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

隨著三峽庫區(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)三峽庫區(qū)滑坡災(zāi)害問題已經(jīng)引起有關(guān)部門和社會(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)害問題，傳統(tǒng)的方法是人工監(jiān)測(cè)，通過攜帶監(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，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)，因而無法建立有效的GPRS自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)預(yù)警中，利用各種傳感器實(shí)時(shí)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(cè)系統(tǒng)的缺陷，而且適用于GMS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)無法覆蓋的偏遠(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(duì)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。

1．2 適用于滑坡監(jiān)測(cè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

    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(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(gè)子集，稱為RFD(精簡功能設(shè)備)，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。通過傾角傳感器可以監(jiān)測(cè)滑坡的運(yùn)動(dòng)狀況，通過液位傳感器監(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(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。

　　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，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(shí)，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(cè)預(yù)警系統(tǒng)有效性。在軟件設(shè)計(jì)上，通過動(dòng)態(tài)電源管理(Dy-namic 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(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(jí)階地上；袁家蹬潛在滑坡體(包括清泉路滑坡)形似腎形，坐落在長江第一至第三級(jí)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(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(見圖4)。滑坡預(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。 

    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)。

2．2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(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S3C4480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)，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)存在資源競爭的問題，系統(tǒng)中采用了事件標(biāo)志和信號(hào)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(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。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(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。

2．4 數(shù)據(jù)處理與圖形分析

    通過實(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： 

　　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。