一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的滑坡監測系統設計
隨著(zhù)三峽庫區儲水,誘發(fā)沿江兩岸發(fā)生重大滑坡災害的概率增加,有關(guān)三峽庫區滑坡災害問(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)災害問(wèn)題,傳統的方法是人工監測,通過(guò)攜帶監測儀器現場(chǎng)測試的方式對異動(dòng)信號進(jìn)行收集,獲取地質(zhì)災害發(fā)生前的相關(guān)信息。但是,由于地質(zhì)災害發(fā)生的偶然性,以及三峽庫區部分地區惡劣的地形環(huán)境等因素,傳統的人工監測方式無(wú)法有效把災害防患于未然。因此,建立實(shí)時(shí)的自動(dòng)化監測預警系統是必然的發(fā)展趨勢。
目前在巫山縣多個(gè)滑坡地帶的實(shí)時(shí)監測系統中,普遍采用基于鉆孔傾斜儀深部位移監測、GPS表變形監測。傳感器和儀器設備檢測的信號,目前都采用線(xiàn)纜或者GPRS通信的方式匯集到中心計算機上,采用線(xiàn)纜的方式有明顯的弊端,除了在危險地帶不易布線(xiàn),施工接續困難外,還易被人為破壞,容易受到自然災害的破壞性影響。采用GPRS通信的方式也有其技術(shù)上的局限性,并且在庫區一些偏遠地區和山區,信號較弱,甚至收索不到信號,因而無(wú)法建立有效的GPRS自動(dòng)監測網(wǎng)絡(luò )。
采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)技術(shù)實(shí)現庫區特殊地段地質(zhì)災害的實(shí)時(shí)監測應該是一種技術(shù)上先進(jìn),適宜庫區地貌特征的有效嘗試。由于WSN本身的冗余性、無(wú)線(xiàn)性、網(wǎng)絡(luò )的自組織性,而具有較強的抗破壞能力,因而可以在基礎通信設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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用到長(cháng)江三峽庫區特殊地帶的滑坡災害監測預警中,利用各種傳感器實(shí)時(shí)采集信息,通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式將信息傳輸給控制中心,能夠解決布設有線(xiàn)監測系統的缺陷,而且適用于GMS網(wǎng)絡(luò )信號無(wú)法覆蓋的偏遠山區滑坡災害監測。
1 適合于滑坡監測無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統設計 1.1 監測預警系統的總體結構
在大范圍監控、預警的基礎上,以局域網(wǎng)為研究平臺,主要致力于數據采集和發(fā)送的有效性及處理上的精確性,監測預警系統的總體結構如圖1所示,可分為2個(gè)部分:上層的監控中心和下層的監控基站。監控基站和監控中心通過(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(fǎng)問(wèn)監控基站。監控基站和眾多的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)一起組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有很好的擴展性,隨意地增減節點(diǎn),對網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構和組網(wǎng)模式無(wú)太大影響,因而可以方便地根據實(shí)際情況增加或減少監控節點(diǎn)的數量。
1.2 適用于滑坡監測的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計
這種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由眾多具有感知和路由功能的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)組成,能夠協(xié)作實(shí)時(shí)監測,感知并采集各種環(huán)境對象的信息,將其通過(guò)多跳轉發(fā)傳送回主機進(jìn)行分析、處理。以這些工作節點(diǎn)為依托,通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信組成網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。
系統中大部分的節點(diǎn)為子節點(diǎn),從組網(wǎng)通信上看,他們只是其功能的一個(gè)子集,稱(chēng)為RFD(精簡(jiǎn)功能設備),這種設備不具有路由功能;另外還有一些節點(diǎn)負責與控制子節點(diǎn)通信、匯集數據和發(fā)布控制,或起到通信路由的作用,稱(chēng)為FFD(全功能設備或協(xié)調器)。如圖2所示為一個(gè)典型的遠程數據采集并返回到計算機終端的應用。每個(gè)節點(diǎn)由一個(gè)MCU作為主控設備。通過(guò)傾角傳感器可以監測滑坡的運動(dòng)狀況,通過(guò)液位傳感器監測地下水位深度,數據采集間隔也可以由中心服務(wù)器靈活控制,在旱季可以調整為每24 h采集并傳遞1次數據,從而節省能量并避免大量的冗余數據。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(shí)監測預警功能。每個(gè)信號采集節點(diǎn)通過(guò)ADC從模擬傳感器得到實(shí)時(shí)數據,按照Z(yǔ)igBee協(xié)議把數據打包,并通過(guò)射頻芯片及前端天線(xiàn)發(fā)送給簇內的RFD;經(jīng)過(guò)RFD預處理之后,再由RFD路由轉發(fā)到遠端計算機;結合地貌特點(diǎn)、滑坡的分布特點(diǎn),多個(gè)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(dòng)力學(xué)等方面的知識進(jìn)行數據的融合和處理。在每個(gè)節點(diǎn)的外部可外接相應的。PIO芯片和其他外圍電路進(jìn)行交互。
在整個(gè)硬件平臺的設計中,節能是一個(gè)重要因素,它決定著(zhù)傳感器網(wǎng)絡(luò )的壽命。當節點(diǎn)目前沒(méi)有傳感任務(wù)并且不需要為其他節點(diǎn)轉發(fā)數據時(shí),關(guān)閉節點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信模塊、數據采集模塊等以節省能耗,即讓其置于睡眠狀態(tài)。為控制子節點(diǎn)選擇合適的地點(diǎn),提供較充足的能源,以便延長(cháng)節點(diǎn)使用壽命,提高監測預警系統有效性。在軟件設計上,通過(guò)動(dòng)態(tài)電源管理(Dy-namic Power Management,DPM)技術(shù)使系統各個(gè)部分都運行在節能模式。在關(guān)閉空閑模塊狀態(tài)下,傳感器節點(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 應用實(shí)例 2.1 應用背景
清泉路滑坡為袁家蹬潛在滑坡的組成部分(見(jiàn)圖3),位于袁家蹬潛在滑坡的前部,滑坡段北部位于長(cháng)江左岸大溪溝右岸、東北部位于長(cháng)江左岸河漫灘。清泉路滑坡外形似梨形,坐落在長(cháng)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(cháng)江第一至第三級階地上,西側與長(cháng)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行后,滑坡前緣大部分將被水淹沒(méi),清泉路滑坡80%位于庫區水位變動(dòng)帶,局部及整體失穩的可能性大。從滑坡變形機制可以推斷清泉路滑坡為兩滑動(dòng)的松散土體滑坡,具有兩級滑動(dòng)面(見(jiàn)圖4)?;骂A警的確定是監測滑坡的重要內容,也為治理滑坡提供了數據分析。
由于監測信息的實(shí)時(shí)采集、傳輸和處理均與節點(diǎn)密不可分,所以著(zhù)重介紹節點(diǎn)的軟硬件設計。
2.2 硬件系統設計
2.2.1 無(wú)線(xiàn)收發(fā)單元
采用SRWF-501-50型微功率無(wú)線(xiàn)數傳模塊,該無(wú)線(xiàn)通信模塊具有很強的抗干擾能力,全透明傳輸,體積小,傳輸距離遠,低功耗及休眠功能。
2.2.2 MCU控制單元(AT89C52)
數據處理模塊是傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的核心部分,一方面接收來(lái)自傳感器的測量數據,按要求對數據進(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據信息,對硬件平臺其他模塊的操作進(jìn)行控制。
2.2.3 數據采集模塊
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,在不同深度部署數個(gè)傾角傳感器,通過(guò)傾角傳感器可以監測山體的運動(dòng)狀況,液位傳感器采集地下水位深度的數據,圖5給出無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)電路構成框圖。
2.2.4 后臺監控單元(嵌入式系統)
處理器模塊的CPU采用三星公司的基于A(yíng)RM7的S3C4480微控制器,在A(yíng)RM中移植了μCOS-Ⅱ實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統,以進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)管理。對于共享同一種資源會(huì )存在資源競爭的問(wèn)題,系統中采用了事件標志和信號量的方法來(lái)實(shí)現同步機制,使得原子操作不需要關(guān)掉所有的中斷,從而不會(huì )造成系統的響應延遲。
2.3 軟件模塊設計
按照硬件電路設計思路,軟件采用模塊化結構程序設計方式。軟件模塊包括:系統初始化、數據發(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。系統初始化基本思路:上電后設置串口方式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,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。
2.4 數據處理與圖形分析
通過(guò)實(shí)驗對系統的誤碼率進(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。對清泉路滑坡實(shí)際測試中,假設發(fā)送數據x幀時(shí),接收到y幀,即發(fā)送11×x b,正確接收到11×y b,得到滑坡監測數據,如表1所示,并根據計算公式:
分析得出系統實(shí)際誤碼率,如圖8所示。從圖8中可看出,在數據較小時(shí),誤碼率幾乎為0,隨著(zhù)數據的增大,系統誤碼率維持在10-5~10-6之間,符合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的通信要求,證實(shí)了整個(gè)系統在滑坡監測中的有效性。