基于WSN滑坡检测案例分析
《无线传感网络技术及应用》课程报告
——基于WSN滑坡检测案例分析
- 引言
自然灾害因为出现突然，发生时间短，所以在很大程度上是不可预测的，而利用WSN技术可以通过捕捉周边环境的实时情况变化，做到快速响应答复进而让人们提前做好防护准备，减少损失。印度的相关研究人员利用WSN技术在印度喀拉拉邦伊杜基市设计和部署了滑坡探测系统[]，本文则是对该探测系统进行一个应用案例分析。
2.传感器类型
因为是关于缓坡的检测，该应用需要采集对的环境信息有土壤的实时检测情况，坡度的变化，降雨入渗的具体参数，地下水位的高度，土壤岩石的强度，孔隙压力大小等等数据，这样才能方便找到暴雨等条件下诱发滑坡的地质等因素。
传感器的选择方面则要有孔隙压力传感器、土壤水分传感器、介电水分传感器、检波器、应变仪和倾斜仪。
3.节点部署
研究人员在可能出现滑坡的山体上，根据广泛的现场调查，选定了用于安放传感器的传感器柱子的部署情况，共选定了20个传感器柱的位置，安置了150个传感器。
其中每个部署点都有两个传感器组组成，共有十个传感器，同时还有六个无线传感器节点一同被部署在部署点。其中一根传感器柱部署在渗水线汇聚的坡脚区域，同时在不同深度的环境下（即2m和5m的位置）安装孔隙压力传感器和介电水分传感器，每隔5分钟进行一次数据的收集。检测器也被安装在传感器组上，以每秒10个采样的速率采样。连接到传感器柱的Mica Z无线传感器节点将数字化数据值传输到上层传感器节点。
另外一个传感器柱则与运动传感器相连放置在不稳定区域，该传感器柱有三分倾斜仪（1m,2m,3.5m)和三个应变仪(1.5m,2.5m,4m),用于捕捉传感器柱弯曲情况电介质湿度传感器则连接到1英尺深的传感器柱上，无线传感器节点每隔5分钟利用上面传感器进行一次采样，并将数据发送到网络中上层传感器节点。
4.电源供应解决方案
已经开发了电源电路，为传感器的激励和接口电路的供电提供恒定功率。电源电路由电压调节器和负电压转换器IC组成，并从铅酸蓄电池向传感器及其接口电路提供不同的电压。铅酸蓄电池由太阳能充电装置自动充电。
5.测试平台
无线传感器网络遵循两层结构，下层无线传感器节点从传感器列中采集异构数据，数据包传输到上层。上层聚合数据并将其转发到部署站点上的接收器节点(网关)。
网关接收到的数据必须传输到距离网关约500米的现场管理中心(FMC)。网关和FMC之间使用Wi-Fi网络建立连接。FMC包括VSAT (甚小孔径终端)卫星地面站和用于远距离数据传输的宽带网络等设施。VSAT卫星地球站用于从位于印度南部喀拉拉邦Munnar的现场部署站点到距离数据管理中心(DMC)的数据传输。
DMC由数据库服务器和分析站组成，分析站对现场数据进行数据分析和滑坡建模与仿真，以确定滑坡概率。
6.网络设计
传感器柱连接至与数据采集板集成的无线传感器节点。电流传感器柱之间的距离约为50米，坡度约为70%。 由于地形结构和植被，传感器列的数据无法到达网关。主要原因是第一个传感器列和网关之间以及第二个传感器列和网关之间没有相应的路径。因此在传感器柱本身和网关之间使用了三个中继节点。其中一个中继节点是第一传感器列的簇头。来自簇头的数据以数据包的形式传输到网关。在网关上，接收到的数据包被记录时间和存储。用于测试部署的无线传感器节点是Crosbow的2.4 GHz MicaZ motes。网关是一台单板计算机， 具有64 MB RAM、32 MB闪存，以及用于通过收发器发送和接收消息的固定基站遥控器。
W1-Fi网络用于将数据从网关传输到FMC,并使用外部天线。Wi-Fi网络允许将网关安装在距离FMC任何可扩展的距离。该网络已使用WLAN标准进行了测试。滑坡场景中的基本卫星通信网络基于VSAT。在滑坡部署现场收集的地质数据通过VSAT地球站从部署现场的FMC传输至阿姆利塔大学阿姆利塔普里校区的DMC。数据使用UDP协议传输，该协议包括恢复丢失的数据包、损坏的数据包、安全传输、VSAT不可用时通过宽带路由、在两个网络都不可用时将数据缓冲到磁盘以及在网络连接后立即发送数据等。
7.WSN相关算法
WINSOC项目开发了一种完全创新的设计方法，通过附近低成本传感器之间的适当交互，实现整个传感器网络的高精度和可靠性。这种局部交互比每个传感器提供更精确的分布式检测。因此,部署站点的无线传感器网络使用相同的概念进行分布式检测、估计和协商，以达成可靠的决策。该研究集中于检测降雨诱发的滑坡,因此，必须在雨季收集最相关的数据。对此，研究人员开发了一种基于阈值的算法，该算法将影响地质传感器的采样率，并使用基于降雨和孔隙压力的警报级别将数据传输到更高层。状态级转换也与这些方法一起被纳入无线传感器节点中。这两种方法都可以减少每个节点的能耗，这也有助于减少整个网络
的能耗。同时这些要求的实现也是基于时间同步的基础上。
8、反馈系统设计
该系统主要用于远程管理传感器的实时气候变化采样率，监测电池充电水平，监测太阳能充电率水平，以及反馈无线传感器节点或传感器故障等问题。
9、数据处理系统
为了更好的检测环境变化，研究人员使用综合滑坡建模软件和内部设计的数据可视化软件对DMC接收到的数据进行分析，该软件能够根据部署的传感器接收到的信号确定山体安全系数和滑坡发生概率。它还能够比较和分析来自不同传感器列、不同传感器、选择性比较等的数据。以最小的数据包丢失成功地从部署站点接收数据，把执行数据分析。
该数据分析软件已集成了通过interneti进行真实数据流传输的功能并且被上传到网页www.winsoc.org上。世界各地的科学家都可以利用它进行最小的延迟分析数据，并及时发出有效的警告。
