徐云乾,袁明道,包騰飛,潘展釗,李培聰,李 昊

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098;2. 廣東省水利水電科學(xué)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(yīng)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(chǔ)設(shè)施,大壩失事對(duì)于公共安全影響巨大。大壩表面變形監(jiān)測(cè)是壩體安全監(jiān)測(cè)重要的項(xiàng)目之一。目前對(duì)于壩體變形監(jiān)測(cè),大多采用水管式沉降儀、滲壓計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀、振弦式傳感器及光纖測(cè)斜儀等進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1-4],但是整體系統(tǒng)安裝部署復(fù)雜[ 5-7]。近年來,隨著微機(jī)械芯片制造技術(shù)的快速發(fā)展,微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器被廣泛應(yīng)用于電力、橋梁、邊坡等基礎(chǔ)設(shè)施安全健康監(jiān)測(cè)中[8]。目前處于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)向高精度發(fā)展階段,監(jiān)測(cè)精度低于傳統(tǒng)人工測(cè)量精度,且還有諸多工程應(yīng)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(shí)間、高頻次自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及大范圍部署的應(yīng)用需求。

本文針對(duì)以上實(shí)際應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、開源節(jié)流的能量供應(yīng)設(shè)計(jì)、無限拓展的通信覆蓋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),建立起野外無人值守環(huán)境下的自主高精度變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

如圖1所示,變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心組件有云端、網(wǎng)關(guān)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(jìn)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(guān)上報(bào)至云端。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

終端按功能劃分有主控單元、傳感單元、人機(jī)交互單元、存儲(chǔ)單元、供能單元及通信單元。主控單元承擔(dān)終端工作邏輯實(shí)現(xiàn)、信息交互、原始數(shù)據(jù)解算等,是整個(gè)終端的核心控制所在。傳感單元包含MEMS加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)3種傳感器,為整個(gè)系統(tǒng)提供原始的物理數(shù)據(jù),是整個(gè)終端的基礎(chǔ)。人機(jī)交互單元指示終端的工作狀態(tài),并響應(yīng)對(duì)終端的操作,為觀察和控制終端提供窗口。存儲(chǔ)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(gè)終端供電,并在有效照射時(shí)間中利用太陽能進(jìn)行補(bǔ)能。通信單元對(duì)接網(wǎng)關(guān),建立通信鏈路,將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 星形組網(wǎng)拓?fù)?/h3>

與常規(guī)壩體的無線傳感器部署不同[11-12],變形監(jiān)測(cè)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(duì)通信鏈路提出了較高的要求。本文基于LoRa調(diào)制技術(shù)作為物理層,以星形拓?fù)渥越M網(wǎng)的形式,建立了整個(gè)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)鏈路。每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域以網(wǎng)關(guān)進(jìn)行標(biāo)定(見圖1),每個(gè)網(wǎng)關(guān)所覆蓋的區(qū)域被劃定為一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域,每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有多個(gè)監(jiān)測(cè)終端。本系統(tǒng)中存在終端、網(wǎng)關(guān)和云端。

終端包含一個(gè)通信單元,該通信單元在物理上同時(shí)存在于網(wǎng)關(guān)中。其物理實(shí)現(xiàn)均基于LoRa無線通信技術(shù),具有功耗低,距離遠(yuǎn)及組網(wǎng)方便的特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)通信中,這里的終端和網(wǎng)關(guān)間的通信是基于LoRa無線通信技術(shù)實(shí)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(luò)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)承上啟下,對(duì)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(duì)上將所有的終端數(shù)據(jù)進(jìn)行解包,再重封裝轉(zhuǎn)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(guān)具有數(shù)據(jù)量大,直接對(duì)接云端服務(wù)器,長時(shí)間在線等特點(diǎn),本文采用蜂窩無線網(wǎng)絡(luò)和云端通信。

2.2 重覆蓋節(jié)點(diǎn)

監(jiān)測(cè)區(qū)域的部署和劃分與業(yè)務(wù)的關(guān)系較大,根據(jù)監(jiān)測(cè)需要和監(jiān)測(cè)范圍的覆蓋大小,每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑杩紤]自身體系外,還會(huì)涉及物理位置相鄰的系統(tǒng)。如圖1所示,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位2、3的中間終端(虛線框內(nèi)),該終端同時(shí)被兩個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域覆蓋。該終端上行的數(shù)據(jù)會(huì)同時(shí)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)位2、3的網(wǎng)關(guān)接收,這兩個(gè)網(wǎng)關(guān)同時(shí)會(huì)將該終端上行的數(shù)據(jù)上報(bào)云端,云端系統(tǒng)接收到2條同樣時(shí)間戳的終端數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)隨機(jī)刪除1條,只保存1份。以此實(shí)現(xiàn)了終端的任意自組網(wǎng),這不僅有利于現(xiàn)場(chǎng)施工安裝,去掉了配網(wǎng)、聯(lián)網(wǎng)、強(qiáng)綁定等過程,更可有效地解決某個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域終端過多,超出網(wǎng)關(guān)覆蓋范圍時(shí),同一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域部署多臺(tái)網(wǎng)關(guān)的問題。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)際部署情況需要結(jié)合應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)情況,因地制宜的進(jìn)行設(shè)計(jì)部署。

3 工程實(shí)現(xiàn)

3.1 傳感單元

MEMS慣性傳感器是一類基于MEMS技術(shù)制造的、能將慣性相關(guān)物理量(如加速度、旋轉(zhuǎn)等)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪活愇锢砹?主要是便于測(cè)量的電學(xué)量)的器件。本文采用1個(gè)高精度MEMS加速度傳感器和1個(gè)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(jìn)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(yīng)用于數(shù)據(jù)傳輸速度要求不高、多設(shè)備同時(shí)掛載的場(chǎng)景中。

圖2 傳感器電路圖

由于監(jiān)測(cè)環(huán)境一般處于靜止?fàn)顟B(tài),高精度MEMS加速度傳感器可以有效地測(cè)量出重力在各個(gè)軸向的分量,以此可快速計(jì)算出靜止?fàn)顟B(tài)下終端的傾斜角度。但如果終端發(fā)生傾斜或突然運(yùn)動(dòng),在與運(yùn)動(dòng)方向不相垂直的軸向上會(huì)疊加運(yùn)動(dòng)加速度,這將導(dǎo)致角度解算出錯(cuò)。因此,陀螺儀通過測(cè)量角速度后短時(shí)積分可以進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2 供能調(diào)度

變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求長時(shí)間無人自主工作,現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的成本較大,因此,能量消耗、調(diào)度策略和有效補(bǔ)能非常重要。

3.2.1 能量消耗

按休眠或低功耗實(shí)現(xiàn)形式,功耗可將各單元分為:

1) 電源完全斷開類(如人機(jī)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(bào)后,主控單元逐個(gè)操作其他單元進(jìn)入低功耗模式,最后自己也進(jìn)入休眠模式。此時(shí),傳感單元一直持續(xù)監(jiān)測(cè),在終端感受到突然發(fā)生的加速度變化時(shí),觸發(fā)振動(dòng)喚醒中斷,喚醒主控單元,進(jìn)入工作狀態(tài)。

終端整個(gè)運(yùn)行周期的運(yùn)行狀態(tài)可分為就緒、采集、通信和休眠。就緒狀態(tài)是指設(shè)備各項(xiàng)外設(shè)自檢通過,所有單元準(zhǔn)備就緒的狀態(tài),該狀態(tài)下任何的外界刺激都會(huì)進(jìn)行響應(yīng)。采集狀態(tài)是指主控單元對(duì)MEMS慣性傳感器進(jìn)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(huì)有響應(yīng),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(guān)或網(wǎng)關(guān)下發(fā)指令到終端的全過程,該狀態(tài)下,從云端看設(shè)備處于即時(shí)響應(yīng)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(huì)實(shí)時(shí)響應(yīng)。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(cè)狀態(tài)變化的傳感單元外,所有其他單元和外設(shè)均處于休眠或斷電狀態(tài),此狀態(tài)下僅響應(yīng)主控單元的定時(shí)喚醒機(jī)制或傳感的振動(dòng)喚醒,功耗可達(dá)微安級(jí)。

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(duì)所有單元初始化,完成后終端處于就緒狀態(tài),此時(shí)有3個(gè)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(huì)固定周期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

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

3) 振動(dòng)喚醒后,完成設(shè)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(shí)間無任何操作,設(shè)備將進(jìn)入休眠模式。休眠模式下,功耗極低,僅在采集周期到和振動(dòng)喚醒中斷觸發(fā)情況下喚醒設(shè)備,設(shè)備喚醒后馬上開始各外設(shè)的初始工作,立即進(jìn)入采集狀態(tài),此過程無法被打斷,享有較高的優(yōu)先級(jí)。

3.2.3 有效補(bǔ)能

有效補(bǔ)能針對(duì)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于野外無人露天場(chǎng)景的特點(diǎn),通過太陽能進(jìn)行有效充電,考慮目前應(yīng)用場(chǎng)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(shí)間,具體細(xì)節(jié)將結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行講解。

在硬件實(shí)現(xiàn)方面,為保證最大補(bǔ)能效率和最小系統(tǒng)干擾,該部分完全采用硬件電路實(shí)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(yīng)模塊,可以根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流,以便在任何微小的光照條件下均能進(jìn)行有效補(bǔ)能。

3.3 通信單元

在傳輸過程中,由于現(xiàn)場(chǎng)各種復(fù)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(dòng)檢測(cè)和通信協(xié)議兩個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

3.3.1 信道活動(dòng)檢測(cè)

信道活動(dòng)檢測(cè)(CAD)是指在通信前檢測(cè)無線信道上的前導(dǎo)碼,信道空閑時(shí)再進(jìn)行通信,若信道繁忙,則等待隨機(jī)時(shí)間后再進(jìn)行通信。信道檢測(cè)可有效地避免一個(gè)網(wǎng)關(guān)對(duì)接多個(gè)終端時(shí)通信碰撞導(dǎo)致的丟包、串包問題。

可從芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)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(shí)現(xiàn)通過不同的中斷來完成信道活動(dòng)檢測(cè)的效果,即DIO3引腳中斷表示CAD檢測(cè)完畢,DIO1引腳中斷表示CAD活動(dòng)檢測(cè)被檢測(cè)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(yàn)、幀頭、密鑰等手段可有效防止錯(cuò)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(diǎn)。幀長代表整個(gè)數(shù)據(jù)幀的完整字節(jié)長度。幀序?yàn)槊總€(gè)幀序號(hào),用于雙方確認(rèn)通信是否連續(xù)。發(fā)送者編號(hào)和接收者編號(hào)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)流向,以更好的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。時(shí)間戳標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)時(shí)間,一方面是標(biāo)注數(shù)據(jù)采樣時(shí)間便于應(yīng)用分析,另一方面是重復(fù)覆蓋節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小結(jié))角度和x、y、z3軸重力加速度數(shù)據(jù)。校驗(yàn)字段采用CRC16校驗(yàn)對(duì)前述所有數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,以便接收方接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)算。由表可知,當(dāng)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(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)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(yán)寒、雷擊等惡劣天氣,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)性加固技術(shù)(見圖3)如下:

圖3 變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖及實(shí)際安裝圖

1) 變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備整體采用增強(qiáng)型ABS工程塑料,該材料具有強(qiáng)度高,韌性好,易于加工成型的特點(diǎn),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(bǔ)能太陽能板1塊,正下方設(shè)置人機(jī)交互區(qū)。安裝時(shí),將太陽能板面朝正南方向,以最大化陽光照射時(shí)間。

3) 以右手笛卡爾坐標(biāo)系建立終端坐標(biāo)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(gè)外殼完全密封,不留任何縫隙空間,防水等級(jí)達(dá)到IP68。

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

5 應(yīng)用及結(jié)果

2022年,在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)用,監(jiān)測(cè)區(qū)域1、2相距2.5 km。圖4為監(jiān)測(cè)區(qū)域1的現(xiàn)場(chǎng)終端和網(wǎng)關(guān)部署圖。圖5為監(jiān)測(cè)區(qū)域2的現(xiàn)場(chǎng)部署圖。該項(xiàng)目為水庫壩體變形監(jiān)測(cè),在背水坡多點(diǎn)分布安裝監(jiān)測(cè)終端,多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)坡體變形。由于兩監(jiān)測(cè)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(diǎn)機(jī)制。

圖4 監(jiān)測(cè)區(qū)域1應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)部署圖

圖5 監(jiān)測(cè)區(qū)域2應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)部署圖

近半年的試點(diǎn)應(yīng)用過程中,兩監(jiān)測(cè)區(qū)域終端上線率達(dá)100%。數(shù)據(jù)穩(wěn)定性方面,按照每10 min上報(bào)周期,持續(xù)24 h不間斷上報(bào),理論上報(bào)數(shù)據(jù)為338 688條,實(shí)際上報(bào)數(shù)據(jù)338 518條,數(shù)據(jù)丟包率約0.05%。

以監(jiān)測(cè)區(qū)域1的監(jiān)測(cè)終端5為例,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,該數(shù)據(jù)取至2023年1月6日8點(diǎn)至1月10日3點(diǎn),共計(jì)數(shù)據(jù)547條,圖6 為x、y、z軸角度隨時(shí)間變化曲線。圖7為x、y、z軸加速度隨時(shí)間變化曲線。由圖6可看出,在靜態(tài)場(chǎng)景下,解算出來的角度信息,穩(wěn)定、連續(xù)、波動(dòng)小,符合預(yù)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(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于MEMS慣性傳感器的變形監(jiān)測(cè)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(luò)架構(gòu),結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)了重復(fù)覆蓋節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?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(duì)惡劣條件、長時(shí)間無人值守等應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn),分別對(duì)傳感單元、供能調(diào)度、通信單元進(jìn)行了設(shè)計(jì),并結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景的工作條件、天氣情況等采用了外殼增強(qiáng)手段。最后,在實(shí)際的壩體變形監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用,有效地驗(yàn)證了鏈路穩(wěn)定性、設(shè)備可靠性,并陸續(xù)在廣東省200余個(gè)水庫進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用。今后,在獲取大量試點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,我們將繼續(xù)深入研究多點(diǎn)分布式部署終端的數(shù)據(jù)綜合分析和大壩安全監(jiān)測(cè)健康度反演。