徐云乾,袁明道,包騰飛,潘展釗,李培聰,李 昊

(1.河海大學 水利水電學院,江蘇 南京 210098;2. 廣東省水利水電科學研究院,廣東 廣州 510635;3. 陽江核電有限公司,廣東 陽江 529941)

0 引言

水庫大壩是水防御、水資源優(yōu)化配置、能源供應和調(diào)節(jié)、農(nóng)業(yè)灌溉、水生態(tài)水環(huán)境維持等必不可少的重要基礎設施,大壩失事對于公共安全影響巨大。大壩表面變形監(jiān)測是壩體安全監(jiān)測重要的項目之一。目前對于壩體變形監(jiān)測,大多采用水管式沉降儀、滲壓計、靜力水準儀、振弦式傳感器及光纖測斜儀等進行監(jiān)測[1-4],但是整體系統(tǒng)安裝部署復雜[ 5-7]。近年來,隨著微機械芯片制造技術的快速發(fā)展,微機電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器被廣泛應用于電力、橋梁、邊坡等基礎設施安全健康監(jiān)測中[8]。目前處于實現(xiàn)自動化監(jiān)測向高精度發(fā)展階段,監(jiān)測精度低于傳統(tǒng)人工測量精度,且還有諸多工程應用問題尚未解決[9-10],無法滿足野外無人環(huán)境下快速部署、長時間、高頻次自動化監(jiān)測及大范圍部署的應用需求。

本文針對以上實際應用需求,基于無需外源信息的MEMS慣性傳感器,通過魯棒簡潔的結構設計、開源節(jié)流的能量供應設計、無限拓展的通信覆蓋網(wǎng)絡設計,建立起野外無人值守環(huán)境下的自主高精度變形監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

如圖1所示,變形監(jiān)測系統(tǒng)核心組件有云端、網(wǎng)關和終端。終端從MEMS傳感器中獲取原始數(shù)據(jù),經(jīng)過基于卡爾曼濾波的優(yōu)化算法后解算終端姿態(tài)角,將新數(shù)據(jù)進行通信鏈路格式化處理,經(jīng)歷一系列的重封裝、壓縮、加密等數(shù)據(jù)處理操作,數(shù)據(jù)被送入通信鏈路,經(jīng)最近的網(wǎng)關上報至云端。

圖1 系統(tǒng)拓撲圖

終端按功能劃分有主控單元、傳感單元、人機交互單元、存儲單元、供能單元及通信單元。主控單元承擔終端工作邏輯實現(xiàn)、信息交互、原始數(shù)據(jù)解算等,是整個終端的核心控制所在。傳感單元包含MEMS加速度計、陀螺儀和磁力計3種傳感器,為整個系統(tǒng)提供原始的物理數(shù)據(jù),是整個終端的基礎。人機交互單元指示終端的工作狀態(tài),并響應對終端的操作,為觀察和控制終端提供窗口。存儲單元主要用于緩存各種類型數(shù)據(jù)。供能單元以低功耗的調(diào)度策略為整個終端供電,并在有效照射時間中利用太陽能進行補能。通信單元對接網(wǎng)關,建立通信鏈路,將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關。

2 網(wǎng)絡架構

2.1 星形組網(wǎng)拓撲

與常規(guī)壩體的無線傳感器部署不同[11-12],變形監(jiān)測系統(tǒng)常部署在通信條件受限的無人或近無人區(qū)域,這對通信鏈路提出了較高的要求。本文基于LoRa調(diào)制技術作為物理層,以星形拓撲自組網(wǎng)的形式,建立了整個變形監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡鏈路。每個監(jiān)測區(qū)域以網(wǎng)關進行標定(見圖1),每個網(wǎng)關所覆蓋的區(qū)域被劃定為一個監(jiān)測區(qū)域,每個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有多個監(jiān)測終端。本系統(tǒng)中存在終端、網(wǎng)關和云端。

終端包含一個通信單元,該通信單元在物理上同時存在于網(wǎng)關中。其物理實現(xiàn)均基于LoRa無線通信技術,具有功耗低,距離遠及組網(wǎng)方便的特點,已廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)通信中,這里的終端和網(wǎng)關間的通信是基于LoRa無線通信技術實現(xiàn)。終端中主控單元將數(shù)據(jù)打好后,通過LoRa通信網(wǎng)絡發(fā)送給網(wǎng)關。

網(wǎng)關承上啟下,對下接收覆蓋范圍內(nèi)的所有終端上行數(shù)據(jù),下發(fā)各類查詢和控制指令。對上將所有的終端數(shù)據(jù)進行解包,再重封裝轉發(fā)到云端,接收并分解云端的查詢和控制指令。因此,網(wǎng)關具有數(shù)據(jù)量大,直接對接云端服務器,長時間在線等特點,本文采用蜂窩無線網(wǎng)絡和云端通信。

2.2 重覆蓋節(jié)點

監(jiān)測區(qū)域的部署和劃分與業(yè)務的關系較大,根據(jù)監(jiān)測需要和監(jiān)測范圍的覆蓋大小,每個監(jiān)測點位的網(wǎng)絡拓撲除需考慮自身體系外,還會涉及物理位置相鄰的系統(tǒng)。如圖1所示,監(jiān)測點位2、3的中間終端(虛線框內(nèi)),該終端同時被兩個監(jiān)測區(qū)域覆蓋。該終端上行的數(shù)據(jù)會同時被監(jiān)測點位2、3的網(wǎng)關接收,這兩個網(wǎng)關同時會將該終端上行的數(shù)據(jù)上報云端,云端系統(tǒng)接收到2條同樣時間戳的終端數(shù)據(jù)時,會隨機刪除1條,只保存1份。以此實現(xiàn)了終端的任意自組網(wǎng),這不僅有利于現(xiàn)場施工安裝,去掉了配網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)、強綁定等過程,更可有效地解決某個監(jiān)測區(qū)域終端過多,超出網(wǎng)關覆蓋范圍時,同一個監(jiān)測區(qū)域部署多臺網(wǎng)關的問題。

網(wǎng)絡架構的實際部署情況需要結合應用現(xiàn)場情況,因地制宜的進行設計部署。

3 工程實現(xiàn)

3.1 傳感單元

MEMS慣性傳感器是一類基于MEMS技術制造的、能將慣性相關物理量(如加速度、旋轉等)轉變?yōu)榱硪活愇锢砹?主要是便于測量的電學量)的器件。本文采用1個高精度MEMS加速度傳感器和1個MEMS陀螺儀傳感器(見圖2),其與主控單元間使用I2C通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信,I2C協(xié)議是一種雙向同步串行總線協(xié)議,被廣泛應用于數(shù)據(jù)傳輸速度要求不高、多設備同時掛載的場景中。

圖2 傳感器電路圖

由于監(jiān)測環(huán)境一般處于靜止狀態(tài),高精度MEMS加速度傳感器可以有效地測量出重力在各個軸向的分量,以此可快速計算出靜止狀態(tài)下終端的傾斜角度。但如果終端發(fā)生傾斜或突然運動,在與運動方向不相垂直的軸向上會疊加運動加速度,這將導致角度解算出錯。因此,陀螺儀通過測量角速度后短時積分可以進行補償。

3.2 供能調(diào)度

變形監(jiān)測系統(tǒng)要求長時間無人自主工作,現(xiàn)場維護的成本較大,因此,能量消耗、調(diào)度策略和有效補能非常重要。

3.2.1 能量消耗

按休眠或低功耗實現(xiàn)形式,功耗可將各單元分為:

1) 電源完全斷開類(如人機交互單元和通信單元等)。其在休眠過程中可以完全斷開電源,等待主控單元根據(jù)調(diào)度策略重新上電即可。

2) 切換到低功耗工作模式(如傳感單元和主控單元)。正常情況下,周期數(shù)據(jù)上報后,主控單元逐個操作其他單元進入低功耗模式,最后自己也進入休眠模式。此時,傳感單元一直持續(xù)監(jiān)測,在終端感受到突然發(fā)生的加速度變化時,觸發(fā)振動喚醒中斷,喚醒主控單元,進入工作狀態(tài)。

終端整個運行周期的運行狀態(tài)可分為就緒、采集、通信和休眠。就緒狀態(tài)是指設備各項外設自檢通過,所有單元準備就緒的狀態(tài),該狀態(tài)下任何的外界刺激都會進行響應。采集狀態(tài)是指主控單元對MEMS慣性傳感器進行數(shù)據(jù)采集、提取、解算和通信前打包等,包括數(shù)據(jù)從傳感器物理量到待通信之間的所有狀態(tài),在該狀態(tài)下某些外界刺激不會有響應,如云端下發(fā)指令。通信狀態(tài)是指主控單元發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關或網(wǎng)關下發(fā)指令到終端的全過程,該狀態(tài)下,從云端看設備處于即時響應狀態(tài),從云端到終端的全通信鏈路完全接通,下發(fā)任何指令都會實時響應。休眠狀態(tài)是指終端除處于低功耗模式的主控單元和監(jiān)測狀態(tài)變化的傳感單元外,所有其他單元和外設均處于休眠或斷電狀態(tài),此狀態(tài)下僅響應主控單元的定時喚醒機制或傳感的振動喚醒,功耗可達微安級。

3.2.2 調(diào)度策略

調(diào)度策略方面,上電后,終端立即開始自檢并對所有單元初始化,完成后終端處于就緒狀態(tài),此時有3個觸發(fā)源可切換終端的狀態(tài)至采集狀態(tài):

1) 采集周期到,終端在正常工作狀態(tài)會固定周期進行數(shù)據(jù)采集。

2) 云端下發(fā)了數(shù)據(jù)請求指令后,主控單元進行解析,完成后進行數(shù)據(jù)采集。

3) 振動喚醒后,完成設備的就緒立即開始采集。

如果在就緒狀態(tài)下保持一定的時間無任何操作,設備將進入休眠模式。休眠模式下,功耗極低,僅在采集周期到和振動喚醒中斷觸發(fā)情況下喚醒設備,設備喚醒后馬上開始各外設的初始工作,立即進入采集狀態(tài),此過程無法被打斷,享有較高的優(yōu)先級。

3.2.3 有效補能

有效補能針對變形監(jiān)測系統(tǒng)主要應用于野外無人露天場景的特點,通過太陽能進行有效充電,考慮目前應用場景均處于北半球,故采用45°傾斜向南的方式以最大程度延長充電時間,具體細節(jié)將結合結構設計進行講解。

在硬件實現(xiàn)方面,為保證最大補能效率和最小系統(tǒng)干擾,該部分完全采用硬件電路實現(xiàn),不經(jīng)過任何的軟件控制。采用專業(yè)太陽能板鋰電池充電管理芯片,通過其充電電流自適應模塊,可以根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動調(diào)整充電電流,以便在任何微小的光照條件下均能進行有效補能。

3.3 通信單元

在傳輸過程中,由于現(xiàn)場各種復雜性,數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)通信亂碼、數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)幀間串碼等情況。為了提高通信穩(wěn)定性,本文從信道活動檢測和通信協(xié)議兩個方面進行了設計。

3.3.1 信道活動檢測

信道活動檢測(CAD)是指在通信前檢測無線信道上的前導碼,信道空閑時再進行通信,若信道繁忙,則等待隨機時間后再進行通信。信道檢測可有效地避免一個網(wǎng)關對接多個終端時通信碰撞導致的丟包、串包問題。

可從芯片的數(shù)據(jù)手冊中得到DIO引腳在LoRa模式下的映射圖,如表1所示。即如果將DIO3寄存器配置為00,DIO1寄存器配置為10,DIO0配置為00,可實現(xiàn)通過不同的中斷來完成信道活動檢測的效果,即DIO3引腳中斷表示CAD檢測完畢,DIO1引腳中斷表示CAD活動檢測被檢測到,DIO0引腳中斷表示通信數(shù)據(jù)被接收。

表1 DIO引腳映射表

3.3.2 通信協(xié)議

通信協(xié)議通過校驗、幀頭、密鑰等手段可有效防止錯碼、亂碼和惡意破解等問題。表2為通信協(xié)議各字段定義。表2中,幀頭是采用雙字節(jié)幀頭的方式作為數(shù)據(jù)的起點。幀長代表整個數(shù)據(jù)幀的完整字節(jié)長度。幀序為每個幀序號,用于雙方確認通信是否連續(xù)。發(fā)送者編號和接收者編號標識數(shù)據(jù)流向,以更好的優(yōu)化網(wǎng)絡拓撲結構。時間戳標識數(shù)據(jù)時間,一方面是標注數(shù)據(jù)采樣時間便于應用分析,另一方面是重復覆蓋節(jié)點的數(shù)據(jù)去重。數(shù)據(jù)段分別是繞x、y、z3軸(具體定義參見結構設計小結)角度和x、y、z3軸重力加速度數(shù)據(jù)。校驗字段采用CRC16校驗對前述所有數(shù)據(jù)進行計算,以便接收方接收到數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)驗算。由表可知,當主控單元從傳感單元獲取到數(shù)據(jù)后,將按照表格定義進行打包,隨后通過通信單元發(fā)出。

表2 通信協(xié)議各字段定義

4 結構設計

針對變形監(jiān)測系統(tǒng)主要應用于野外、露天等環(huán)境中,可能出現(xiàn)雨雪、冰雹、霧霾、高溫、暴曬、嚴寒、雷擊等惡劣天氣,結構設計必須考慮防雨、防曬、防塵、防腐蝕、防蟲蛇鼠咬等情況。本文提出的野外環(huán)境適應性加固技術(見圖3)如下:

圖3 變形監(jiān)測系統(tǒng)結構設計圖及實際安裝圖

1) 變形監(jiān)測系統(tǒng)設備整體采用增強型ABS工程塑料,該材料具有強度高,韌性好,易于加工成型的特點,可提高在陽光暴曬后的抗雨、抗冰雹能力。

2) 終端整體呈圓柱切削形成45°傾斜橢圓交線狀。斜面上布置補能太陽能板1塊,正下方設置人機交互區(qū)。安裝時,將太陽能板面朝正南方向,以最大化陽光照射時間。

3) 以右手笛卡爾坐標系建立終端坐標體系,拇指指向x軸正向,食指指向y軸正向,中指指向z軸正向。

4) 整個外殼完全密封,不留任何縫隙空間,防水等級達到IP68。

5) 在應用前加速生命周期,保證終端在面對溫度、水泡、振動極端變化時,穩(wěn)定可靠。

5 應用及結果

2022年,在監(jiān)測現(xiàn)場進行應用,監(jiān)測區(qū)域1、2相距2.5 km。圖4為監(jiān)測區(qū)域1的現(xiàn)場終端和網(wǎng)關部署圖。圖5為監(jiān)測區(qū)域2的現(xiàn)場部署圖。該項目為水庫壩體變形監(jiān)測,在背水坡多點分布安裝監(jiān)測終端,多點同時監(jiān)測坡體變形。由于兩監(jiān)測區(qū)域間距較近,LoRa通信距離互相覆蓋,一方面形成冗余通信覆蓋,提高通信可靠性,另一方面將觸發(fā)重覆蓋節(jié)點機制。

圖4 監(jiān)測區(qū)域1應用現(xiàn)場部署圖

圖5 監(jiān)測區(qū)域2應用現(xiàn)場部署圖

近半年的試點應用過程中,兩監(jiān)測區(qū)域終端上線率達100%。數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面,按照每10 min上報周期,持續(xù)24 h不間斷上報,理論上報數(shù)據(jù)為338 688條,實際上報數(shù)據(jù)338 518條,數(shù)據(jù)丟包率約0.05%。

以監(jiān)測區(qū)域1的監(jiān)測終端5為例,對實驗結果進行數(shù)據(jù)分析,該數(shù)據(jù)取至2023年1月6日8點至1月10日3點,共計數(shù)據(jù)547條,圖6 為x、y、z軸角度隨時間變化曲線。圖7為x、y、z軸加速度隨時間變化曲線。由圖6可看出,在靜態(tài)場景下,解算出來的角度信息,穩(wěn)定、連續(xù)、波動小,符合預期。由圖7可看出,z軸保持在重力加速度附近,其余兩軸由于安裝原因持續(xù)保持一定分量。

圖6 3軸角度曲線圖

圖7 3軸加速度曲線圖

6 結束語

本文設計了一個基于MEMS慣性傳感器的變形監(jiān)測系統(tǒng),其集傳感、采集、處理、通信、上云于一體。首先,通過星形組網(wǎng)的網(wǎng)絡架構,結合應用場景設計了重復覆蓋節(jié)點的網(wǎng)絡拓撲,形成了穩(wěn)定可靠、不丟包、防干擾的數(shù)據(jù)鏈路。其次,針對惡劣條件、長時間無人值守等應用場景進行了硬件實現(xiàn),分別對傳感單元、供能調(diào)度、通信單元進行了設計,并結合應用場景的工作條件、天氣情況等采用了外殼增強手段。最后,在實際的壩體變形監(jiān)測現(xiàn)場進行了試點應用,有效地驗證了鏈路穩(wěn)定性、設備可靠性,并陸續(xù)在廣東省200余個水庫進行了試點應用。今后,在獲取大量試點監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎上,我們將繼續(xù)深入研究多點分布式部署終端的數(shù)據(jù)綜合分析和大壩安全監(jiān)測健康度反演。