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.doc

专业提供物联网实验室开发套件、实验室建设、项目集成基于Zigbee、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/3G E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。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。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。（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1015天、中期预测35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-）0.12.0MPa可选；（2） 分辨率： 0.15%F.S（其余量程）；（3） 不重复度：0.5%F.S；（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：0100%（m3/m3）精度：050%（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：12V DC工作电流：50 mA输出信号：420mA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：28精度：0.23.4 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：5672mm；（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。性能参数：（1） 有效量程：0mm1000mm；（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、隧道等的长期观测，包含传感器本体、激振模块、测频模块，抗干扰能力强、长期稳定、密封可靠。性能参数：（1） 量程：（0-）0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.8，1.0，1.5，2.0，3.0，5.0，10.0MPa可选；（2） 分辨率：0.2%F.S（0.1，0.2MPa）; 0.15%F.S（其余量程）；（3） 不重复度：0.5%F.S；（4） 综合误差：1%F.S;（5） 工作温度：0-70。3.7次声监测单元泥石流在形成和运动过程的声发射信号中有次声成份，这种次声成份为有确定的时域和频域特性的信号，几乎不衰减且约等于声速，以空气为介质传递。次声监测单元能在泥石流到达前率先捕捉到它的次声信号，可以提前报警。次声监测单元是一个独立的监测单元，连续通电工作，实时监测附近的次声信号，每隔3-5分钟上报一次数据，不具备远程设置的功能，需事先在下位机设置好IP地址、端口号。监控中心收到数据后，进行分析处理，达到按经验设定好的报警阈值时，自动发出报警信息，并通过短信通知相关人员。性能参数：（1） 传感器灵敏度约50mV/Pa；（2） 数据采样频率50Hz100Hz；（3） 存储卡容量：512M，可存储90小时数据；（4） 功耗：4W；（5） 额定电压：AC220V/50Hz/DC12V；（6） 工作电压AC176-264V，40-60Hz，DC10V-15V。3.8土壤PH传感器土壤PH传感器主要用于长期监测土壤PH值的变化，采集的数据通过无线的方式传输到控制端，以利于时时了解土质的变化情况及实施保护措施。性能参数：（1）测量范围；0-14PH（2）温度范围；0-80（3）零电位PH值；70.25PH（4）斜率；95%（5）相应时间；10秒（6）精度；0.02PH（7）输出；1999mV，25时一个PH单位对应于59.16mV3.9视频摄像头摄像头采用海康的机械驱动的云台摄像头，可以通过控制程序调节摄像头拍摄的角度和距离，最终将视频数据传输到指控中心。指控中心的视频服务器实时存储每个摄像头采集到的数据，以供如后分析。视屏模块方案采用国内安防产品提供商杭州海康威视的4寸网络高速智能球机。主要特性（1）系统功能: 采用1/4索尼高性能CCD, 图像清晰 精密电机驱动, 反应灵敏, 运转平稳, 精度偏差少于0.1度, 在任何速度下图像无抖动 支持RS-485控制下对HIKVISION、Pelco-P/D协议的自动识别 支持三维智能定位功能, 配合DVR和客户端软件可实现点击跟踪和放大 支持多语言菜单及操作提示功能, 用户界面友好 支持数据断电不丢失 支持断电状态记忆功能, 上电后自动回到断电前的云台和镜头状态 支持光纤模块接入 支持内置温度感应器, 可显示机内温度 支持防雷、防浪涌、防突波功能 室外球达到IP66防护等级 支持3D数字降噪 支持定时任务预置点/花样扫描/巡航扫描/水平扫描/垂直扫描/随机扫描/帧扫描/全景扫描等功能（2） 机芯功能: 支持自动光圈、自动聚焦、自动白平衡、背光补偿和低照度(彩色/黑白)自动/手动转换功能, 宽动态功能可选 支持隐私屏蔽（3）云台功能: 水平方向360连续旋转, 垂直方向-5-185, 无监视盲区 水平预置点速度最高可达150/s, 垂直预置点速度最高可达100/s 水平键控速度为0.1150/s, 垂直键控速度为0.1100/s 支持256个预置位, 并具有预置点视频冻结功能 支持8条巡航扫描, 每条可添加32个预置点 支持4条花样扫描, 每条路径记录时间大于10分钟 支持比例变倍功能, 旋转速度可以根据镜头变倍倍数自动调整 支持守望功能, 预置点/花样扫描/巡航扫描/水平扫描/垂直扫描/随机扫描/帧扫描/全景扫描可在空闲状态停留指定时间后自动调用(包括上电后进入的空闲状态) 支持报警功能, 内置2路报警输入（7路可选）和2路报警输出, 支持报警联动, 可在报警后触发调用预置点/巡航扫描/花样扫描/SD卡录像/触发开关量输出/客户端电子地图（4）网络功能: 采用H.264视频压缩算法和TI高性价比的最新达芬奇处理芯片和平台, 性能可靠稳定 支持以太网控制, 同时支持模拟接入 可通过IE浏览器和客户端软件观看图像并实现控制 支持SDHC卡和标准的SD卡存储 支持三级用户权限管理 支持双码流技术 支持多种网络协议, TCP/IP、HTTP、DHCP、DNS、RTP/RTCP、PPPoE(FTP、SMTP、NTP、SNMP可添加) 支持1路音频输入和1路音频输出（5） 应用场景可广泛应用于需要大范围监控的场所, 如:河流、森林、公路、铁路、机场、港口、岗哨、广场、公园、景区、街道、车站、大型场馆、小区外围等场所。（6） 外形尺寸(单位:mm)4 传感网组件传感网组件由Zigbee低功耗节点IOT-NODE2530和WiFi中高速率节点兼网关IOT-ARM9组成，具体介绍如下：4.1 Zigbee低功耗节点IOT-NODE2530IOT-NODE2530开发套件是一款功能强大的2.4G无线传感网络（WSN）开发套件，它提供了功能齐全的WSN节点IOT-NODE2530、全面支持ZigBee 2007 Pro的无线通信协议栈和WSN可视化软件。套件还提供了通用TICC系列芯片编程器和相关使用说明。IOT-NODE2530节点基于TI SOC芯片CC2530，该芯片射频部分采用TI公司第二代IEEE 802.15.4射频芯片CC2520，容量达256KB的低功耗FLASH存储器。整个系统采用了标准尺寸的接口插针，可以实现按照不同的应用需求进行扩展。性能参数：（1）CC2530F256：增强型8位的8051 处理器（2）芯片闪存：256kB Flash、8kB 内部SRAM（3）工作电压：2.0V3.6V（4）工作频率：2.4GHz（5）低功耗：具有四种低功耗工作模式，最低功耗模式下工作时仅0.4A的流耗，外部中断能唤醒系统（6）传输速率：250Kbps（7）可编程的输出功率高达4.5dBm（8）节点开关： 1个电源选择开关；（9）供电方式： 2节5号电池供电，USB供电以及外接电源供电；（10）接口：1个RS232接口；10针J