基于Zigbee、Wifi、3G物联网地质灾害监测预警的传感器网络系统方案

专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成北京市中关村901号212室010-62560901、Wifi、3G地质灾害监测预警的无线传感器网络方案一、项目的必要性突发性滑坡、崩塌、泥石流是我国最严重的地质灾害类型，因其发生时间短、隐蔽性强、破坏性大，极易造成重大人员伤亡和巨大经济损失。据不完全统计，近10年来，因滑坡、崩塌、泥石流造成死亡和失踪的人员每年平均约1000人，造成直接经济损失年均38.6亿元。5.12汶川特大地震引起的滑坡、崩塌、泥石流造成大量人员伤亡和失踪。据现场调查统计，地震区地质灾害类型以滑坡为主，其次为崩塌和泥石流。四川、甘肃和陕西等省地震区84个县(市、区)发现重大地质灾害点8439处，其中，滑坡4372处，崩塌2309处，泥石流515处，威胁109万人的生命安全。2008年6月23日，胡锦涛总书记在两院院士大会上发表讲话时指示“要加强对自然灾害分布规律和致灾机理的研究，加强自然灾害监测预警能力建设，建立灾害监测-研究-预警预报网络体系，加强防灾减灾关键技术研发，建立国家综合减灾和风险管理信息共享平台，完善国家和地方灾情监测、预警、评估、应急救助指挥体系。”《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》也把构建重大地质灾害保障体系作为重点领域及其优先主题。长期以来，我国建立的群测群防网络基本上覆盖了全国山区丘陵县市，每年有效避灾上千起。然而，现有监测手段大多采用人工收集方式，技术方案存在数据收集不及时，信息覆盖面不足的缺点。即使现有的野外自动监测，也仅限于少数几个独立的示范区，且区内监测设备没有成网，没有形成一个实时动态监测体系，难以满足滑坡泥石流快速预警和突发应急处置的需求。无线传感器网络技术延伸了传感器的感知触角，实现对目标状态信息的非接触传递、实时监测、协作处理、本地化决策，以及与互联网和移动通信网的泛在接入，大大提高了信息采集的实时性、可靠性和灵活性。以传感器网络技术为基础，结合宽带移动通信技术，选择不同地质环境背景、不同气候条件的地质灾害监测示范区建设，解决滑坡泥石流监测预警的关键技术，建立监测预警信息系统，获取实时动态监测数据，建立滑坡泥石流的预测模型，及时捕捉重大滑坡泥石流的前兆信息，为灾害防治提供技术支撑，保障国民经济稳定健康发展。二、项目主要目标本方案针对我国地质灾害防治工作的现实需求，将无线传感器网络、宽带移动通信技术与滑坡泥石流监测预警技术相结合，开展应用示范和产业化建设，使专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成北京市中关村901号212室010-62560901我国地质灾害野外监测技术和预警方法取得突破性进展，达到国际领先水平，为我国地质灾害监测预警网络体系建设和应用推广提供技术支撑。（1）针对滑坡泥石流监测、预警、应急处置的特点，提供长期监测和应急通信网络体系结构、自组织网络协议及节点级系统软件；（2）面向滑坡泥石流灾害处置的应用需求，定制开发小型化、低功耗、高可靠传感器网络节点级关键技术，接入移动通信网络的系列网关设备；（3）提供基于2G/3GE技术的多媒体信息汇聚宽带无线传输技术及研制相应设备，并为多媒体应急通信指挥系统提供技术支持；（4）提供滑坡泥石流监测新型传感器设备，滑坡泥石流监测预警系统和应急条件下的无线宽带多媒体监控系统，为灾害的预警和应急处置提供支持。三、方案总体架构监测地质灾害的传感器节点构成一个异构的网络。雨量传感器、含水率传感器、测斜传感器、位移传感器产生的数据量小，且数据不是时刻变化的；而地声传感器、GPS设备与视频传感器产生的数据量大。为了在满足数据要求的条件下更好的利用带宽资源，拟采用低速率与高速率传感器节点共存的异构网络体系结构。雨量传感器、测斜传感器、位移传感器采用低速率网络传输协议；地声传感器、GPS设备与视频传感器采用高速率宽带网络传输协议。图4-1长期监测网络体系结构示意图在实际应用中，单个传感器网络的网络规模直接影响网络容量的提升，故将传感器网络设计为三层的MESH网络。第一层为使用ZigBee协议的低速率探测传感器网络。网络中的各种探测传感器节点与中继节点通过自组织成网的方式形成最底层的传感器监测网。协议的自组织性主要体现在，传感器节点故障时的网络快速愈合能力和新的节点增加部署时的快速组网能力。拟采用带有快速邻居发现与更新的自组织网络协议，实现预期的目标。专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成北京市中关村901号212室010-62560901第二层为汇聚网关层，使用WiFi进行数据的传输，该层包括ZigBee-WiFi网关、WiFi中继节点、2G/3G网关与大数据量的音视频传感器节点、GPS传感器节点和地声传感器节点。探测传感网络中的数据可以通过任一个ZigBee-WiFi网关接入汇聚网关层，通过在汇聚网络中中继到达某一2G/3G网关，2G/3G网关具有WiFi到2G/3G的网关功能，能够将使用WiFi汇聚到的数据通过2G/3G网络发送到监测中心。为了满足大数据量的传感器设备如音视频传感器等的数据速率要求，也将他们放入到汇聚网关层，他们可以以单跳或多跳的方式将数据传送至2G/3G网络中。第三层为2G/3G网络与地质灾害监测中心站。为了更好的利用移动通信基础设施，本系统拟使用2G/3G网络与远程地质灾害监测中心站进行数据交换。2G/3G网络具有覆盖范围广、数据传输率高的特点。使用2G/3G网络可以基本满足当前的监测传感器与多媒体数据的传输需求，并可以大大降低研发和部署成本。对于地质灾害监测的汇集传输是一个很好的选择。四、系统技术指标根据系统预警模型的要求，构建支持传感器网络从面（区域）到线（监测剖面）到点（重点点位核心参数）覆盖灾害体区域的地上（如降水量/强度、地表位移等）、地下（深部位移、孔隙水压力等），构建涉及变形参量、相关因素、诱因因素的立体监测系统。研究采用基于GPS静态连续监测技术、视频图像技术、土层和土壤深部位移测量技术、局域降水精确测量、地下水参数（水温、水压、含水率）精确测量、大位移地表裂缝精确测量及地声监测仪的传感网络体系，实现信息融合。对监测仪器（各类传感器组件）进行模块化、智能化集成，支持地灾监测网络的组建，对滑坡泥石流灾害监测预警模型形成支撑。GPS裂缝位移计雨量计数据接收坡度岩性GPS位移形变降雨GIS图层侵蚀灾害分布相关性分析滑坡预警模型滑坡监测预警系统预警信号地下水深部位移计以监测区域现场深部位移和地表变形等参数的拾取、诱因参数的拾取为基础，构建监测“点”，以监测点为基本单位构建“线”，基于GPS静态连续地表变形监测、区域降水监测等组建“面”。点—线—面组成一张覆盖目标区域的传感器布设网。进行相关参数的融合、分析（如地面降水量/降水强度与地下水位/孔隙水压的关系、地下水位/孔隙水压与深部位移的关系、地面降水量/降水强度与地表裂缝位移的关系、地表裂缝位移与深部位移的关系等等），对滑坡泥石流监测预警模型形成支撑。专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成北京市中关村901号212室010-62560901（1）面向滑坡泥石流的传感器网络系统视频编码速率最大支持4Mbps，多媒体传感网设备支持速率2Mbps；网关支持ZigBee、WiFi、2G/3G等通信协议；支持至少250个节点的组网，组网时间小于10秒；前端节点最大功耗小于0.5W，通讯距离大于1公里，野外连续工作时间不小于180天；关键节点达到IPX-5级防水标准。（2）面向多媒体传输的宽带无线通信系统支持2G/3G标准，宽带无线通信网关支持100Mbps的汇聚，覆盖半径大于15Km；终端设备接入网络的时间小于10ms，支持并发视频流不少于10路；基站设备功率小于30W。（3）滑坡泥石流监测预警系统数据汇集处理时间小于等于1小时；预警模型支持长、中、短、临预测，其中长期预测10~15天、中期预测3~5天、短期预报24小时、临近预报1小时；系统运行稳定率优于99%。五、系统组成系统拟搭建在室内，首先需要模拟野外的土壤环境，由于常见的地质灾害多由降雨而引发，因此还需要进行降雨的模拟。因此系统由以下及部分组成：模拟土壤环境、人工降雨系统、地质灾害监测传感器、传感器网组件、后台软件系统。现分别进行说明。1.地质灾害监测传感器地质灾害监测传感器包含了对常见的滑坡、泥石流等地质灾害的全方位的监测，主要包括：雨量传感器、土壤含水率传感器、地表裂缝传感器、深部位移传感器、孔隙水压力计以及次声监测单元等传感器。下面分别进行说明。3.2孔隙水压力传感器孔隙水压力传感器组件是孔隙水压力观测的传感器，包含传感器本体、激振模块、测频模块，适用于测压管中水压、水位的测定、回填或原位孔隙水压力的测定、扬压力的测定、水位或容器中流体压力的测定，抗干扰能力强、长期稳定、密封可靠。性能参数：（1）量程：（0-）0.1~2.0MPa可选；（2）分辨率：0.15%F.S（其余量程）；（3）不重复度：0.5%F.S；专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成北京市中关村901号212室010-62560901（4）综合误差：1%F.S;（5）工作温度：0-70℃。3.3土壤温湿度水分传感器土壤温湿度水分传感器组件是将温度和湿度测量元件集于一体观测的传感器，每套产品包含数只传感器本体和一个高精度A/D采集卡，采用TDR（时域反射）原理，适用于土壤容积环境的测量，采用环保材料，全密封设计，经久耐用。性能参数：(1)湿度：测量参数：土壤容积含水量单位：%（m3/m3）量程：0～100%（m3/m3）精度：0～50%（m3/m3）范围内为±2%（m3/m3）测量区域：90%的影响在以中央探针为中心直径3cm、高6cm的圆柱体内稳定时间：通电后约1秒响应时间：响应在1秒内进入稳态过程工作电压：12VDC工作电流：50mA输出信号：4～20mA标准电流环密封材料：ABS工程塑料探针材料：不锈钢遥测距离：小于200米整体尺寸：直径：50mm，全长：200mm，探针长度：70mm(2)温度：量程：－2０～8０℃精度：±0.2℃3.4固定式测斜仪固定式测斜仪（俗称测斜探头）是用于路基、边坡等的地下深部形变、位移测量的实时监测仪器。固定式测斜探头组安装在专用测斜管内（同移动式测斜仪），横跨有变形（相对位移）的区域。其测量原理是：地层/结构物移动变形引起测斜管变形，测量探头通过敏感自身的斜度（倾角）的变化来解算出测斜管专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成北京市中关村901号212室010-62560901在预定方位上的形变量，多个测量探头组合安装可以获得沿测斜管的挠度变形剖面图。性能参数：（1）标准量程：±50°（垂直）；（2）分辨率：优于8角秒（±0.02mm/500mm）；（3）测量精度（符合度）：优于±0.1%F.S；（4）重复性（不重复度）：优于±0.05%F.S；（5）耐水压:1MPa（100m水深无泄漏）；（6）适用测斜管内径：Ф56～Ф72mm；（7）工作温度范围：－20℃～50℃。3.5裂缝位移计裂缝位移计是为适应滑坡地表裂缝监测开发的大量程裂缝位移计，基于拉绳式位移传感器开发，具有量程大、低功耗、可埋设安装等特点。专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成北京市中关村901号212室010-62560901性能参数：（1）有效量程：0mm～1000mm；（2）分辨力：0.5mm；（3）测量精度：优于0.5%FS；（4）工作温度范围：-20℃～50℃；3.6土压力传感器组件土压力计组件是使测量土压力的传感器，以钢弦作为传感元件，以连续激振的工作方式进行测量，适用于房屋基础、挡土结构、水坝、隧道