一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 波,賴于樹,黃 倩,文建祥

摘 要:介紹一種采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為主要技術(shù)手段的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。首先介紹監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理,然后對適用于滑坡監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析設(shè)計,最后通過介紹一個實(shí)例,對節(jié)點(diǎn)硬件電路和軟件設(shè)計做了說明。通過應(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)測中的不確定性問題,能夠更有效地實(shí)現(xiàn)三峽庫區(qū)等惡劣地質(zhì)環(huán)境條件下的滑坡監(jiān)測與防治。

關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);滑坡監(jiān)測;實(shí)時監(jiān)測;ZigBee協(xié)議;節(jié)點(diǎn)設(shè)計

中圖分類號:TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號: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

隨著三峽庫區(qū)儲水,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)三峽庫區(qū)滑坡災(zāi)害問題已經(jīng)引起有關(guān)部門和社會的廣泛關(guān)注。針對危巖、塌方、滑坡、地面沉降、地裂縫、泥石流,甚至地震等地質(zhì)災(zāi)害問題,傳統(tǒng)的方法是人工監(jiān)測,通過攜帶監(jiān)測儀器現(xiàn)場測試的方式對異動信號進(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)測方式無法有效把災(zāi)害防患于未然。因此,建立實(shí)時的自動化監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是必然的發(fā)展趨勢。

目前在巫山縣多個滑坡地帶的實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)中[1,2],普遍采用基于鉆孔傾斜儀深部位移監(jiān)測、GPS表變形監(jiān)測。傳感器和儀器設(shè)備檢測的信號,目前都采用線纜或者GPRS通信的方式匯集到中心計算機(jī)上,采用線纜的方式有明顯的弊端,除了在危險地帶不易布線,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,并且在庫區(qū)一些偏遠(yuǎn)地區(qū)和山區(qū),信號較弱,甚至收索不到信號,因而無法建立有效的GPRS自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)技術(shù)實(shí)現(xiàn)庫區(qū)特殊地段地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)時監(jiān)測應(yīng)該是一種技術(shù)上先進(jìn),適宜庫區(qū)地貌特征的有效嘗試。由于WSN本身的冗余性、無線性、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,把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到長江三峽庫區(qū)特殊地帶的滑坡災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警中,利用各種傳感器實(shí)時采集信息,通過無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)測系統(tǒng)的缺陷,而且適用于GMS網(wǎng)絡(luò)信號無法覆蓋的偏遠(yuǎn)山區(qū)滑坡災(zāi)害監(jiān)測。

1 適合于滑坡監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 監(jiān)測預(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,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)測預(yù)警系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,可分為2個部分: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)控中心通過以太網(wǎng)連接起來,此外管理人員也可以通過自定義網(wǎng)絡(luò)訪問監(jiān)控基站。監(jiān)控基站和眾多的無線傳感器節(jié)點(diǎn)一起組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很好的擴(kuò)展性,隨意地增減節(jié)點(diǎn),對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組網(wǎng)模式無太大影響,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)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由眾多具有感知和路由功能的無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成,能夠協(xié)作實(shí)時監(jiān)測,感知并采集各種環(huán)境對象的信息,將其通過多跳轉(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,通過無線通信組成網(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子集,稱為 RFD(精簡功能設(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所示為一個典型的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集并返回到計算機(jī)終端的應(yīng)用。每個節(jié)點(diǎn)由一個 MCU 作為主控設(shè)備。通過傾角傳感器可以監(jiān)測滑坡的運(yùn)動狀況,通過液位傳感器監(jiān)測地下水位深度,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)。而在雨季危險期,其采集間隔可以密集到5 min/次,從而保證實(shí)時監(jiān)測預(yù)警功能。每個信號采集節(jié)點(diǎn)通過 ADC 從模擬傳感器得到實(shí)時數(shù)據(jù),按照 ZigBee 協(xié)議把數(shù)據(jù)打包,并通過射頻芯片及前端天線發(fā)送給簇內(nèi)的RFD;經(jīng)過RFD預(yù)處理之后,再由RFD路由轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)端計算機(jī);結(jié)合地貌特點(diǎn)、滑坡的分布特點(diǎn),多個水流量檢測點(diǎn)之間的相互關(guān)系等多種地質(zhì)學(xué)、水流動力學(xué)等方面的知識進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合和處理。在每個節(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 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

在整個硬件平臺的設(shè)計中, 節(jié)能是一個重要因素[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,關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊、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,以便延長節(jié)點(diǎn)使用壽命,提高監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)有效性。

在軟件設(shè)計上 ,通過動態(tài)電源管理(Dynamic Power Management,DPM)技術(shù)使系統(tǒng)各個部分都運(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](見圖3),位于袁家蹬潛在滑坡的前部,滑坡段北部位于長江左岸大溪溝右岸、東北部位于長江左岸河漫灘。清泉路滑坡外形似梨形,坐落在長江第一、二級階地上;袁家蹬潛在滑坡體(包括清泉路滑坡)形似腎形,坐落在長江第一至第三級階地上,西側(cè)與長堰塘滑坡相鄰。由于滑坡為大型松散堆積層滑坡,三峽水庫正常蓄水運(yùn)行后,滑坡前緣大部分將被水淹沒,清泉路滑坡 80%位于庫區(qū)水位變動帶,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的松散土體滑坡,具有兩級滑動面(見圖4)。滑坡預(yù)警的確定是監(jiān)測滑坡的重要內(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 滑動面示意圖

由于監(jiān)測信息的實(shí)時采集、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[7-10]。

2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 無線收發(fā)單元

采用SRWF-501-50型微功率無線數(shù)傳模塊,該無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,一方面接收來自傳感器的測量數(shù)據(jù),按要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算等,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,對硬件平臺其他模塊的操作進(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,每個孔洞都會在最下端部署一個液位傳感器,在不同深度部署數(shù)個傾角傳感器,通過傾角傳感器可以監(jiān)測山體的運(yùn)動狀況,液位傳感器采集地下水位深度的數(shù)據(jù),圖5給出無線傳感器節(jié)點(diǎn)電路構(gòu)成框圖。

圖5 無線傳感器節(jié)點(diǎn)電路構(gòu)成框圖

2.2.4 后臺監(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多任務(wù)操作系統(tǒng)[11],以進(jìn)行實(shí)時多任務(wù)管理。對于共享同一種資源會存在資源競爭的問題,系統(tǒng)中采用了事件標(biāo)志和信號量的方法來實(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,從而不會造成系統(tǒng)的響應(yīng)延遲。

2.3 軟件模塊設(shè)計

按照硬件電路設(shè)計思路,軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計方式[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,開啟定時中斷和外部中斷,啟動接收模塊,進(jìn)行通信檢測,進(jìn)入省電模式。這里簡單給出主程序流程圖(見圖6),中斷流程圖(見圖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

通過實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)的誤碼率進(jìn)行測試,在不同環(huán)境、不同距離的通信測試中,得出系統(tǒng)的信道誤碼率為10-2,傳輸距離在500~1 200 m時,平均誤碼率為10-5～10-6之間。對清泉路滑坡實(shí)際測試中,假設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)x幀時,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)測數(shù)據(jù),如表1所示,并根據(jù)計算公式:

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,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,符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信要求,證實(shí)了整個系統(tǒng)在滑坡監(jiān)測中的有效性。

表1 誤碼率測試數(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 誤碼率測試圖

3 結(jié) 語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是影響人類未來生活的重要技術(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。基于無線傳感器技術(shù)和地面監(jiān)測點(diǎn)組網(wǎng),基本建立了研究三峽庫區(qū)特殊地段滑坡監(jiān)測系統(tǒng),通過使用證實(shí)了整個系統(tǒng)的可行性。對系統(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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