专利名称：一种山区突发性洪水监测与预警系统及其构建方法
技术领域：
本发明属于大自然灾害实时监测及预警技术领域，特别是一种山区突发性洪水监测与预警系统及其构建方法。
背景技术：
我国山区面积约占国土陆地面积的2/3，主要处于东亚季风区，地形、地貌、地质条件复杂多样，气候因素复杂多变，加之人口密集，人类活动影响程度高，由暴雨、持续性降雨诱发引起的山区突发性洪水灾害频发，每年造成大量人员伤亡和财产损失，是我国自然灾害造成人员伤亡的主要灾种之一。建立山区突发性洪水监测及灾害预警系统是国家防治山洪灾害的一项重要的非工程性措施。山区突发性洪水综合监测及灾害预警系统体现监测、通信及预警一体化，由信息获取子系统、通信网络子系统、决策支持子系统、预警子系统组成。系统通过利用和重建气象站网、水文站网、地质灾害站网，对汛情和灾害情况，利用通信技术进行实时监测，并对信息进行加工处理，利用监控软件自动进行预测、预警，通过各种有关的预警通知和警报设施，提前通知有关成员单位、防汛责任人、危险区居户，做好山洪抢险组织、转移撤离准备， 最大地减少人员和财产损失，提高对山区突发性洪水灾害快速、全面、准确的预报、预警以及指挥调度的技术手段。目前采用无线传感网络监测山洪灾害和预警系统存在以下不足和问题(I)所用的传感器比较单一，基本上只采用雨量传感器和位移传感器；(2)监测区域传感器网络拓扑结构不够合理，网络中部分节点能耗过大。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于无线传感网络的山区突发性洪水监测与预警系统及其构建方法。实现本发明目的的技术解决方案为包括监测无线传感器网络和监控系统，每个监测无线传感网络包括若干传感器节点、簇头节点、汇聚网关，所述传感器节点获取实时数据通过多跳后经动态成簇的簇头节点上传至汇聚网关，所述汇聚网关负责网络的发起，拓扑的形成与维护，网络数据的汇聚与处理，与监控系统的通信与信息交互；所述监控系统用于接收监测无线传感器网络发送的数据并对信息进行分析处理和发布。
进一步地，本发明山区突发性洪水监测与预警系统中，传感器节点包括若干传感器、主控制器、USB接口、存储器、电源模块和太阳能电池板，所述传感器、USB接口、存储器和电源模块均与主控制器相连接，电源模块为主控制器提供电源，该电源模块同时还与太阳能电池板相连接，主控制器为TI公司的CC2530 ZigBee模块；
进一步地，本发明山区突发性洪水监测与预警系统中，所述传感器包括雨量传感器、土壤含水量传感器、渗透系数传感器、边坡位移传感器、水位传感器和流量传感器。
进一步地，本发明山区突发性洪水监测与预警系统中，汇聚网关包括嵌入式控制器、ZigBee通讯模块、控制器USB接口、控制器存储器、控制器电源模块、GPRS收发模块、SM 卡和太阳能电板，所述控制器USB接口、ZigBee通讯模块、控制器存储器、控制器电源模块、 GPRS收发模块均与嵌入式控制器相连接，其中GPRS收发模块还与SIM卡相连接，控制器电源模块还与太阳能电板相连接。进一步地，本发明山区突发性洪水监测与预警系统中，每个传感器节点之间采用网状拓扑结构；现场监测无线传感器网络中簇头节点和汇聚网关之间采用星形拓扑结构。进一步地，本发明山区突发性洪水监测与预警系统中，所述监控系统包括乡村级监测站、县级监测中心和省级监测中心，所述乡村级监测站包括多个监控计算机用于接收并分析监测无线传感器网络发送的信息；所述县级监测中心与省级监测中心分别包括监控计算机、本地数据库服务器和WEB数据库服务器。进一步地，本发明山区突发性洪水监测与预警系统中，所述监测无线传感器网络与监控系统之间采用GPRS和Internet通信。一种基于上述山区突发性洪水监测与预警系统的构建方法，以多个监测区为实施客体，包括以下步骤
步骤I、在每个监测区布设监测无线传感器网络，根据监测区的GIS信息、山坡降雨量的分布特性和山坡地址信息部署传感器节点；将汇聚网关部署在监测区中心的山顶；每个传感器节点之间采用网状拓扑结构；簇头节点和汇聚网关之间采用星形拓扑结构；
步骤2、监控系统根据级别划分乡村级监测站、县级监测中心和省级监测中心；在所述乡村级监测站布设若干台监控计算机，分别在县级监测中心和省级监测中心布设监控计算机、本地数据库服务器和WEB服务器；
步骤3、汇聚网关与乡村级监测站、县级监测中心和省级监测中心采用GPRS或者 Internet 通信；
本发明与现有技术相比，其显著优点为1)本发明运用多种类型的传感器协同实时获取监测区域相关信息，这样通过节点间数据融合提高采集数据的精度，弥补单个传感器精度不高的不足，为系统作出准确的评估和预警提供高精度的数据源，然后应用信息融合技术，融合诱发监测区域山洪灾害的地形地貌和地质信息以及该区域的气象信息，给出被监测区域洪水、泥石流和滑坡实时可靠的动态态势评估和预警信息；2)本发明可以很好的满足洪水、滑坡及泥石流等灾害监测管理中对监测数据的实时快速提取，并对灾情变化进行态势评估，根据态势发展，给出灾害发生可能性的评估和预警，并给出根据态势演变的速度给出安全区域和撤退路线以及区域安全时间。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图I是山区突发性洪水综合监测及预警系统整体结构示意图。图2是山区突发性洪水综合监测无线传感网络拓扑结构图。图3是传感器节点组成结构框图。图4是汇聚网关组成结构框图。图5是无线传感器节点部署示意图。
图6是系统信息融合处理的基本过程示意图。
具体实施例方式结合图I，本发明的一种山区突发性洪水监测与预警系统，包括若干现场监测无线传感器网络和监控系统，现场监测无线传感器网络和监控系统之间通过GPRS网络104和 Internetl05传输信息,每个现场监测无线传感器网络均包括若干传感器节点101、簇头节点102和汇聚网关103，传感器节点101获取实时数据通过多跳后经动态成簇的簇头节点 102上传至汇聚网关103，该汇聚网关103通过GPRS网络104和Internet 105将信息传输给监控计算机。结合图3，传感器节点101包括若干传感器301、主控制器302、USB接口 303、存储器304、电源模块305和太阳能电池板306，所述传感器301、USB接口 303、存储器304和电源模块305均与主控制器302相连接，电源模块为主控制器302提供电源，该电源模块305 同时还与太阳能电池板306相连接。所述主控制器302为TI公司的CC2530 ZigBee模块。 所述传感器包括雨量传感器、土壤含水量传感器、渗透系数传感器、边坡位移传感器、水位传感器和流量传感器。具体而言，主控制器选用TI公司的CC2530 ZigBee模块302、传感器301接入CC2530的模拟或数字端口、存储器304用来扩展CC2350的存储空间用来存传感器储采集的数据、USB接口 303用来进行编程和设置无线传感器节点的工作模式和接口、 电源305和太阳能电池板306构成无线传感器节点的能源提供单元和能耗控制，其中TI公司生产的CC2530内部集成了一个8051核，低功耗、工作环境温度宽(一 40°C + 125°C), 非常适合用在野外恶劣的环境工作。无线传感器节点用来获取监测区域雨量、土壤含水量、 渗透系数、温湿度、边坡位移、山沟水位和流量等信息。结合图4，所述汇聚网关103包括嵌入式控制器401、ZigBee通讯模块402、控制器 USB接口 406、控制器存储器405、控制器电源模块407、GPRS收发模块403、SM卡404和太阳能电板408，所述控制器USB接口 406、ZigBee通讯模块402、控制器存储器405、控制器电源模块407、GPRS收发模块403均与嵌入式控制器401相连接，其中GPRS收发模块403 还与SM卡404相连接，控制器电源模块407还与太阳能电板408相连接。具体而言，嵌入式控制器选用Samsung公司的S3C2410A微处理器401, ZigBee通讯模块选用TI公司的CC2530 402接入主控制器401，用来实现汇聚网关和传感器节点间通讯，GPRS模块403和SM卡404用来实现汇聚网关和监控计算机间数据传输，存储器405 用来扩展主控制器401的存储空间存储传感器节点上传的数据，USB接口 406用来进行编程和设置无线传感器节点的工作模式和接口、电源407构成无线传感器节点的电源供给和管理单元，太阳能电池板408用来给电池充电。结合图2，每个现场监测无线传感器网络中簇头节点102和汇聚网关103之间采用星形结构，每个簇头节点对应的子网中的传感器节点采用网状拓扑结构。本发明的通信网络，包括底层信息获取与传输的无线传感器网络、GPRS网络和 Internet，用来实现传感器节点到汇聚网关到监控计算机间信息传输。一种基于上述山区突发性洪水监测与预警系统的构建方法，以多个监测区为实施客体，包括以下步骤
步骤I、在每个监测区布设监测无线传感器网络，根据监测区的GIS信息、山坡降雨量的分布特性和山坡地址信息部署传感器节点；将汇聚网关部署在监测区中心的山顶；每个传感器节点之间采用网状拓扑结构；簇头节点和汇聚网关之间采用星形拓扑结构；
步骤2、监控系统根据级别划分乡村级监测站、县级监测中心和省级监测中心；在所述乡村级监测站布设若干台监控计算机，分别在县级监测中心和省级监测中心布设监控计算机、本地数据库服务器和WEB服务器；
步骤3、汇聚网关与乡村级监测站、县级监测中心和省级监测中心采用GPRS或者 Internet 通信；
本发明的系统，可以获取监测区域的雨量、土壤含水量、渗透系数、边坡位移、山沟水位和流量等信息以及监测区域的气象信息、地形地貌和地质信息，然后应用信息融合技术，给出被监测区域洪水、泥石流和滑坡实时可靠的动态态势评估并在可能发生灾害或达到阈值时发预警信息。下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述
实施例I
如图I所示，本发明由多种类型传感器的传感器节点101、簇头节点102和汇聚网关 103构成山区突发性洪水综合监测无线传感网络，所用传感器的类型主要有雨量、土壤含水量、渗透系数、边坡位移、水位和流量传感器；本发明的无线传感器节点在监测区域部署如图5所示，依据监测区域的GIS信息、山坡降雨量的分布特性和山坡地质信息计算出该区域的节点部署位置并在GIS中标注每个节点位置雨量传感器501、土壤含水量传感器502、 山沟水位传感器503、流量传感器504、边坡位移传感器505，然后把汇聚网关103部署在监测区域中心的山顶，这样既能均衡降低传感器节点的传输距离和路由跳数又能获得较好的 GPRS网络信号。本发明监测无线传感网络的拓扑结构如图2所示，采用部分网状的拓扑结构，该网络部分相邻的传感器节点201动态成簇形成子网，子网内均采用网状拓扑结构，子网的簇头102和汇聚网关103之间采用星形结构，子网采用网状结构的目的是为了扩大每个节点的通讯范围，由于该网络采用ZigBee技术实现无线通讯，而ZigBee的最大通信距离为 100m，但是监测区域的范围远远大于这个距离，为了解决无线传感网络节点间通信距离受限的问题，让所有的节点都可以作中继器或路由器，从而间接的扩大每个节点通讯范围和距离；另外采用动态成簇策略有利于均衡节点消耗在路由通讯能耗，从而尽可能的延长网络中节点的生命周期。如图2所示，山区突发性洪水综合监测无线传感网络拓扑结构采用部分网状和星型的混合结构，传感器节点间采用网状拓扑结构并且动态成簇，簇头与汇聚网关间采用星型拓扑结构，这样即能保证整个网络的鲁棒性又能均衡网络节点的能量从而延长所有节点的生命周期，同时还能提高网络的实时性和可靠性。山区突发性洪水综合监测及灾害预警系统信息融合处理的基本过程，如图6所示，首先通过无线传感网络获取监测区域的雨量、土壤含水量、渗透系数、边坡位移、山沟水位和流量信息，同时加载监测区域气象、地形地貌和地质信息，然后通过GPRS和Internet 提交到监控计算机的决策支持系统保存，运用基于证据理论的信息融合技术，先对多传感器获取的数据进行数据关联，再对关联数据进行相关分类后获得特征信息，然后和山洪预报规则模型库中降雨临界规则模型、土壤含水量规则模型和土壤动力模型等进行数据关联得到模型关联概率后提取关联信息再与知识模型库中的专家知识模型、历史经验知识模型等进行知识融合得到评估结果，最后给出决策信息或预警信息。 实施例2
节点布设同实施例1，山区突发性洪水综合监测及灾害预警方法，该方法的特点是首先应用多种类型传感器的无线传感网络架构信息获取子系统，获取山区突发性洪水综合监测所需的各类信息；其次租用GPRS和Internet公网构成通信子系统，利用现有公共资源实现远程监测，避免自建专网带来的系统成本不必要的增加和浪费，而且现有的GPRS和 Internet公网技术成熟性能可靠；然后合理选择应用信息融合技术，解决本发明山区突发性洪水综合监测及灾害预警系统中面临信息量大关系复杂的问题，从而可以综合诱发山洪灾害的各种因素(主要为降雨、地形地貌和地质条件)，通过融合获得被监测区域洪水、泥石流和滑坡实时可靠的动态态势评估和预警信息，最后根据决策系统给出的态势评估和预警信息自动发布预警信号或经过专家会商后发布预警信号。
权利要求
1.一种山区突发性洪水监测与预警系统，其特征在于，包括监测无线传感器网络和监控系统，每个监测无线传感器网络包括若干传感器节点、簇头节点和汇聚网关，所述传感器节点获取实时数据通过多跳后经动态成簇的簇头节点上传至汇聚网关，所述汇聚网关负责网络的发起，拓扑的形成与维护，网络数据的汇聚与处理与监控系统的通信与信息交互；所述监控系统用于接收监测无线传感器网络发送的数据并对数据进行分析处理和发布。
2.根据权利要求I所述的山区突发性洪水监测与预警系统，其特征在于，传感器节点包括若干传感器、主控制器、USB接口、存储器、电源模块和太阳能电池板，所述传感器、USB 接口、存储器和电源模块均与主控制器相连接，电源模块为主控制器提供电源，该电源模块同时还与太阳能电池板相连接。
3.根据权利要求2所述的山区突发性洪水监测与预警系统，其特征在于，所述主控制器为TI公司的CC2530 ZigBee模块。
4.根据权利要求2所述的山区突发性洪水监测与预警系统，其特征在于，所述传感器包括雨量传感器、土壤含水量传感器、渗透系数传感器、边坡位移传感器、水位传感器和流量传感器。
5.根据权利要求I所述的山区突发性洪水监测与预警系统，其特征在于，所述汇聚网关包括嵌入式控制器、ZigBee通讯模块、控制器USB接口、控制器存储器、控制器电源模块、 GPRS收发模块、SIM卡和太阳能电板，所述控制器USB接口、ZigBee通讯模块、控制器存储器、控制器电源模块、GPRS收发模块均与嵌入式控制器相连接，其中GPRS收发模块还与SIM 卡相连接，控制器电源模块还与太阳能电板相连接。
6.根据权利要求I所述的山区突发性洪水监测与预警系统，其特征在于，每个传感器节点之间采用网状拓扑结构；现场监测无线传感器网络中簇头节点和汇聚网关之间采用星形拓扑结构。
7.根据权利要求I所述的山区突发性洪水监测与预警系统，其特征在于，所述监控系统包括乡村级监测站、县级监测中心和省级监测中心，所述乡村级监测站包括多个监控计算机用于接收并分析监测无线传感器网络发送的信息；所述县级监测中心与省级监测中心分别包括监控计算机、本地数据库服务器和WEB数据库服务器。
8.根据权利要求I所述的山区突发性洪水监测与预警系统，其特征在于，所述监测无线传感器网络与监控系统之间采用GPRS和Internet通信。
9.一种权利要求I所述山区突发性洪水监测与预警系统的构建方法，以多个监测区为实施客体，其特征在于，包括以下步骤步骤I、在每个监测区布设监测无线传感器网络，根据监测区的GIS信息、山坡降雨量的分布特性和山坡地址信息部署传感器节点；将汇聚网关部署在监测区中心的山顶；每个传感器节点之间采用网状拓扑结构；簇头节点和汇聚网关之间采用星形拓扑结构；步骤2、监控系统根据级别划分乡村级监测站、县级监测中心和省级监测中心；在所述乡村级监测站布设若干台监控计算机，分别在县级监测中心和省级监测中心布设监控计算机、本地数据库服务器和WEB服务器；步骤3、汇聚网关与乡村级监测站、县级监测中心和省级监测中心采用GPRS和 Internet 通信。
全文摘要
本发明公开了一种山区突发性洪水监测与预警系统及其构建方法，所述系统包括若干现场监测无线传感器网络和监控系统，现场监测无线传感器网络和监控系统之间通过GPRS网络和Internet传输信息，每个现场监测无线传感器网络均包括若干传感器节点、簇头节点和汇聚网关，所述传感器节点设置在监测区域并通过簇头节点和汇聚网关相连接，将监测到的信息传输给汇聚网关，该汇聚网关通过GPRS网络和Internet将信息传输给监控计算机。本发明可以很好的满足洪水、滑坡及泥石流等灾害监测管理中对监测现场数据的实时快速获取。
文档编号G08B21/10GK102610059SQ20121005126
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月1日 优先权日2012年3月1日
发明者严锡君, 南东, 夏巍, 徐立中, 王鑫, 魏晓东 申请人:河海大学