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(多图) 利用无线传感器网络提高地质灾害监测能力

Crossbow 北京代表处无线产品经理 秦飞?? 2010年01月27日 ?? 收藏0

?  当然,地震监测网络由于部署地点确定,使用有线监测方式是较为合适的选择。但是在应急情况下,可以随时部署获取数据的无线地震监测网络也具有相当的意义。比如在地震之后用以监测余震的发生,机械波的传递远远慢于无线电波,因此可以抢出宝贵的几分钟预警时间给救援人员后撤。

  美国哈佛大学在去年部署了一套类似的应急地震监测系统,主要部署在火山地区用来监测因火山爆发而导致的地震信息。系统采用TelosB无线传感器节点,搭载 24位ADC用以监测MEMS加速度计传送的微弱振动信息。节点以火山口为中心径向部署,间隔数百米部署一个节点。在部署完毕后可以监测出地震沿径向传播各点的振动信息。

  类似的系统在余震监测和震后应急补充部署时将具有重要的意义。中国地震局、哈尔滨工程力学研究所、中国台湾地震研究中心在近年都开始进行类似项目的研究。期待在不远的将来能有类似装备问世。

  3.建筑物健康监测

  在地震中,对人民生命财产安全造成最大伤害的就是建筑物的倒塌。而现今大都市中,摩天大楼林立,在汶川大地震中,北京地区也有震感,高层写字楼均有晃动,大量人员有不适感,但直至通过广播、网络确认地震发生后,写字楼人员方开始撤离。如果震中在北京附近,这几分钟的迟疑就会带来高层写字楼数千生命的消逝,而北京至少拥有数百栋高层写字楼。

建筑物健康监测

  加速度计依然是监测建筑物的最简单有效方式。美国加州大学伯克利分校在Cross-bow的协助下对旧金山金门大桥部署过建筑健康监测系统。其本意是用来检测桥体在风力作用下的各个关键受力点的振动状况,整体数据建模后就可以分析出桥体受损老化严重的部分,从而进行有针对性的修补。

  桥体和高层建筑有一个共同的特点,就是建筑结构及其敏感,因此其前端的测量点部署很难采用有线方式,否则极易损害建筑结构受力。而无线技术,特别是不需供电的低功耗无线技术,在解决建筑物健康监测前端100米数据获取中具有极其重要的意义。节点具有无线能力,体积较为小巧,可以很容易地安装在建筑物的关键受力点上,而不影响建筑物外观。具有低功耗能力,节点一经部署不需要频繁更换。省去了复杂耗时的布线操作,只要打开节点开关,位于建筑物监控中心的接收终端就可以实时获取数据,与建筑报警系统联动后,一旦探测到可能威胁到建筑物的震动信息,立即发出报警通知建筑物内人员撤离。平时该系统收集的数据还可以用来监测建筑物老化状况,为建筑物维护提供辅助决策信息。

建模分析

  Crossbow 在国内与哈尔滨工程大学欧进萍院士领导的研究团队建立了联合实验室,专门针对建筑物健康监测进行研究。相关研究成果已经在国内数座桥梁的维护工作中得到应用。Crossbow也推出过提供全套源代码的入门级振动套件,支持六个节点同步采集4G加速度计信息,并传回网关,通过Labview进行后期建模分析工作,可以作为广大研究和工程人员的一个参考设计。

  问题与解决方案

  1. 通信距离

  在将无线传感器网络应用野外时最大问题是如何保证Mote节点在重植被覆盖下仍能正常组网通信。容易发生地质灾害的山区往往植被密集,Crossbow在进行香港项目(环境非常类似山区,人迹罕至,高达一人高的野草和大量树木)之前数次排人进行实地考察,并进行了详细的讨论和分析,最终2.4GHz被认为最为合适该环境的使用。

无线信号产生衰减

  由上表可以看出,重植被与暴雨都会对无线信号产生衰减。433MHz由于其波长较长,因此绕射性能较好,在雨中具有较好的表现。2.4GHz由于波长较短,穿透性较好,在重植被环境下具有较好的表现。而根据上表重植被造成的衰减为暴雨的数千倍,且系统工作在降雨环境下的时间应该在50%以下。因此 2.4GHz应该更适合野外环境的使用。

频谱环境

  此外,考虑频谱环境,目前使用2.4GHz的商用设备如WiFi,BlueTooth多为短距设备,因此2.4GHz频段较为干净,干扰较少。400MHz 与900MHz的干扰则相对较多。在地质灾害发生时,大量使用的单兵电台,步话机等及其容易造成相互干扰。从避免干扰的角度来说,2.4G是较佳的选择。

  尽管2.4GHz具有相对较好的表现,重植被和降雨仍然会对无线信号产生较大的衰减。Crossbow在2007年最新推出了IRIS 节点,由于采用了全新的AT1281+RF230芯片组,以及模块化设计生产。IRIS在通信距离指标上得到大幅提高,同时其功耗反而得到一定降低。

环境测试

  由上图可见,在北京后海地区进行的湖面环境测试时,该节点达到了一公里的通信距离。在换装5dBi增益天线后,IRIS节点在北京二环路上下班高峰时期的车辆密集情况下也达到了500米的通信距离。而其功耗相对原有的MicaZ节点降低了1/3左右。


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无线传感器? 地质灾害? 地震监测?

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