土石流監測無線感測網路系統 Debris flow observation system based on wireless sensor network 授課教授：林俐玲教授 (1) 鄭皆達教授(2) 陳鴻烈教授 (3) 林德貴教授(4) 學生：陳明賢 2008年 6月 21 日

WSN應具備 無線通訊能力、運算能力、電池供電、成本便宜且微小、能夠隨時隨地的佈建，甚至是自我組織及修復、容錯（self-organization and –healing）等智慧化的應用。

WSN Simple/Super Nodes 平台研發成果 WSN simple node 解決方案: 採用RadioPulse公司MG-2400 ZigBee 晶片 目前成果: 硬體設計與樣板製作已完成,目前正在進行硬體功能的測試 WSN super node 採用TI公司的MSP430晶片 和 RadioPulse公司MG-2400晶片

Concurrent Profiling WSN system for Debris Flow Monitoring System Software Concurrent Profiling WSN system for Debris Flow Monitoring

成果 系統流程 分時排程機制 簡化通訊模組程式庫 整合成無線感測程式(嵌入式程式)編譯的一部分，使用者不需有額外工作 切換使用者程式及同步側寫程式 現有機制過於複雜 維持側寫機制執行之定時性 簡化通訊模組程式庫 側寫程式得已以更短的時間將側寫資料送出

Middleware 土石流高取樣率無感測器 3D感測器定位系統

土石流高取樣率無感測器 例如:高頻率的3軸振動訊號 土石流監測產生的大量資料 透過整合多項技術有效提高傳輸量達原來速度的3~4倍 取樣頻率200~2000hz 以3軸加速度計每比樣本大小12bit來看，取樣頻率為2000hz時 所產生資料量即為2000*12*3/1000= 72kbps，以現有CSMA技 術傳送有困難。 透過整合多項技術有效提高傳輸量達原來速度的3~4倍 原來約Telosb/TinyOS下CSMA/BMAC以sink端量測得傳輸速度為30kbps，使用改良傳送方式後，傳輸速度可提升到約為120kbps

動機 土石流觀測系統 觀測佈建完成後的土石流觀測系統 遠端蒐集環境資料 較少的人為介入 檢視底層之無線感測網路系統執行之正確性 持續偵測 當程式發生錯誤時，仍然可以持續蒐集程式側寫資料供系統管理者判斷

成果 透過整合以上技術: 可以達到取樣樣本高品質/高頻率的要求，讓大量的資料可以既時傳送 可以同時允許多個無線感測器傳輸資料，不會造成訊號碰撞而降低傳輸成功率 將整體資料傳送的成功率提高，同時提高無線感測器電源的使用效率

3D感測器定位系統 在本計畫執行期間內設計一套3D定位系統可用以定位感測器座標。 利用實地測量來獲取參考資料，運用實際的資料來設計定位演算法。 利用已知四組基準點和已建立的參考點(平均每一平方公尺建立一個參考點)，可在100平方公尺的範圍內作出精確定位。 在凹凸不平的斜坡模擬河床作測試，約80%節點誤差在1.2公尺內，20%誤差在2公尺內。

3D感測器定位系統

神木觀測站土石流背景 土石流感測器研發成果 WSN vs. 傳統式的量化評估 土石流應用 神木觀測站土石流背景 土石流感測器研發成果 WSN vs. 傳統式的量化評估

神木觀測站儀器配置圖

無線感測器、無線雨量計設計目的 土石流災害來臨時，GPS量測到大位移變化後，啟動三角錐感測器內之加速度計，完整紀錄土石流流速和流向。並利用多個感測器建立Wireless Network，由傳統點或線的量測，擴增到面的量測。 材質：上蓋為ABS材質、底座為鋼板材質 優點：耐衝擊性佳、抗拉強度高、剛性高 厚度：5mm CNC真空成型

土石流-無線感測器 內部詳細規格 以Telosb為基礎(MSP430+CC2420) 土石流-無線感測器　 內部詳細規格 以Telosb為基礎(MSP430+CC2420) 802.15.4 2.4 Ghz +7 dbi 全向式外接天線 有效(可直視下)傳輸距離約為50~200m(距地面1m) 整合Sirf3晶片之GPS模組 用於定位與時間校正 ADXL330三軸加速度計 偵測裝置受衝擊的力量與方向 電容式麥克風 響應頻率:50~16000 hz 4v 75ma 單晶太陽能板 1.2v 2300ma 鎳氫充電電池 x 4

土石流-無線感測器 雨量計與轉播點資料 以Telosb為基礎(MSP430+CC2420) 土石流-無線感測器　 雨量計與轉播點資料 以Telosb為基礎(MSP430+CC2420) 802.15.4 2.4 Ghz +7 dbi 全向式外接天線 有效(可直視下)傳輸距離約為50~200m(距地面1m) 透過轉播點可延長傳輸距離數倍 轉播後總傳輸成功機率約80% 測試總傳輸距離約為600m

戶外試驗

神木觀測站現地雨量計位置規劃

土石流監測無線感測網路系統成果 無線網路於土石流監控平台之開發進行關鍵技 術之研發。 已成功建置無線土石流監測平台之無線感測器 雛型，並開發完成傳統感測器如雨量計、鋼索 檢知器之無線傳輸解決方案。 將持續整合研發之感測器於現地監控系統中， 驗證無線感測器之穩定性並建立與現有監控平 台連結之傳輸界面，以發揮無線網路監控所帶 來之「面的監控」 效益。

水土保持工程施工生態環境 監測技術之研究

研究背景目的 水土保持工程施工具有工法多元、施工期短的特點，施工影響易被忽略。 工程施工期直接導致對自然環境的破壞，導致生物產生棄巢效應。 針對水土保持整治工程，以橫向構造物為研究對象，建立施工前、中、後的工址生態監測系統。 利用無線感測網路技術動態即時監測的特點，對於施工期的各類工項影響可立即表達。 在上、下游大範圍內進行網絡式的生態系統監測。

施工環境的生態影響(1/3) 施工對動植物環境之急性影響 對植物直接的影響 水土保持工程施工必須使用土地，除運輸路線的用地外，施工階段的施工便道及施工場區均必須砍伐林木開挖整地，除直接挖除生長於其上的植物外，非常態的陽光與風可能造成植物的枯死與衰弱，此外廢棄物的產生、特殊環境(照明、污染等)亦直接影響植物的生長。 對動物直接的影響 水土保持工程施工分隔昆蟲類、兩棲類、魚類等小型動物的生活圈及行動圈，可能導致動物無法自由出入慣常覓食及繁殖的地點，致使其必須移動到新的棲息地維生，或冒險嘗試穿越構造物而行，可能導致動物的衰竭甚或死亡。

施工環境的生態影響(2/3) 施工對動植物環境之慢性影響 水土流失 水土流失可能引發一系列生態平衡失調，如植被丟失、景觀破壞等。而地表的整地也將對沿線植被及動物棲息地造成永久性的破壞。 水文及水質 施工中大量的土石粉粒、粉煤灰、鍛石、水泥等粉狀建築材料中的懸浮物施工期間由於地表水的沖刷而流失，使水質含泥沙量大幅增加。 噪音及振動 施工期的各種施工機械(例如推土機、挖掘機、裝載機、震動機等)所產生的噪音會影響周遭生物的正常棲息。

施工環境的生態影響(3/3) 施工對動植物環境之慢性影響 揚塵或粉塵 施工機械在裝卸、拌合、開挖、堆放、調運等作業中之粉塵污染，會嚴重影響生態環境、降低植物受光率，還將增加大氣浮塵含量。 尾氣 施工期間各種運輸車輛和施工機械在作業活動中必然的要排放大量尾氣，而尾氣中含有許多有害成分如Pb、CO、NOx、He等。 廢棄物 施工工址大量的施工人員產生之定量的廢水、排泄物及生活垃圾等。

施工生態環境監測可評量項目 大氣濃度監測 水域生物監測 水文監測 水質監測 噪音及振動監測 包括逕流砂含量、流速、流量、地下水位等物性監測。 包括含氧量、含氣量、組成(N、P、K、Ca、Mg、S)等化性監測。 噪音及振動監測 包含噪音分貝及振動頻率、強度等。 大氣濃度監測 包括施工環境之機具排廢量及粉塵濃度等。 水域生物監測 包括浮游生物、水生昆蟲、大型底棲生物等(環境動物、蝦、蟹等)。

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