一種基于無線傳感器網絡的滑坡監測系統設計

李 波,賴于樹,黃 倩,文建祥

摘 要:介紹一種采用無線傳感器網絡作為主要技術手段的滑坡監測系統設計。首先介紹監測系統的構成和工作原理,然后對適用于滑坡監測的無線傳感器網絡進行分析設計,最后通過介紹一個實例,對節點硬件電路和軟件設計做了說明。通過應用實例中采集的數據進行理論及誤差分析,得出該系統節省能耗、適應性廣、實用性強等特點,可以更好地解決滑坡監測中的不確定性問題,能夠更有效地實現三峽庫區等惡劣地質環境條件下的滑坡監測與防治。

關鍵詞:無線傳感器網絡;滑坡監測;實時監測;ZigBee協議;節點設計

中圖分類號:TP273文獻標識碼: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

隨著三峽庫區儲水,誘發沿江兩岸發生重大滑坡災害的概率增加,有關三峽庫區滑坡災害問題已經引起有關部門和社會的廣泛關注。針對危巖、塌方、滑坡、地面沉降、地裂縫、泥石流,甚至地震等地質災害問題,傳統的方法是人工監測,通過攜帶監測儀器現場測試的方式對異動信號進行收集,獲取地質災害發生前的相關信息。但是,由于地質災害發生的偶然性,以及三峽庫區部分地區惡劣的地形環境等因素,傳統的人工監測方式無法有效把災害防患于未然。因此,建立實時的自動化監測預警系統是必然的發展趨勢。

目前在巫山縣多個滑坡地帶的實時監測系統中[1,2],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,目前都采用線纜或者GPRS通信的方式匯集到中心計算機上,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,因而無法建立有效的GPRS自動監測網絡。

采用無線傳感器網絡(WSN)技術實現庫區特殊地段地質災害的實時監測應該是一種技術上先進,適宜庫區地貌特征的有效嘗試。由于WSN本身的冗余性、無線性、網絡的自組織性,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。因此,把無線傳感器網絡技術應用到長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,能夠解決布設有線監測系統的缺陷,而且適用于GMS網絡信號無法覆蓋的偏遠山區滑坡災害監測。

1 適合于滑坡監測無線傳感器網絡系統設計

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,以局域網為研究平臺,主要致力于數據采集和發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以太網連接起來,此外管理人員也可以通過自定義網絡訪問監控基站。監控基站和眾多的無線傳感器節點一起組成無線傳感器網絡。無線傳感器網絡具有很好的擴展性,隨意地增減節點,對網絡的拓撲結構和組網模式無太大影響,因而可以方便地根據實際情況增加或減少監控節點的數量。

圖1 系統結構圖

1.2 適用于滑坡監測的無線傳感器網絡設計

這種無線傳感器網絡由眾多具有感知和路由功能的無線傳感器節點組成,能夠協作實時監測,感知并采集各種環境對象的信息,將其通過多跳轉發傳送回主機進行分析、處理。以這些工作節點為依托,通過無線通信組成網絡拓撲結構。

系統中大部分的節點為子節點,從組網通信上看,他們只是其功能的一個子集,稱為 RFD(精簡功能設備)[3,4],這種設備不具有路由功能;另外還有一些節點負責與控制子節點通信、匯集數據和發布控制,或起到通信路由的作用,稱為 FFD(全功能設備或協調器)。如圖2所示為一個典型的遠程數據采集并返回到計算機終端的應用。每個節點由一個 MCU 作為主控設備。通過傾角傳感器可以監測滑坡的運動狀況,通過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,從而保證實時監測預警功能。每個信號采集節點通過 ADC 從模擬傳感器得到實時數據,按照 ZigBee 協議把數據打包,并通過射頻芯片及前端天線發送給簇內的RFD;經過RFD預處理之后,再由RFD路由轉發到遠端計算機;結合地貌特點、滑坡的分布特點,多個水流量檢測點之間的相互關系等多種地質學、水流動力學等方面的知識進行數據的融合和處理。在每個節點的外部可外接相應的 PIO 芯片和其他外圍電路進行交互。

圖2 無線傳感器網絡拓撲結構示意圖

在整個硬件平臺的設計中, 節能是一個重要因素[5], 它決定著傳感器網絡的壽命。當節點目前沒有傳感任務并且不需要為其他節點轉發數據時,關閉節點的無線通信模塊、數據采集模塊等以節省能耗,即讓其置于睡眠狀態。為控制子節點選擇合適的地點,提供較充足的能源,以便延長節點使用壽命,提高監測預警系統有效性。

在軟件設計上 ,通過動態電源管理(Dynamic Power Management,DPM)技術使系統各個部分都運行在節能模式。在關閉空閑模塊狀態下,傳感器節點或其他部分將被關閉或者處于低功耗狀態 ,直到有“感興趣”的事件發生。

2 應用實例

2.1 應用背景

清泉路滑坡為袁家蹬潛在滑坡的組成部分[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行后,滑坡前緣大部分將被水淹沒,清泉路滑坡 80%位于庫區水位變動帶,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的松散土體滑坡,具有兩級滑動面(見圖4)。滑坡預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。

圖3 清泉路滑坡平面圖

圖4 滑動面示意圖

由于監測信息的實時采集、傳輸和處理均與節點密不可分,所以著重介紹節點的軟硬件設計[7-10]。

2.2 硬件系統設計

2.2.1 無線收發單元

采用SRWF-501-50型微功率無線數傳模塊,該無線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絡節點的核心部分,一方面接收來自傳感器的測量數據,按要求對數據進行處理和計算等,交給通信模塊發送;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,在不同深度部署數個傾角傳感器,通過傾角傳感器可以監測山體的運動狀況,液位傳感器采集地下水位深度的數據,圖5給出無線傳感器節點電路構成框圖。

圖5 無線傳感器節點電路構成框圖

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ARM7的S3C44B0微控制器,在ARM 中移植了μCOS-Ⅱ實時多任務操作系統[11],以進行實時多任務管理。對于共享同一種資源會存在資源競爭的問題,系統中采用了事件標志和信號量的方法來實現同步機制,使得原子操作不需要關掉所有的中斷,從而不會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[12]。軟件模塊包括:系統初始化、數據發送模塊、接收中斷服務、突發中斷采集、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,開啟定時中斷和外部中斷,啟動接收模塊,進行通信檢測,進入省電模式。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為突發中斷。

圖6 主程序流程圖

圖7 中斷流程圖

2.4 數據處理與圖形分析

通過實驗對系統的誤碼率進行測試,在不同環境、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,平均誤碼率為10-5～10-6之間。對清泉路滑坡實際測試中,假設發送數據x幀時,接收到y幀,即發送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:

誤碼率=11×[(x-y)/x]

分析得出系統實際誤碼率,如圖8所示。從圖8中可看出,在數據較小時,誤碼率幾乎為0,隨著數據的增大,系統誤碼率維持在10-5～10-6之間,符合無線傳感器網絡的通信要求,證實了整個系統在滑坡監測中的有效性。

表1 誤碼率測試數據表

發送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 語

無線傳感器網絡被認為是影響人類未來生活的重要技術之一[13], 這一新興技術結合了現有的多種先進技術,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和地面監測點組網,基本建立了研究三峽庫區特殊地段滑坡監測系統,通過使用證實了整個系統的可行性。對系統稍加修改便可以應用在水質污染、森林火災等自然災害監測中,還可以應用在室內防盜、智能交通、工業監控等領域。

參考文獻

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