。

加速度計(jì)依然是監(jiān)測(cè)建筑物的最簡(jiǎn)單有效方式。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校在Cross－bow的協(xié)助下對(duì)舊金山金門大橋部署過(guò)建筑健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其本意是用來(lái)檢測(cè)橋體在風(fēng)力作用下的各個(gè)關(guān)鍵受力點(diǎn)的振動(dòng)狀況，整體數(shù)據(jù)建模后就可以分析出橋體受損老化嚴(yán)重的部分，從而進(jìn)行有針對(duì)性的修補(bǔ)。

橋體和高層建筑有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是建筑結(jié)構(gòu)及其敏感，因此其前端的測(cè)量點(diǎn)部署很難采用有線方式，否則極易損害建筑結(jié)構(gòu)受力。而無(wú)線技術(shù)，特別是不需供電的低功耗無(wú)線技術(shù)，在解決建筑物健康監(jiān)測(cè)前端100米數(shù)據(jù)獲取中具有極其重要的意義。節(jié)點(diǎn)具有無(wú)線能力，體積較為小巧，可以很容易地安裝在建筑物的關(guān)鍵受力點(diǎn)上，而不影響建筑物外觀。具有低功耗能力，節(jié)點(diǎn)一經(jīng)部署不需要頻繁更換。省去了復(fù)雜耗時(shí)的布線操作，只要打開(kāi)節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)，位于建筑物監(jiān)控中心的接收終端就可以實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)，與建筑報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)后，一旦探測(cè)到可能威脅到建筑物的震動(dòng)信息，立即發(fā)出報(bào)警通知建筑物內(nèi)人員撤離。平時(shí)該系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)還可以用來(lái)監(jiān)測(cè)建筑物老化狀況，為建筑物維護(hù)提供輔助決策信息。

Crossbow在國(guó)內(nèi)與哈爾濱工程大學(xué)歐進(jìn)萍院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，專門針對(duì)建筑物健康監(jiān)測(cè)進(jìn)行研究。相關(guān)研究成果已經(jīng)在國(guó)內(nèi)數(shù)座橋梁的維護(hù)工作中得到應(yīng)用。Crossbow也推出過(guò)提供全套源代碼的入門級(jí)振動(dòng)套件，支持六個(gè)節(jié)點(diǎn)同步采集4G加速度計(jì)信息，并傳回網(wǎng)關(guān)，通過(guò)Labview進(jìn)行后期建模分析工作，可以作為廣大研究和工程人員的一個(gè)參考設(shè)計(jì)。

問(wèn)題與解決方案

1. 通信距離

在將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用野外時(shí)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。容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的山區(qū)往往植被密集，Crossbow在進(jìn)行香港項(xiàng)目(環(huán)境非常類似山區(qū)，人跡罕至，高達(dá)一人高的野草和大量樹(shù)木)之前數(shù)次排人進(jìn)行實(shí)地考察，并進(jìn)行了詳細(xì)的討論和分析，最終2.4GHz被認(rèn)為最為合適該環(huán)境的使用。

由上表可以看出，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)該更適合野外環(huán)境的使用。

此外，考慮頻譜環(huán)境，目前使用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。在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，大量使用的單兵電臺(tái)，步話機(jī)等及其容易造成相互干擾。從避免干擾的角度來(lái)說(shuō)，2.4G是較佳的選擇。

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)，由于采用了全新的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)其功耗反而得到一定降低。

由上圖可見(jiàn)，在北京后海地區(qū)進(jìn)行的湖面環(huán)境測(cè)試時(shí)，該節(jié)點(diǎn)達(dá)到了一公里的通信距離。在換裝5dBi增益天線后，IRIS節(jié)點(diǎn)在北京二環(huán)路上下班高峰時(shí)期的車輛密集情況下也達(dá)到了500米的通信距離。而其功耗相對(duì)原有的MicaZ節(jié)點(diǎn)降低了1/3左右。

2. 能源消耗

每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)電池供電，在Crossbow公司的被稱為ELP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。ELP即為Extend Low Power 模式，為Crossbow公司原有Low Power 模式的改進(jìn)版，能夠提供更加優(yōu)異的電量表現(xiàn)。在crossbow與中科院遙感所聯(lián)合開(kāi)發(fā)的用以南極科考的氣象探測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在零下80度時(shí)還可保持長(zhǎng)達(dá)一年的工作時(shí)間。

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，就可以有目的的進(jìn)行系統(tǒng)的維護(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. 可靠通信

無(wú)線通信都存在一定的數(shù)據(jù)丟失率，在用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，丟失一次采集信息并不會(huì)對(duì)全局的海量數(shù)據(jù)造成任何影響。但是當(dāng)用在地址災(zāi)害監(jiān)測(cè)中時(shí)，它所傳遞的信息關(guān)系重大，一旦丟失所造成影響及其嚴(yán)重。End to End的ACK提供了端到端的發(fā)送信息確認(rèn)，專門用以發(fā)送類似的關(guān)心數(shù)據(jù)包，在該模式下每個(gè)數(shù)據(jù)包在經(jīng)過(guò)多跳傳輸?shù)竭_(dá)目的節(jié)點(diǎn)后，目的節(jié)點(diǎn)會(huì)立刻回傳一個(gè)ACK數(shù)據(jù)包，發(fā)送端在經(jīng)過(guò)確定時(shí)間延時(shí)(根據(jù)路由表跳數(shù)確定)沒(méi)有收到ACK數(shù)據(jù)包，會(huì)立刻重新發(fā)送，重復(fù)該過(guò)程直到數(shù)據(jù)包安全到達(dá)目的地。

總結(jié)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一項(xiàng)較新的技術(shù)，以其特有的能力可以解決日常生活中很多問(wèn)題，本文結(jié)合作者專業(yè)所及為汶川大地震類似的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供一種采用新技術(shù)來(lái)提高監(jiān)測(cè)能力的設(shè)想。但是從設(shè)想到實(shí)現(xiàn)中間還會(huì)有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，這中間需要廣大科技工作者的不懈努力和投入。相對(duì)中國(guó)數(shù)量龐大的軟件和嵌入式開(kāi)發(fā)人員而言，熟悉和了解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的工程人員在中國(guó)仍然屈指可數(shù)。從軟件角度而言，在為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)編寫程序時(shí)，必須從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)全局考慮，類似于把線程的概念擴(kuò)展到成百上千個(gè)CPU之上，彼此配合來(lái)完成特定的工作。從硬件角度而言，設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)，必須考慮外部電路的低功耗設(shè)計(jì)，與手機(jī)，MP3等一天到幾天的工作時(shí)間相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)路必須要考慮的是靠有限的電池工作數(shù)月乃至數(shù)年的時(shí)間。