范 菁，謝建斌，王金龍，曲金帥

（1.云南民族大學(xué)云南省高校無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重點實驗室，云南昆明650500；2.云南大學(xué)城市建設(shè)與管理學(xué)院，云南昆明650091）

無線異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)泥石流監(jiān)測系統(tǒng)概述

范 菁1，謝建斌2，王金龍1，曲金帥1

（1.云南民族大學(xué)云南省高校無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重點實驗室，云南昆明650500；2.云南大學(xué)城市建設(shè)與管理學(xué)院，云南昆明650091）

通過描述幾種典型通用的泥石流監(jiān)測方法，逐步引入基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的泥石流監(jiān)測技術(shù)，分別從傳感器、節(jié)點、傳輸協(xié)議、系統(tǒng)建模、實現(xiàn)原理等方面對比論述無線異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于泥石流監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、實施和擴展，在此基礎(chǔ)上提出了異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于泥石流監(jiān)測時面臨的系列關(guān)鍵問題.希望通過歸納匯總可為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)、泥石流實時監(jiān)測和預(yù)警方法的基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究提供有價值的參考.

異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；泥石流；監(jiān)測；無線協(xié)議；系統(tǒng)模型

泥石流［1］是廣泛分布于我國山區(qū)的一種地質(zhì)災(zāi)害，泥石流暴發(fā)突然、來勢兇猛、危害嚴重.目前，泥石流已成為影響我國山區(qū)公共安全和工程安全的重大災(zāi)害之一.隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，泥石流的實時監(jiān)測方法從過去的人工簡易式皮尺實時監(jiān)測發(fā)展到集自動化、實時化、遠程化、準確化為一體的現(xiàn)代的監(jiān)測方法.國內(nèi)外泥石流監(jiān)測方法主要有：地表位移監(jiān)測法［2］、近景攝影測量法［3］、全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）法［4-6］、遙感（remote sensing，RS）［7］與地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）結(jié)合法、地下水位監(jiān)測法［8］、測斜法［9］、干涉合成孔徑雷達（interferometric synthetic aperture radar，INSAR）法［10］，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）法［11］實施監(jiān)測，以實現(xiàn)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的實時監(jiān)測及預(yù)報.

其中無線異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)部署靈活，覆蓋面廣，可布置于泥石流區(qū)域內(nèi)部巖土體并可獲得內(nèi)部巖土體的深層滑動、含水量和地下水水位等信息；現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)可通過中間節(jié)點傳送，可進行多角度、多方位和高精度信息獲??；網(wǎng)絡(luò)健壯性和抗毀性可實現(xiàn)某些特定功能；分布式自組網(wǎng)，可對指定區(qū)域進行查詢；傳感器具備一定遠程搖控功能，可節(jié)約人力資源等顯著優(yōu)勢.因此，可在沿用原有泥石流監(jiān)測手段的基礎(chǔ)上，采用無線異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)手段強化提升針對泥石流滑坡監(jiān)測的實時性、有效性、準確性.實現(xiàn)在交通不便、電力和通信等基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、人員值守困難且需實時或動態(tài)監(jiān)測的泥石流多發(fā)區(qū)域建立既符合實際又留有發(fā)展冗余的泥石流監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng).

本文通過描述幾種典型通用的泥石流監(jiān)測方法，逐步引入基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的泥石流監(jiān)測技術(shù)，分別從傳感器、傳輸協(xié)議、系統(tǒng)建模、實現(xiàn)原理等方面對比論述無線異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于泥石流監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、實施和擴展，在此基礎(chǔ)上提出了異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于泥石流監(jiān)測時面臨的系列關(guān)鍵問題.希望通過歸納匯總，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)、泥石流實時監(jiān)測和預(yù)警方法的基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究提供有價值的參考.

1 典型通用的泥石流監(jiān)測方法簡介

1.1 地表位移監(jiān)測法

地表位移監(jiān)測法一般采用2類組件監(jiān)測儀器：①經(jīng)緯儀、測距儀、水準儀；②電子經(jīng)緯儀、全站式速測儀等設(shè)備.第1類儀器的優(yōu)點：系統(tǒng)投入快、監(jiān)測面廣、精度高、安全、直觀，便于準確確定滑坡的變形速度及位移方向，也適用于不同變形時期的位移監(jiān)測.第2類儀器具有速度快、精度高、易操作、自動化程度高、可連續(xù)觀測、監(jiān)測信息量大等優(yōu)點.以上兩大類儀器基本都適用于不同變形時期的地表位移監(jiān)測，但易受崎嶇地形及惡劣氣候條件的影響.

1.2 近景攝影測量法

采用近景攝影測量法觀測時，操作人員無需現(xiàn)場觀測，但攝影觀測站應(yīng)設(shè)立在取景位置、角度理想的地點.本方法適用于針對變形速率較大的泥石流水平位移及危巖陡壁的裂縫變化進行實時監(jiān)測.方法的優(yōu)點是可同時多點觀測、操作簡單；缺點是易受觀測站周圍自然環(huán)境影響，如天氣狀況、被監(jiān)測區(qū)域植被覆蓋率、攝影距離等.

1.3 基于GPS的泥石流監(jiān)測法

GPS方法可以實現(xiàn)三維大地測量，可進行連續(xù)監(jiān)測，作業(yè)簡單方便，具有全天候、全自動、不受地形通視條件的限制等優(yōu)點.但GPS方法運用于泥石流實時監(jiān)測時存在以下不足：①應(yīng)用GPS技術(shù)，只能獲取形變體上部分離散點的位移信息并且監(jiān)測垂直位移的精度較低；②GPS動態(tài)變形監(jiān)測法只能達到厘米級精度，不能滿足更高精度動態(tài)變形監(jiān)測的需求；③動態(tài)變形監(jiān)測中，由于監(jiān)測點在短時間內(nèi)變形微小，變形量體現(xiàn)為微弱信號變量，微弱程度易與監(jiān)測誤差構(gòu)成相關(guān)強噪聲.因此，從受強噪聲干擾的觀測數(shù)據(jù)序列中提取微弱特征信息，以描述監(jiān)測對象變形情況，是GPS動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)待研究改進的關(guān)鍵技術(shù)之一.

1.4 基于RS結(jié)合GIS的泥石流監(jiān)測法

隨著高分辨率遙感衛(wèi)星的出現(xiàn)以及RS和GIS在防災(zāi)減災(zāi)中的廣泛應(yīng)用［12-14］.利用RS和GIS可以預(yù)測泥石流發(fā)生的“場景”并估計區(qū)域內(nèi)由于泥石流發(fā)生引發(fā)的潛在損失.優(yōu)點是：①監(jiān)測范圍廣，能獲得整個滑坡區(qū)域的形變位移數(shù)據(jù)；②可建立泥石流監(jiān)測綜合評價和風(fēng)險區(qū)劃體系，并為泥石流風(fēng)險管理和風(fēng)險決策提供科學(xué)依據(jù).主要缺點是：①需要知道泥石流發(fā)生地區(qū)精確的DEM數(shù)據(jù)，由于泥石流常常發(fā)生在地形陡峭的區(qū)域，在數(shù)據(jù)采集的過程中產(chǎn)生干擾的因素較多，難以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性、精確性；②數(shù)據(jù)采集過程中噪聲較大，嚴重干擾監(jiān)測質(zhì)量，影響測量精度；③天氣條件和植被覆蓋會對測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性不高；④不能夠?qū)逻M行快速、實時的動態(tài)監(jiān)測.

1.5 地下水位監(jiān)測法

降雨是泥石流活動最重要的觸發(fā)因素，它對地下水位有著重要影響.降雨與泥石流往往在時間和空間上存在一致性，并在時間上存在略滯后性.地下水位監(jiān)測法采用水位自動記錄儀對地下水位進行實時監(jiān)測，適用于泥石流滑坡體不同變形階段的監(jiān)測和檢測，其監(jiān)測結(jié)果可作為監(jiān)測系統(tǒng)的輔助決策信息.

1.6 測斜儀監(jiān)測法

測斜儀監(jiān)測法采用人工定期監(jiān)測，定期總結(jié)監(jiān)測資料.雖然一次性投資少，但存在：①不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程和惡劣條件下的采集；②由于數(shù)據(jù)斷續(xù)采集，采集效率低，難以捕獲到滑坡前的重要信息，從而很難實現(xiàn)及時有效的臨界預(yù)測預(yù)報；③不能對災(zāi)害發(fā)生前期、中期和后期進行全過程監(jiān)測預(yù)報；④測量數(shù)據(jù)精度不高；⑤需要組織專人定期監(jiān)測，要保護監(jiān)測鉆孔等，需要大量的人力、物力和資金.

1.7 基于INSAR的泥石流監(jiān)測法

INSAR技術(shù)［15-16］是近年來微波遙感發(fā)展的一個重要方向.INSAR的基本原理是通過雷達衛(wèi)星在相鄰重復(fù)軌道上對同一地區(qū)進行兩次成像，利用所記錄細節(jié)進行干涉處理，解纏計算可獲取地形高程數(shù)據(jù).INSAR具有以下優(yōu)點：①覆蓋范圍大，方便迅速；②成本很低，不需要建立監(jiān)測網(wǎng)；③空間分辨率高，可以獲得某一地區(qū)連續(xù)的地表形變信息；④可以監(jiān)測或識別出潛在或未知的地面形變信息；⑤全天候，不受云層及晝夜影響.缺點是：①合成孔徑雷達干涉測量需要精確的DEM數(shù)據(jù)，由于滑坡常常發(fā)生在地形陡峭的區(qū)域，所以在數(shù)據(jù)采集的過程中，會有很多因素帶來誤差；②潮濕的天氣和高植被覆蓋率會影響到SAR圖像的相關(guān)性，影響測量結(jié)果精度.

1.8 基于WSN的泥石流監(jiān)測法

WSN是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò).由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶.WSN具有大規(guī)模性、自組織性、動態(tài)性、可靠性等優(yōu)點因而得以大量的應(yīng)用于滑坡泥石流監(jiān)測和預(yù)報.

WSN的典型工作方式如下：使用飛行器將大量傳感器節(jié)點（數(shù)量從幾百到幾千個）拋撒到監(jiān)測對象區(qū)域，節(jié)點通過自組織快速形成一個無線網(wǎng)絡(luò).節(jié)點既是信息的采集和發(fā)出者，也充當(dāng)信息的路由者，采集的數(shù)據(jù)通過多跳路由到達網(wǎng)關(guān).網(wǎng)關(guān)（一些文獻也稱為Sink node）是一個特殊的節(jié)點，可以通過Internet、移動通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信，也可以利用無人機飛越網(wǎng)絡(luò)上空，通過機會網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù).

1.9 各種監(jiān)測方法比較

如表1所示，綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及無線通信技術(shù)等眾多先進技術(shù)的基于WSN的泥石流實時監(jiān)測方法，不僅避免了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的很多缺點，而且具有很多顯著優(yōu)點，如：監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可大面積空間分布；監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)自動配置，自動識別節(jié)點與定位；監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可自動管理和高度協(xié)作；監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化快；系統(tǒng)實施、運行費用低，無需鋪設(shè)大量電纜，支持臨時性安裝，系統(tǒng)易于擴展和更新；數(shù)據(jù)融合使得節(jié)點有一定的處理功能；能夠使大量的傳感數(shù)據(jù)存儲到后臺或遠程數(shù)據(jù)庫，能夠進行離線數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)分析等.隨著WSN技術(shù)的發(fā)展，兼顧考慮融合已有的監(jiān)測手段，基于異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的泥石流監(jiān)測系統(tǒng)將是今后研究的重點和難點亦是泥石流監(jiān)測未來的重要發(fā)展方向.

表1 各種泥石流實時監(jiān)測方法比較結(jié)果

2 異構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集端

無線傳感器在泥石流實時監(jiān)測時承擔(dān)了數(shù)據(jù)采集的重要作用.為保證信息的全面性、完整性、有效性，在泥石流實時監(jiān)測中常采用以下傳感器：雨量傳感器［17］、液位傳感器［18］、傾角傳感器［19］、孔隙水壓力傳感器［20］、地下應(yīng)力計傳感器［21］、次聲波傳感器［22］、GPS傳感器［23］、視頻CCD傳感器［24］等.將傳感器嵌入組裝到無線傳感器節(jié)點，然后通過增大監(jiān)測頻率、信號組合等技術(shù)手段實現(xiàn)近似連續(xù)的泥石流環(huán)境多元信息的采集，進而為實現(xiàn)泥石流的實時監(jiān)測和準確預(yù)警預(yù)報提供大量的數(shù)據(jù)支持.

2.1 泥石流實時監(jiān)測中常用的傳感器

表2匯總了根據(jù)泥石流監(jiān)測需要涉及的各種無線傳感器.在泥石流監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計過程中，可實現(xiàn)相近功能不同型號的傳感器種類繁多，表2僅列示了較典型的幾種傳感器形態(tài)、性能參數(shù)以便參考.

2.2 泥石流實時監(jiān)測中常用的傳感器節(jié)點

將具有不同功能的傳感器嵌入組裝到無線傳感器節(jié)點上，使傳感器節(jié)點具有相應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測和采集功能.同時，根據(jù)監(jiān)測對象的實際情況，選擇不同型號的傳感器節(jié)點以實現(xiàn)不同的無線傳輸.因此，異構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)恰好可滿足傳感器異構(gòu)、節(jié)點異構(gòu)、協(xié)議異構(gòu)等監(jiān)測需求.圖1和圖2分別展示了低功耗的節(jié)點和高速率節(jié)點，這2種節(jié)點目前是泥石流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計過程中廣泛使用、協(xié)同組合的傳感器節(jié)點.根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)需求，還可選擇其它不同類型的傳感器節(jié)點以實現(xiàn)更有效的遠程數(shù)據(jù)采集、無線傳輸功能.

表2 典型的應(yīng)用于泥石流監(jiān)測的無線傳感器

續(xù)表

2.2.1 Zigbee低功耗節(jié)點IOT-NODE2530

IOT-NODE2530開發(fā)套件是一款功能強大的2.4G無線傳感網(wǎng)絡(luò)開發(fā)套件，如圖1所示，提供了功能齊全的WSN節(jié)點IOT-NODE2530、全面支持ZigBee［25］2007 Pro的無線通信協(xié)議棧和WSN可視化.套件還提供了通用TICC系列芯片編程器和相關(guān)使用說明.IOT-NODE2530節(jié)點基于TISOC芯片CC2530，該芯片射頻部分采用TI公司第2代IEEE802.15.4［26］射頻芯片CC2520，容量達256 KB的低功耗FLASH存儲器.整個系統(tǒng)采用了標(biāo)準尺寸的接口插針，可實現(xiàn)不同應(yīng)用需求的擴展.

2.2.2 WiFi中高速率節(jié)點IOT-ARM9

IOT-ARM9開發(fā)套件是一個基于NXP LPC3250 ARM9微處理器的無線軟硬件平臺，采用模塊化的設(shè)計理念開發(fā)，注重穩(wěn)定性和可靠性.如圖2所示，極大地簡化了用戶的開發(fā)過程，降低了開發(fā)成本和設(shè)計風(fēng)險.開發(fā)平臺除了集成SPIWiFi（符合802.11 b／g標(biāo)準）［27］和CC1000之外，還支持外擴USB［28］商用攝像頭、商用USBWiFi［29］網(wǎng)卡、WCDMA［30］3G［31］模塊，方便用戶進行各種無線通信開發(fā).此外，平臺還配備了7個TTLIO口、1個USB 2.0接口、1個SD卡座、1個LCD接口、2個UART接口與1個JTAG連接器，可以方便地實現(xiàn)硬件擴展.

3 可選用的無線通信協(xié)議

無線通信協(xié)議是保證采集到的數(shù)據(jù)能夠及時匯聚至決策預(yù)警中心的關(guān)鍵技術(shù).通常根據(jù)傳輸距離不同可將無線通信協(xié)議分為低功率無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)協(xié)議、無線局域網(wǎng)通信協(xié)議和無線廣域網(wǎng)通信協(xié)議.因傳感器節(jié)點的功率有限，傳輸距離有限，所以傳感器節(jié)點通過各種低功率無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)匯聚至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點再通過各種無線局域網(wǎng)通信協(xié)議或者無線廣域網(wǎng)通信協(xié)議將信息傳輸至決策預(yù)警中心，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示.

3.1 低功率無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

在無線異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，可根據(jù)需要混合使用低功率無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)協(xié)議以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，目前在監(jiān)測領(lǐng)域較為常用的低通協(xié)議有：802.15.4、ZigBee、Z-Wave［32］、4 6LoWPAN［33］、Wi-Bree［34］、RuBee［35］等.表3列示了這些低功率無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的基本參數(shù)性能.

3.2 廣域網(wǎng)無線通信協(xié)議

匯聚節(jié)點可采用任意網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)與監(jiān)控中心建立連接，但在泥石流實時監(jiān)測實際應(yīng)用中，匯聚節(jié)點的接入方式應(yīng)首先考慮基于WSN的應(yīng)用環(huán)境所能提供的網(wǎng)絡(luò)接入方式.其次，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相比，WSN是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，匯聚節(jié)點的上行數(shù)據(jù)量大而下行數(shù)據(jù)量小.因此，監(jiān)測系統(tǒng)組網(wǎng)應(yīng)重點考慮上行數(shù)據(jù)率和集成難度.表4為幾種接入方式在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、數(shù)據(jù)率和集成難度方面的比較，采用不同的廣域網(wǎng)無線通信協(xié)議，結(jié)合數(shù)據(jù)采集方式、短距數(shù)據(jù)傳輸方法所構(gòu)成的系統(tǒng)性能亦不同.

表3 各種低功率無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)協(xié)議性能比較

表4 各種廣域網(wǎng)通信協(xié)議性能比較

4 基于無線異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的泥石流監(jiān)測系統(tǒng)方案

4.1 Crossbow公司無線異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)滑坡監(jiān)測方案

Crossbow公司提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡泥石流監(jiān)測方案.方法為在山體容易發(fā)生危險的區(qū)域，沿著山勢走向豎直設(shè)置多個孔洞，將液位及傾角傳感器節(jié)點順序安置如內(nèi)，如圖4所示.由于泥石流現(xiàn)象主要是由雨水侵蝕而產(chǎn)生的，因此地下水位深度是標(biāo)識泥石流危險度的重要指標(biāo).該數(shù)據(jù)由部署在孔洞最下端的液位深度傳感器采集并由無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送.通過傾角傳感器我們可以監(jiān)測山體的運動狀況，部署在不同深度的傾角傳感器將會返回不同的傾角數(shù)據(jù)，如圖4～5所示.

Crossbow的泥石流解決方案使用了液位傳感器以及傾角傳感器，傳感器Mote采集到的數(shù)據(jù)，采用Zigbee通信標(biāo)準匯聚到有線供電的中繼Mote節(jié)點，然后匯聚到Stargate網(wǎng)關(guān).最后通過GPRS協(xié)議接入遠程PC服務(wù)器.優(yōu)點是采用了獨有的Xserver中間件服務(wù)器，可以靈活調(diào)整包括子網(wǎng)數(shù)目、網(wǎng)內(nèi)節(jié)點數(shù)目和數(shù)據(jù)采集間隔，有利于能量的有效利用，同時電池的電壓也被隨時被監(jiān)控有利于及時報警.缺點是僅用了2種傳感器，可供分析的數(shù)據(jù)量比較小.

4.2 臺灣地區(qū)泥石流監(jiān)測異構(gòu)無線架構(gòu)

臺灣地區(qū)從2002年就開始投入了大量的資源來監(jiān)測調(diào)查泥石流［36-38］.設(shè)立了14個固定監(jiān)測站和2臺移動監(jiān)測信息收集車，使監(jiān)測的數(shù)據(jù)能夠及時地傳送到災(zāi)害預(yù)防中心.這些實時觀測數(shù)據(jù)匯聚到本地數(shù)據(jù)中心后通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程中央PC服務(wù)器［39］，如圖6所示.

臺灣地方的泥石流監(jiān)測方案使用雨量傳感器、CCD視頻傳感器、地震波傳感器、空載超聲波水平儀等幾種傳感器來監(jiān)測泥石流活動.這些收集到的實時數(shù)據(jù)通過WiFi無線通信匯聚到本地數(shù)據(jù)中心，然后通過衛(wèi)星通信技術(shù)實時地將收集到的數(shù)據(jù)傳送到中央PC控制端的GIS系統(tǒng)，同時在危急時刻也可以用2輛車載移動監(jiān)測站對泥石流災(zāi)害數(shù)據(jù)進行實時收集.另外此方案還使用了特有的集成GPS傳感器模塊和加速度傳感器的防水智能圓錐截頭體，方便在泥石流發(fā)生時進行實時泥石流流速及位置的實時預(yù)警.優(yōu)點是臺灣地區(qū)是地震多發(fā)區(qū)，采用地震波傳感器，采集到可供分析參考的實時數(shù)據(jù)很多，缺點是費用昂貴.

4.3 漢康國土地質(zhì)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

漢康地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于WSN和三維電子地圖的災(zāi)害點信息瀏覽、查看、定位、查詢等處理.提供集災(zāi)害體地理信息、監(jiān)測信息于一體的綜合管理系統(tǒng)，實現(xiàn)實時、直觀、動態(tài)、可視化的環(huán)境信息展示、監(jiān)測和分析.結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、實時采集地質(zhì)災(zāi)害體關(guān)鍵部位監(jiān)測數(shù)據(jù)，如位移傳感器、雨量傳感器等，實時地了解各災(zāi)害體的實時情況，及時發(fā)現(xiàn)異常，最大限度地降低泥石流災(zāi)害造成的危害.

漢康國土地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)采用了雨量傳感器、位移傳感器和CCD傳感器，前2種傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至監(jiān)測指揮中心PC端，CCD傳感器采集到的高速率數(shù)據(jù)通過光纖傳輸至監(jiān)測指揮中心PC端.優(yōu)點是系統(tǒng)將傳感器感知的數(shù)據(jù)同遠程地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）結(jié)合起來，并可實現(xiàn)短信告警，能在一定時效上減少泥石流等自然災(zāi)害造成的損失，缺點是費用過高.

4.4 MUNOLD泥石流監(jiān)測模型

MUNOLD泥石流監(jiān)測系統(tǒng)［40］是中國同濟大學(xué)的學(xué)者與美國俄亥俄州立大學(xué)的學(xué)者合作提出的一種泥石流實時監(jiān)測的模型.

模型采用了表面移位傳感器、孔隙水壓力傳感器、大小傾斜度傳感器、加速度傳感器、裂縫探測傳感器、地下應(yīng)力計傳感器、雨量傳感器、GPS傳感器、CCD視頻傳感器等.各種傳感器所獲得的數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點后，低速率數(shù)據(jù)通過DT80（可編程智能數(shù)據(jù)采集器）再經(jīng)GPRS無線接入數(shù)據(jù)匯聚中心，也可通過3G無線通信技術(shù)傳輸至遠程PC端.

幾個典型的監(jiān)測系統(tǒng)方案比較如表5所示.

表5 各種泥石流監(jiān)測方案比較

4.5 OGC-SWE標(biāo)準化

開放地理信息聯(lián)盟（open geospatial consortium，OGC）［41］是一種基于公共接口訪問模式的互操作方法.OGC-SWE傳感器網(wǎng)絡(luò)接入框架（the OGC sensor web enablement，OGC-SWE）是一種將各種傳感器監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)傳輸至Internet網(wǎng)絡(luò)的開放標(biāo)準.在SWE框架內(nèi)通過各種已經(jīng)存在的各種編碼方法來描述傳感器觀測值，通過各種標(biāo)準來定義網(wǎng)絡(luò)服務(wù).其基本組件囊括了各種無線傳感器、協(xié)議、設(shè)備和監(jiān)測對象，如圖8所示.基于OGC-SWE，泛在網(wǎng)絡(luò)可以將不同地區(qū)、不同空間分布的各種監(jiān)測用的傳感器接入計算機網(wǎng)絡(luò).因此，OGC-SWE為基于異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的泥石流監(jiān)測系統(tǒng)提供了良好的理論基礎(chǔ)和廣泛可靠的技術(shù)標(biāo)準，是包括泥石流災(zāi)害實時監(jiān)測在內(nèi)各種傳感器實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢.

綜上所述，國內(nèi)外已廣泛研究泥石流監(jiān)測和預(yù)警的基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)，并已開展了大量全方位的泥石流監(jiān)測、預(yù)警、治理等理論和應(yīng)用研究.國內(nèi)外關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在災(zāi)害監(jiān)測方面的理論研究和應(yīng)用也較成熟，已存在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行泥石流實時監(jiān)測的系統(tǒng).

5 展望與未來

目前，已初步形成多元信息融合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和相應(yīng)標(biāo)準，使得基于異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的泥石流監(jiān)測系統(tǒng)的研究具備了良好的理論基礎(chǔ)和廣泛可靠的技術(shù)標(biāo)準，但在監(jiān)測系統(tǒng)實施、推廣、應(yīng)用的過程中仍有許多技術(shù)問題有待解決，大致可分為以下幾個方面.

5.1 與RS、GIS、GPS無線監(jiān)測技術(shù)的融合研究

3 S（RS、GIS、GPS）可以實現(xiàn)對泥石流災(zāi)害地區(qū)及時監(jiān)測，如將異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其融合，必將對泥石流的實時監(jiān)測發(fā)揮重要作用.通過將大尺度、粗粒度的3S監(jiān)測技術(shù)與小尺度、細粒度的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，在交通不便、電力和通信等基礎(chǔ)設(shè)施薄弱、人員值守困難且需實時或動態(tài)監(jiān)測和預(yù)警地區(qū)實施智能化的監(jiān)測是一項緊迫和有價值的工作.同時，兼顧優(yōu)化配置現(xiàn)有泥石流監(jiān)測站網(wǎng)，有效進行網(wǎng)絡(luò)融合，包括節(jié)點融合、協(xié)議融合、接入融合、數(shù)據(jù)融合是基于異構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)面臨的巨大挑戰(zhàn).有效的網(wǎng)絡(luò)融合是基于3S的泥石流監(jiān)測異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能否發(fā)揮預(yù)期功能的關(guān)鍵.

5.2 異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究

單一的無線網(wǎng)絡(luò)不足以應(yīng)對監(jiān)測系統(tǒng)中多元的傳感器、變化的傳輸距離和不同的傳輸需求.隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的廣泛深入，包容、泛在、異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)特性是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和主要趨勢.這方面的研究將有著很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景.關(guān)于異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究內(nèi)容主要涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與計算網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同融合、異構(gòu)節(jié)點管理、異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理、異構(gòu)設(shè)備協(xié)同工作等方面.

5.3 能量有效性

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能耗始終是難以避免的問題.無線傳感器節(jié)點作為微小器件，只能配備有限的電源，在泥石流災(zāi)害多發(fā)區(qū)域，更換電源近乎不可能，尤其像CCD視頻傳感器的能耗很大，所以高效的休眠機制、MAC協(xié)議、路由協(xié)議、跨層協(xié)議以及結(jié)合太陽能電池板、可充電電池、SINK節(jié)點的電源供應(yīng)等問題仍是異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)迫切需要研究的問題.

5.4 可擴展性

異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以容納成千上萬節(jié)點.當(dāng)前真實的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境提出了使用數(shù)十到數(shù)百個節(jié)點.隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不斷深入，應(yīng)對超大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案、冗余數(shù)據(jù)處理、設(shè)備自動升級修復(fù)技術(shù)無疑將是異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)研究的重要發(fā)展方向.

5.5 面向CPS的網(wǎng)絡(luò)控制與管理

CPS［42-44］是包含了人和生物等生命體在內(nèi)的與物理環(huán)境直接交互的反饋系統(tǒng).CPS中的“Cyber”和“Physical”可以視為2個具有節(jié)點交互的網(wǎng)絡(luò)：“Physical”層包含了多個相互聯(lián)系的物理實體，“Cyber”層由眾多的智能監(jiān)控節(jié)點（包含了人、服務(wù)器、信息站點或者各種移動設(shè)備等）和它們之間的通訊聯(lián)系構(gòu)成.在“Physical”層和“Cyber”層相互作用下，系統(tǒng)通過計算、通信和控制技術(shù)實現(xiàn)信息的交互和決策.隨著CPS概念的提出，無線異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)泥石流監(jiān)測系統(tǒng)必然走向CPS，為使各組件和網(wǎng)絡(luò)資源有效協(xié)同工作，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有高度自助感知、自助判斷、自助調(diào)節(jié)和自治能力，形成虛擬世界和物理世界互聯(lián)協(xié)同的下一代智能系統(tǒng).網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合、不確定信息信號的實時可靠處理與通訊、動態(tài)資源與能力的有機協(xié)調(diào)和自適應(yīng)控制等均是異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究亟待解決的問題.

總之，關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行泥石流災(zāi)害監(jiān)測的研究主要涉及監(jiān)測端設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送、路由方式等方面.研究成果可進一步推廣應(yīng)用于我國泥石流多發(fā)區(qū)域的泥石流監(jiān)測和預(yù)警；研究成果也可用于滑坡、崩塌、山洪、地震等災(zāi)害的監(jiān)測，以及在水土保持、環(huán)境、林業(yè)和農(nóng)業(yè)狀況監(jiān)測等領(lǐng)域得到進一步推廣和應(yīng)用.隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，基于異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在泥石流災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警等自然災(zāi)害監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用研究成果也將會產(chǎn)生更大的社會效益和經(jīng)濟效益.

［1］中華人民共和國國土資源部.全國地質(zhì)災(zāi)害通報［EB／OL］.（2011-07-08）［2013-10-30］http：／／www.cigem.gov.cn.

［2］楊永毅.滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)發(fā)展綜述［J］.國外建材科技，2008，29（3）：84-86.

［3］李彩林，張劍清，郭寶云.利用近景攝影測量技術(shù)的滑坡監(jiān)測新方法［J］.計算機工程與應(yīng)用，2011，47（3）：6-8.

［4］林水通.滑坡災(zāi)害監(jiān)測方法綜述［J］.福建建筑，2006（05）：73-74.

［5］肖鸞，胡友健，王曉華.GPS技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用綜述［J］.工程地球物理學(xué)報，2005，2（2）：161-164.

［6］過珺，楊久龍，丁志剛，等.GPS在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究——以四川雅安峽口滑坡為例［J］.地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2004，10（1）：65-70.

［7］王治華.RS＋GCPs獲取滑坡基本信息［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2004，15（1）：94-101.

［8］張友誼，胡卸文，朱海勇.滑坡與降雨關(guān)系研究展望［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2007，16（1）：104-108.

［9］湯國起，周策.采用鉆孔傾斜儀監(jiān)測滑坡深部水平位移方法和儀器的研究［J］.探礦工程，2008（12）：19-22.

［10］張潔，胡光道，羅寧波.INSAR技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究［J］.工程地球物理學(xué)報，2004，1（2）：147-154.

［11］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［12］張亞利.3S集成在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用［C］／／城鄉(xiāng)建設(shè)中的現(xiàn)代測繪高新技術(shù)研究與應(yīng)用.重慶，2012：246-248.

［13］張東輝.采用GIS和RS技術(shù)研究單體滑坡災(zāi)害風(fēng)險評估模型［D］.成都：成都理工大學(xué)，2010.

［14］楊軍杰，張志，王旭，等.汶川縣地震次生山地地質(zhì)災(zāi)害遙感調(diào)查［J］.山地學(xué)報，2008，26（6）：755-760.

［15］張拴宏，紀占勝.合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）在地面形變監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2004，15（1）：112-117.

［16］韓子夜，薛星橋.地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方法技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2006，16（2）：139-141.

［17］郭劍鷹.雨量傳感器產(chǎn)品綜述［J］.汽車電器，2007（11）：1-3.

［18］孫萬里，劉憲林.兩線制電容式數(shù)字液位傳感器研制［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009（3）：12-14.

［19］邵曉敏.全量程無線傾角傳感器設(shè)計［D］.上海：上海大學(xué)，2012.

［20］鐘佳玉，鄭永來.孔隙水壓力傳感器的改裝設(shè)計［J］.實驗室研究與探索，2010，29（10）：45-48.

［21］曾輝，余尚江.巖土應(yīng)力傳感器設(shè)計和使用原則［J］.巖土工程學(xué)報，1994，16（1）：93-98.

［22］許文杰.基于次聲波的泥石流監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計［D］.上海：東華大學(xué)，2013.

［23］羅發(fā)貴，張杰，隋良紅.基于CAN總線的GPS傳感器應(yīng)用開發(fā)研究［J］.中國測試，2012，38（2）：106-109.

［24］王蘊珊.基于CCD傳感器的電子實驗測量技術(shù)研究［J］.英才高職論壇，2007，9（4）：53-54.

［25］施承.基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究和實現(xiàn)［D］.南京：東南大學(xué)，2006.

［26］張舸，劉利強，周細義，等.IEEE 802.15.4協(xié)議的性能分析與仿真［J］.電子技術(shù)，2011（5）：76-78.

［27］王忠鋒，高路，王宏.基于802.11b的無線現(xiàn)場設(shè)備通信協(xié)議的研究［J］.計算機應(yīng)用研究，2003（11）：149-151.

［28］鮮征征.USB通信協(xié)議及接口驅(qū)動程序的研究與開發(fā)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2005.

［29］楊穎，陳之龍，黃杰黃，等.基于USB攝像頭的嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)［J］.微計算機信息，2007，23（22）：12-13.

［30］曹金武.WCCDMA網(wǎng)絡(luò)的精細優(yōu)化［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2012.

［31］陳力.B3G／4G系統(tǒng)中的無線資源分配的研究［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2012.

［32］丁飛，張西良.Z-Wave與Zigbee的比較及應(yīng)用分析［J］.現(xiàn)代電信科技，2005（12）：54-57.

［33］周圓圓.6LoWPAN嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計與安全性研究［D］.濟南：山東大學(xué)，2012.

［34］寶大力，朱勇，德愛玲.Wibree無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討［C］／／中國電子學(xué)會第十五屆信息論學(xué)術(shù)年會暨第一屆全國網(wǎng)絡(luò)編碼學(xué)術(shù)年會論文集.北京：國防工業(yè)出版社，2008：243-246.

［35］李建岐，雷煜卿，侯寶素.RuBee技術(shù)簡介及其在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.中網(wǎng)技術(shù)，2010，34（8）：199-204.

［36］LEEH C，BANERJEE A，F(xiàn)ANG Y M，et al.Design of a multifunctional wireless sensor for in-situ monitoring of debris flows［J］.Instrumentation and Measurement，IEEE Transactions on，2010，59（11）：2958-2967..

［37］TRAN H H，WONG K J.Wireless mesh networking for in-network processing of low-cost gps devices［C］／／Wireless Communications，Networking and Mobile Computing（WiCOM），2011 7th International Conference on.IEEE，2011：1-4.

［38］CHO C Y，CHOU P H，CHUNG Y C，et al.Wireless sensor networks for debris flow observation［C］／／Sensor，Mesh and Ad Hoc Communications and Networks，2008.SECON＇08，5th Annual IEEE Communications Society Conference on.IEEE，2008：615-617.

［39］KO H Y，F(xiàn)ANG Y M，CHANG Y H.Using mobile sensors for in-situ monitoring of debris flows in Taiwan［C］／／Geoinformatics，2009 17th International Conference on.IEEE，2009：1-4.

［40］LU P，WU H，QIAOG，et al.MUNOLD：Landslide monitoring using a spatial sensor network［C］／／Mechanical Engineering and Technology.Berlin Heidelberg：Springer，2012：285-289.

［41］LI QI-AN，PENG L，GUI-ZENG F，et al.The solarpowered module design of wireless video monitoring system［J］.Energy Procedia，2012，17：1416-1424.

［42］MELODIA T，POMPILI D，AKYILDIZ IF.A communication architecture for mobile wireless sensor and actor networks［C］／／Sensor and Ad Hoc Communications and Networks，2006.SECON＇06.2006 3rd Annual IEEE Communications Society on.IEEE，2006，1：109-118.

［43］MELODIA T，POMPILI D，GUNGOR V C，et al.A distributed coordination framework for wireless sensor and actor networks［C］／／Proceedings of the 6th ACM international symposium on Mobile ad hoc networking and computing.ACM，2005：99-110.

［44］ZHANG F，SZWAYKOWSKA K，WOLFW，et al.Task scheduling for control oriented requirements for cyberphysical systems［C］／／Real-Time Systems Symposium，2008.IEEE，2008：47-56.

（責(zé)任編輯 莊紅林）

A summary study of the heterogeneous wireless sensor network monitoring system for debris flow

FAN Jing1，XIE Jian-bin2，WANG Jin-long1，QU Jin-shuai1
（1.Key Laboratory of Wireless Sensor Networks in Universities of Yunnan Province，Yunnan University of Nationalities，Kunming 650031，China；2.School of Urban Construction and Management，Yunnan University，Kunming 650091，China）

Several typical general debris flow monitoring methods are described，and then the monitoring methods based on the wireless sensor network are introduced.Afterward，it gives a comparative study of the sensors，sensor nodes，transmission protocol，system modeling and implementation principles for the debris flow monitoring system based on heterogeneous wireless sensor networks.Those techniques could help the design and application of the monitoring system.On this basis，a series of key issues which need to be discussed for the debris flow monitoring system based on heterogeneous wireless sensor networks are put forward.This study can help improve the related theoretical studies and application in terms of wireless sensor networks，landslides，heterogeneous sensor networks，real-time monitoring and pre-warning on debris flow.

heterogeneous wireless sensor networks；debris flow；monitoring；wireless protocol；system model

TP393

：A

：1672-8513（2014）01-0001-10

2013-10-30.

國家自然科學(xué)基金（60963026，61163061）；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)研究計劃項目（2011FZ174）.

范菁（1976-），女，博士研究生，教授，碩士生導(dǎo)師.主要研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能計算與環(huán)境監(jiān)測.