李 波,賴于樹(shù),黃 倩,文建祥

摘 要:介紹一種采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為主要技術(shù)手段的滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先介紹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理,然后對(duì)適用于滑坡監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析設(shè)計(jì),最后通過(guò)介紹一個(gè)實(shí)例,對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件電路和軟件設(shè)計(jì)做了說(shuō)明。通過(guò)應(yīng)用實(shí)例中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行理論及誤差分析,得出該系統(tǒng)節(jié)省能耗、適應(yīng)性廣、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn),可以更好地解決滑坡監(jiān)測(cè)中的不確定性問(wèn)題,能夠更有效地實(shí)現(xiàn)三峽庫(kù)區(qū)等惡劣地質(zhì)環(huán)境條件下的滑坡監(jiān)測(cè)與防治。

關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);滑坡監(jiān)測(cè);實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);ZigBee協(xié)議;節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào):TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1004-373X(2009)12-169-04

Design of Landslide Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

LI Bo,LAI Yushu,HUANG Qian,WEN Jianxiang

(Chongqing Three Gorges University,Chongqing,404000,China)

Abstract:A monitoring system mainly using the wireless sensor network is introduced for the landslide monitoring.Firstly,the structure and working principle of the monitoring system are introduced.Then,the wireless sensor network which applies to landslide monitoring is elaborated.Finally,an illustrative example war presented for demonstration purposes,and in which the hardware and software design of the network node is introduced.The analyzed data given in an experiment validated the monitoring system,which can better solve some unsure questions in landslide monitoring,such as save energy consumption,wide adaptability,practical.So it can better carry out the monitoring and control in the Yangtze River Three Gorges reservoir area′s,and other adverse geological conditions geologic hazard.

Keywords:wireless sensor network;landslide monitoring;real-time monitoring;ZigBee protocol;node design

0 引 言

隨著三峽庫(kù)區(qū)儲(chǔ)水,誘發(fā)沿江兩岸發(fā)生重大滑坡災(zāi)害的概率增加,有關(guān)三峽庫(kù)區(qū)滑坡災(zāi)害問(wèn)題已經(jīng)引起有關(guān)部門(mén)和社會(huì)的廣泛關(guān)注。針對(duì)危巖、塌方、滑坡、地面沉降、地裂縫、泥石流,甚至地震等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題,傳統(tǒng)的方法是人工監(jiān)測(cè),通過(guò)攜帶監(jiān)測(cè)儀器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方式對(duì)異動(dòng)信號(hào)進(jìn)行收集,獲取地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前的相關(guān)信息。但是,由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的偶然性,以及三峽庫(kù)區(qū)部分地區(qū)惡劣的地形環(huán)境等因素,傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方式無(wú)法有效把災(zāi)害防患于未然。因此,建立實(shí)時(shí)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

目前在巫山縣多個(gè)滑坡地帶的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中[1,2],普遍采用基于鉆孔傾斜儀深部位移監(jiān)測(cè)、GPS表變形監(jiān)測(cè)。傳感器和儀器設(shè)備檢測(cè)的信號(hào),目前都采用線纜或者GPRS通信的方式匯集到中心計(jì)算機(jī)上,采用線纜的方式有明顯的弊端,除了在危險(xiǎn)地帶不易布線,施工接續(xù)困難外,還易被人為破壞,容易受到自然災(zāi)害的破壞性影響。采用GPRS通信的方式也有其技術(shù)上的局限性,并且在庫(kù)區(qū)一些偏遠(yuǎn)地區(qū)和山區(qū),信號(hào)較弱,甚至收索不到信號(hào),因而無(wú)法建立有效的GPRS自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)特殊地段地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)應(yīng)該是一種技術(shù)上先進(jìn),適宜庫(kù)區(qū)地貌特征的有效嘗試。由于WSN本身的冗余性、無(wú)線性、網(wǎng)絡(luò)的自組織性,而具有較強(qiáng)的抗破壞能力,因而可以在基礎(chǔ)通信設(shè)施可能被毀壞的情況下,完成一定的通信任務(wù)。因此,把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)特殊地帶的滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警中,利用各種傳感器實(shí)時(shí)采集信息,通過(guò)無(wú)線的方式將信息傳輸給控制中心,能夠解決布設(shè)有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的缺陷,而且適用于GMS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)無(wú)法覆蓋的偏遠(yuǎn)山區(qū)滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

1 適合于滑坡監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

在大范圍監(jiān)控、預(yù)警的基礎(chǔ)上,以局域網(wǎng)為研究平臺(tái),主要致力于數(shù)據(jù)采集和發(fā)送的有效性及處理上的精確性,監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,可分為2個(gè)部分:上層的監(jiān)控中心和下層的監(jiān)控基站。監(jiān)控基站和監(jiān)控中心通過(guò)以太網(wǎng)連接起來(lái),此外管理人員也可以通過(guò)自定義網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)監(jiān)控基站。監(jiān)控基站和眾多的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)一起組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很好的擴(kuò)展性,隨意地增減節(jié)點(diǎn),對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組網(wǎng)模式無(wú)太大影響,因而可以方便地根據(jù)實(shí)際情況增加或減少監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 適用于滑坡監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

這種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由眾多具有感知和路由功能的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成,能夠協(xié)作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),感知并采集各種環(huán)境對(duì)象的信息,將其通過(guò)多跳轉(zhuǎn)發(fā)傳送回主機(jī)進(jìn)行分析、處理。以這些工作節(jié)點(diǎn)為依托,通過(guò)無(wú)線通信組成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)中大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn),從組網(wǎng)通信上看,他們只是其功能的一個(gè)子集,稱為 RFD(精簡(jiǎn)功能設(shè)備)[3,4],這種設(shè)備不具有路由功能;另外還有一些節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與控制子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制,或起到通信路由的作用,稱為 FFD(全功能設(shè)備或協(xié)調(diào)器)。如圖2所示為一個(gè)典型的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集并返回到計(jì)算機(jī)終端的應(yīng)用。每個(gè)節(jié)點(diǎn)由一個(gè) MCU 作為主控設(shè)備。通過(guò)傾角傳感器可以監(jiān)測(cè)滑坡的運(yùn)動(dòng)狀況,通過(guò)液位傳感器監(jiān)測(cè)地下水位深度,數(shù)據(jù)采集間隔也可以由中心服務(wù)器靈活控制,在旱季可以調(diào)整為每24 h采集并傳遞1次數(shù)據(jù),從而節(jié)省能量并避免大量的冗余數(shù)據(jù)。而在雨季危險(xiǎn)期,其采集間隔可以密集到5 min/次,從而保證實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警功能。每個(gè)信號(hào)采集節(jié)點(diǎn)通過(guò) ADC 從模擬傳感器得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),按照 ZigBee 協(xié)議把數(shù)據(jù)打包,并通過(guò)射頻芯片及前端天線發(fā)送給簇內(nèi)的RFD;經(jīng)過(guò)RFD預(yù)處理之后,再由RFD路由轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī);結(jié)合地貌特點(diǎn)、滑坡的分布特點(diǎn),多個(gè)水流量檢測(cè)點(diǎn)之間的相互關(guān)系等多種地質(zhì)學(xué)、水流動(dòng)力學(xué)等方面的知識(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合和處理。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的外部可外接相應(yīng)的 PIO 芯片和其他外圍電路進(jìn)行交互。

圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

在整個(gè)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)中, 節(jié)能是一個(gè)重要因素[5], 它決定著傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。當(dāng)節(jié)點(diǎn)目前沒(méi)有傳感任務(wù)并且不需要為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí),關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等以節(jié)省能耗,即讓其置于睡眠狀態(tài)。為控制子節(jié)點(diǎn)選擇合適的地點(diǎn),提供較充足的能源,以便延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用壽命,提高監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)有效性。

在軟件設(shè)計(jì)上 ,通過(guò)動(dòng)態(tài)電源管理(Dynamic Power Management,DPM)技術(shù)使系統(tǒng)各個(gè)部分都運(yùn)行在節(jié)能模式。在關(guān)閉空閑模塊狀態(tài)下,傳感器節(jié)點(diǎn)或其他部分將被關(guān)閉或者處于低功耗狀態(tài) ,直到有“感興趣”的事件發(fā)生。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 應(yīng)用背景

清泉路滑坡為袁家蹬潛在滑坡的組成部分[6](見(jiàn)圖3),位于袁家蹬潛在滑坡的前部,滑坡段北部位于長(zhǎng)江左岸大溪溝右岸、東北部位于長(zhǎng)江左岸河漫灘。清泉路滑坡外形似梨形,坐落在長(zhǎng)江第一、二級(jí)階地上;袁家蹬潛在滑坡體(包括清泉路滑坡)形似腎形,坐落在長(zhǎng)江第一至第三級(jí)階地上,西側(cè)與長(zhǎng)堰塘滑坡相鄰。由于滑坡為大型松散堆積層滑坡,三峽水庫(kù)正常蓄水運(yùn)行后,滑坡前緣大部分將被水淹沒(méi),清泉路滑坡 80%位于庫(kù)區(qū)水位變動(dòng)帶,局部及整體失穩(wěn)的可能性大。從滑坡變形機(jī)制可以推斷清泉路滑坡為兩滑動(dòng)的松散土體滑坡,具有兩級(jí)滑動(dòng)面(見(jiàn)圖4)?；骂A(yù)警的確定是監(jiān)測(cè)滑坡的重要內(nèi)容,也為治理滑坡提供了數(shù)據(jù)分析。

圖3 清泉路滑坡平面圖

圖4 滑動(dòng)面示意圖

由于監(jiān)測(cè)信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理均與節(jié)點(diǎn)密不可分,所以著重介紹節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)[7-10]。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 無(wú)線收發(fā)單元

采用SRWF-501-50型微功率無(wú)線數(shù)傳模塊,該無(wú)線通信模塊具有很強(qiáng)的抗干擾能力,全透明傳輸,體積小,傳輸距離遠(yuǎn),低功耗及休眠功能。

2.2.2 MCU 控制單元(AT89C52)

數(shù)據(jù)處理模塊是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心部分,一方面接收來(lái)自傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù),按要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算等,交給通信模塊發(fā)送;另一方面讀取通信模塊送入的數(shù)據(jù)信息,對(duì)硬件平臺(tái)其他模塊的操作進(jìn)行控制。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器采用傾角傳感器和液位傳感器,每個(gè)孔洞都會(huì)在最下端部署一個(gè)液位傳感器,在不同深度部署數(shù)個(gè)傾角傳感器,通過(guò)傾角傳感器可以監(jiān)測(cè)山體的運(yùn)動(dòng)狀況,液位傳感器采集地下水位深度的數(shù)據(jù),圖5給出無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)電路構(gòu)成框圖。

圖5 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)電路構(gòu)成框圖

2.2.4 后臺(tái)監(jiān)控單元(嵌入式系統(tǒng))

處理器模塊的CPU 采用三星公司的基于ARM7的S3C44B0微控制器,在ARM 中移植了μCOS-Ⅱ?qū)崟r(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)[11],以進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)管理。對(duì)于共享同一種資源會(huì)存在資源競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題,系統(tǒng)中采用了事件標(biāo)志和信號(hào)量的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)同步機(jī)制,使得原子操作不需要關(guān)掉所有的中斷,從而不會(huì)造成系統(tǒng)的響應(yīng)延遲。

2.3 軟件模塊設(shè)計(jì)

按照硬件電路設(shè)計(jì)思路,軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方式[12]。軟件模塊包括:系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、接收中斷服務(wù)、突發(fā)中斷采集、A/D采集模塊、UART串口模塊。系統(tǒng)初始化基本思路:上電后設(shè)置串口方式3,開(kāi)啟定時(shí)中斷和外部中斷,啟動(dòng)接收模塊,進(jìn)行通信檢測(cè),進(jìn)入省電模式。這里簡(jiǎn)單給出主程序流程圖(見(jiàn)圖6),中斷流程圖(見(jiàn)圖7),圖7中中斷為接收中斷,中斷1為突發(fā)中斷。

圖6 主程序流程圖

圖7 中斷流程圖

2.4 數(shù)據(jù)處理與圖形分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的誤碼率進(jìn)行測(cè)試,在不同環(huán)境、不同距離的通信測(cè)試中,得出系統(tǒng)的信道誤碼率為10-2,傳輸距離在500~1 200 m時(shí),平均誤碼率為10-5～10-6之間。對(duì)清泉路滑坡實(shí)際測(cè)試中,假設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)x幀時(shí),接收到y(tǒng)幀,即發(fā)送11×x b,正確接收到11×y b,得到滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),如表1所示,并根據(jù)計(jì)算公式:

誤碼率=11×[(x-y)/x]

分析得出系統(tǒng)實(shí)際誤碼率,如圖8所示。從圖8中可看出,在數(shù)據(jù)較小時(shí),誤碼率幾乎為0,隨著數(shù)據(jù)的增大,系統(tǒng)誤碼率維持在10-5～10-6之間,符合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信要求,證實(shí)了整個(gè)系統(tǒng)在滑坡監(jiān)測(cè)中的有效性。

表1 誤碼率測(cè)試數(shù)據(jù)表

發(fā)送x /b接收y /b(x-y) /b誤碼率

100 000 100 00000

500 000 500 0000 0

1 000 000 999 99911.1×10-5

1 500 0001 499 99910.73×10-5

2 000 0001 999 99910.55×10-5

2 500 0002 499 99820.88×10-5

3 000 0002 999 99820.73×10-5

4 000 0003 999 99820.55×10-5

5 000 0004 999 99730.66×10-5

圖8 誤碼率測(cè)試圖

3 結(jié) 語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是影響人類未來(lái)生活的重要技術(shù)之一[13], 這一新興技術(shù)結(jié)合了現(xiàn)有的多種先進(jìn)技術(shù),為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑?；跓o(wú)線傳感器技術(shù)和地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)組網(wǎng),基本建立了研究三峽庫(kù)區(qū)特殊地段滑坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)使用證實(shí)了整個(gè)系統(tǒng)的可行性。對(duì)系統(tǒng)稍加修改便可以應(yīng)用在水質(zhì)污染、森林火災(zāi)等自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)中,還可以應(yīng)用在室內(nèi)防盜、智能交通、工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域。

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