基于RFID的山洪地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

引 言

隨著科技的發(fā)展，目前人們已經(jīng)可以較準(zhǔn)確地預(yù)報天氣、空氣質(zhì)量、河流水位等自然現(xiàn)象，但是山洪地質(zhì)災(zāi)害是局部地區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境與短期內(nèi)的降水情況相結(jié)合產(chǎn)生的，具有多發(fā)、易發(fā)、突發(fā)、破壞性大等特點，嚴(yán)重危害當(dāng)?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)安全，在不同的地點利用自動識別技術(shù)，借助軟件平臺，快速收集和準(zhǔn)確分析各類相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，可以提前預(yù)警， 使損失減到最小。

1 RFID技術(shù)

1.1 RFID原理

當(dāng)前，自動識別技術(shù)是利用信息技術(shù)自動獲得數(shù)據(jù)信息的一門新型技術(shù)，已經(jīng)在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。射頻識別（RFID）是當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的一種識別技術(shù)，除此之外， 識別技術(shù)還有磁條識別技術(shù)、生物識別技術(shù)和條形碼識別技術(shù)等。不同的識別技術(shù)其差異主要體現(xiàn)在對識別碼的存儲和解析上，每種識別技術(shù)都有其自己獨有的應(yīng)用范圍。

RFID 的工作原理是：RFID 識別器利用天線與標(biāo)簽（目標(biāo)）之間無需進行光學(xué)或機械式的接觸，主要通過無線電訊號進行識別，在讀寫器的識讀有效范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)特定目標(biāo)后，會自動存儲和發(fā)送發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)信息，將對數(shù)據(jù)信息的處理和判斷交給系統(tǒng)端完成。其原理如圖１所示。

1.2 RFID的選型

RFID 的種類很多，可以根據(jù)需要應(yīng)用在不同的場合。影響RFID 的主要技術(shù)參數(shù)有以下幾種：

(1) 工作頻率，主要決定了 RFID的應(yīng)用范圍、成本和可行性。

(2) 作用距離，主要決定寫讀器與目標(biāo)之間的有效距離。

(3) 安全性，主要指讀寫器的身份識別和數(shù)據(jù)加密。

(4) 識別能力，在有效的范圍內(nèi)，對目標(biāo)的識別和判斷能力。

對于山洪地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警來說，RFID 設(shè)備的選型，應(yīng)該具有以下幾個具體要求：

(1) 由于設(shè)備需要安裝在戶外，能夠適應(yīng)該地區(qū)天氣溫度和濕度的變化，可以在極端惡劣的自然天氣下正常工作。

(2) 為了提高識讀性，監(jiān)測目標(biāo)與寫讀器之間要留有一定的距離。另外，設(shè)備安裝在戶外的山體中，為了避免被動物或山洪破壞，在確保有效距離的同時，需要對讀寫器采用一定保護措施。

(3) 山體中可以在任何地方出現(xiàn)山洪地質(zhì)災(zāi)害，需要對多目標(biāo)進行監(jiān)測，因此寫讀器的數(shù)據(jù)存儲量要足夠大。

根據(jù)山洪地質(zhì)災(zāi)害的需要，可以在不同地段安裝RFID 識別設(shè)備，本文根據(jù)實際需求，采用NRF24LE1 型號，工作頻率為 2.4 GHz，識別距離可達 90 米，最大傳輸速率可達到Mb/s，采用 GFSK調(diào)制模式，可以同時識別 200個以上目標(biāo)。

2 山洪地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

山洪地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計要遵循一定的原則，在此原則上進行系統(tǒng)的研發(fā)，提高系統(tǒng)的最大利用率。其原則主要有：

(1) 堅持以人為本的根本原則，將人民群眾的生命財產(chǎn)安全考慮放在第一位。在山洪易發(fā)地區(qū)，一般情況下，人口相對比較集中居住在平地上，山洪地質(zhì)災(zāi)害可能在極短時間內(nèi)造成巨大損害。預(yù)警系統(tǒng)要實時監(jiān)測、及時預(yù)警、快速轉(zhuǎn)移， 使損害降至最低。

(2) 堅持以科學(xué)依據(jù)為準(zhǔn)繩。要結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況， 與水利部門、地質(zhì)部門進行詳細的溝通，借助當(dāng)前氣象、水利測量設(shè)備，以其他地區(qū)成功的案例為借鑒，不斷總結(jié)完善山洪預(yù)警系統(tǒng)。

(3) 堅持設(shè)計規(guī)范化。山洪地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警系統(tǒng)不是一蹴而就的工程，而是不斷完善、不斷細化的系統(tǒng)。在設(shè)計中， 無論是硬件設(shè)備的選擇、軟件開發(fā)，還是通信協(xié)議，都要嚴(yán)格按照國家規(guī)定要求，這樣即有利于系統(tǒng)的維護，又可以在此基礎(chǔ)上對工程進行升級和更新，使之具有更為強大的功能。

2.2 水雨情監(jiān)測

監(jiān)測雨情和水情要與山洪地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的實際地理、地質(zhì)特點相結(jié)合，對于信息的收集一方面要依靠當(dāng)?shù)赜炅孔詣诱?、氣象部門等，另外要充分發(fā)揮 RFID 設(shè)備的作用，當(dāng)前地方上常用的水雨情測量有：

(1) 自動水位站

自 動水位站是在無需人員控制的情況下，將河水的水位情況通過實時傳輸?shù)姆绞浇o服務(wù)器，是山洪預(yù)警的第一手資料。

(2) 自動雨量站

自動雨量站也是在無人值守的情況下，自動將采集的雨量信息實時傳遞給服務(wù)器，采用上報——確認(rèn)的方式。

(3) 氣象站

氣象站作為整個地區(qū)氣象的管理監(jiān)測中心，人工、自動兩種方式對當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向、雨量、溫度等進行準(zhǔn)確地預(yù)測，為預(yù)警工作提供最可靠的資料。

2.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)我國山洪地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的分析，大部分集中在山區(qū)， 結(jié)合山洪和泥石流發(fā)生時伴隨的自然現(xiàn)象，預(yù)警系統(tǒng)要與當(dāng)?shù)氐乃块T和氣象部門的信息充分共享，另外要能夠?qū)崟r接收RFID 所傳送的數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

如圖 2 所示，整個系統(tǒng)分為雨水情監(jiān)測系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)， 其中雨水情監(jiān)測系統(tǒng)主要是對水雨信息的監(jiān)測，主要來源于氣象部門和RFID 兩部分，將測量的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)和有線傳輸兩個渠道實時傳輸給預(yù)警系統(tǒng)，以確保數(shù)據(jù)信息的實時性、準(zhǔn)確性和無差錯。預(yù)警系統(tǒng)主要是對信息的匯總和查詢，能夠第一時間對所收集的信息進行分析，假如出現(xiàn)危險的情況， 能夠在第一時間向有關(guān)部門和人員發(fā)出明顯的警報，確保危險區(qū)域內(nèi)的人身安全。

根據(jù)總體設(shè)計，將整個山洪地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)劃為以下幾個功能模塊，具體如圖 3 所示。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文的系統(tǒng)采用 B/S 和 C/S 相結(jié)合的模式，對于信息的 發(fā)布和查詢采用 B/S 模式，而對于信息的采集和存儲采用 C/S 模式。

在本文中，對于信息的采集至關(guān)重要，由于采用無線和 有線兩種通道同時傳輸，信息的發(fā)送和接收，特別是 RFID 設(shè) 備與計算機之間的兼容，要采用統(tǒng)一的協(xié)議進行傳輸，其 IP 地址和端口要保持一致。其核心代碼如下：

4 結(jié) 語

本文對山洪地質(zhì)災(zāi)害智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進行研究，由于 山洪地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)性和破壞性非常大，對民眾的危害無法 估計，建立強大的預(yù)警系統(tǒng)可以有效地降低損失。本文對系 統(tǒng)的總體設(shè)計和部分實現(xiàn)代碼進行了分析，但由于篇幅所限， 對于 RFID 的選擇、核心模塊的具體實現(xiàn)沒有給出，希望大家 共同交流。