基于無線傳感器網絡的巖體聲發射信號監測系統*

郭小華，丁學恭，陳歲生

(杭州職業技術學院,浙江杭州310018)

巖體受力被破壞之前，持續以聲波形式釋放積蓄的能量[1]，這種巖體聲發射信號包含著巖體內部狀態變化的豐富信息，可為分析、預測巖體穩定性等研究提供依據[2]。為實現巖體聲發射信號的可靠采集，技術人員利用聲發射特征參數分析法，設計了用于不同場合的巖體聲發射信號監測系統[3-4]。

隨著人們對巖體聲發射現象研究的深入，越來越多的研究結果表明,現有巖體聲發射信號監測系統存在以下不足[1,5]:(1)巖體聲發射信號受多種因素影響，聲發射特征參數不能完全反映實際巖體聲發射信號的變化規律；(2)巖體聲發射信號微弱且極易受到干擾，導致聲發射特征參數計算存在誤差，且誤差范圍難以確定；(3)使用有線電纜連接傳感裝置和監控計算機，當傳感裝置和監控計算機距離較遠、監測點數量較多、監測點經常變動時，布線、供電、維護等變得困難且成本急劇增加；(4)頻率響應范圍僅為20 Hz～20 kHz，難以滿足不同巖體工程需要；(5)數據傳輸速率為2.4～38 Kb/s，難以完整、實時傳輸測量數據。

針對上述問題，基于無線傳感器網絡[6]和壓縮感知技術[7]，本文提出一種新型巖體聲發射信號監測系統。該系統使用無線通信網絡連接各聲發射信號監測點，使用壓縮感知技術實現原始測量數據的壓縮存儲與遠程傳輸，可有效滿足實際應用要求。

1 總體設計

1.1 需求分析

聲發射信號傳感器的頻率響應范圍應覆蓋巖體聲發射信號頻率范圍(約為200 Hz～80 kHz)。對于特定靈敏度的聲發射信號傳感器，應根據應用來估算有效接收范圍，且盡量安放在聲源點附近。巖體聲發射信號監測系統除了傳遞聲發射信號特征參數外，還應傳送原始測量數據到監控計算機,應使用無線網絡連接系統中的各個模塊，以滿足監測點數量變化、監控點移動、功能擴充等需求，且應該減少系統安裝、布線、維護工作量。此外，巖體聲發射信號監測系統應該具有性價比高、可靠性和靈活性都強、適應性廣泛及安裝維護方便等優點。

1.2 總體設計

需求的實現關鍵是無線傳輸大流量測量數據。針對該難點，研究人員從傳感器節點設計和網絡設計等角度[8-9]提出一些方案，但這些方案難以處理高頻聲音信號，難以實現聲信號遠程傳輸，且系統成本較高。受現有方案啟發，結合無線傳感器網絡、壓縮感知等技術，本文提出如圖1所示的巖體聲發射信號監測系統。該系統主要由采集節點、匯聚節點、監控主機和連接三者的無線通信網絡構成。

2 硬件設計

2.1 硬件體系結構

硬件設計主要是開發采集節點和匯聚節點,為實現較大流量聲音數據的存儲、計算和傳輸，節點應具備較豐富的計算、存儲、帶寬等資源，本文設計的傳感器節點結構如圖2所示。節點主要由主板、通信模塊、傳感器模塊構成。傳感器模塊實現巖體聲發射信號采集、前置放大和濾波。主板對傳感器模塊輸出信號進行采樣、處理，并實現存儲、通信、電源等管理功能。通信模塊實現數據收發和網絡硬件管理。節點采用模塊化設計，在主板上擴展不同電路模塊，可分別實現采集節點和匯聚節點的功能。

2.2 傳感器模塊設計

采集巖體聲發射信號的傳感器模塊如圖3所示。聲/電轉換傳感器采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷環,其靈敏度為5 mV/pa，頻率響應范圍為10 Hz～90 kHz。前置放大器為AWA14604。聲/電傳感器、前置放大電路和連接電纜被封裝在直徑30 mm、長度100 mm的外殼中，構成傳感器探頭，以便安裝時可盡量接近聲源點。前置放大器頻率響應范圍為5 Hz～100 kHz,輸入阻抗≥2 GΩ，電壓增益為40 dB，輸出阻抗≤50 Ω,傳感器探頭輸出信號經帶通濾波器送入主放大器LMV822,主放大器電壓增益為20～60 dB，頻率響應范圍為10 Hz～200 kHz,主放大器將輸入信號放大到伏特級后送入主板ADC。

2.3 通信模塊設計

通信模塊選用支持ZigBee協議的低功耗射頻模塊MRF24J40MB,其數據通信速率為250 Kb/s，工作頻段為2.40～2.48 GHz,典型靈敏度為-102 dBm,最大射頻輸入為-23 dBm，典型輸出功率為+20 dBm，發送功率控制范圍為56 dB，射頻覆蓋范圍為1 300 m，采用SPI接口與主板連接。

匯聚節點需要根據實際情況配置其他通信模塊，以便與監控主機進行數據交換。本文使用WCDMA通信模塊EM770W建立匯聚節點與監控主機的連接。EM770W內置有TCP/IP協議棧，支持GSM、GPRS和HSDPA多種工作模式。HSDPA模式下的上行通信速率可達到2 Mb/s，下行通信速率可達到7.2 Mb/s。GPRS模式下的上行和下行通信速率均可達到236.8 Kb/s。通過標準串行口與主板連接，主板使用AT指令集控制該模塊。

2.4 主板設計

主板是整個節點的硬件核心，主要由處理器、外部存儲、電源和擴展接口等單元電路構成，其硬件結構如圖4所示。

考慮到主板要對聲音信號實時采集和處理，還要連接各種擴展電路模塊，因此，主板硬件核心選用32 bit數字信號處理器TMS320F2812。其工作頻率最高150 MHz，集成了256 KB的Flash、36 KB的SRAM，16通道12 bit精度ADC，SPI、UART等外設。利用TMS320F2812的集成外設,主板擴展了2 MB的SRAM芯片CY7C1061、32 KB的EEPROM芯片25LC256等資源，以滿足大流量數據暫存、工作參數永久存儲等需要。

各模塊電路所需電源由主板提供,支持12～36 V電池供電；所有電源變換使用DC/DC芯片以提高轉換效率。匯聚節點中供給WCDMA模塊的電源使用了LDO芯片MIC29302，以提供1.6 A大電流；利用LM393構建欠壓保護電路，當電池電壓過低時，以中斷方式提醒節點保存數據且發送報警信號給監控主機。

3 軟件設計

根據應用需求和硬件構成，系統軟件主要包括監控分析軟件和數據采集軟件兩部分。

3.1 監控分析軟件

監控主機通過串行口連接通信模塊EM70W，與巖體工程現場的匯聚節點交換數據。監控主機運行的監控分析軟件主要實現以下功能:(1)網絡管理。將用戶指令(節點開關機、采樣頻率設置等)發送給采集節點。(2)信號分析。對接收到的聲發射信號數據進行數據重建、頻譜分析、聲源點定位等處理。(3)輔助功能。實現人機交互、數據存儲、故障報警等功能。

3.2 數據采集軟件

運行在傳感器節點上的數據采集軟件采用C語言和匯編語言編寫,在TI公司的數字信號處理器集成開發環境CCS3.1中進行編譯和調試，并通過編程器SEEDXDS560PLUS將編譯好的目標代碼寫入TMS320F2812的片上Flash存儲器中。數據采集軟件結構如圖5所示。

為降低軟件開發難度、提高運行實時性和資源管理效率,以便于擴展節點功能，數據采集軟件使用了嵌入式實時操作系統μC/OS-II和ZigBee網絡協議棧[10]。在這些商業軟件的支持下，信號采集、數據壓縮、網絡通信等應用功能都可實現為受μC/OS-II管理的、具有不同優先級的任務函數，各任務函數的編寫、調用如圖6所示的有限狀態機模型進行。

3.3 數據壓縮與恢復算法

為減少采集節點能耗，充分利用有限帶寬資源，采集節點需對大流量聲發射信號測量數據進行壓縮，以計算量增加換取數據通信量減少。因此，軟件設計的重要內容就是數據的壓縮與恢復算法的選擇和實現。

現有數據壓縮算法難以直接移植到資源有限的采集節點上[11]，因此，在參考文獻[12-14]基礎上，本文使用壓縮感知技術來實現采樣數據的壓縮、傳輸和重構。壓縮感知技術的核心思想如下:

考慮實數域上有限長一維離散時間信號x(x∈RN×1)，如果存在某組稀疏基Ψ，使得:

成立，則稱x在基Ψ上是K稀疏的。其中，z∈RN×1，且z中只有K個非零值或較小值;Ψ∈RN×1，N為信號維數。

在此基礎上，如果可構造一個測量矩陣Φ，使得以下公式成立:

則可通過求解式(3)所示l0范數意義下的最優化問題:

由此可得到x的精確或近似逼近x?，即:

由于原始測量數據被大幅壓縮，導致式(3)成為一個欠定問題，使得從壓縮數據中不能準確重構原始測量數據。但通過合理選擇Φ和Ψ，使其滿足有限等距特性準則或不相關，可將式(3)轉換為l1范數意義下最優化問題:

式(5)是一個凸優化問題，可方便地化簡為線性規劃問題，利用內點法、梯度投影法、二階圓錐規劃、匹配追蹤法等方法求解，實現原始測量數據的精確重構。

在本文設計中，稀疏基選擇快速傅里葉變換，測量矩陣選擇高斯隨機矩陣，信號恢復算法選擇內點法；信號維數、觀測值維數根據實驗確定；式(1)、式(2)的計算在采集節點上進行，而式(4)、式(5)的計算在監控主機上完成。

4 現場應用

4.1 現場條件

將本文設計的系統應用在某高速公路一段存在垮塌隱患的邊坡穩定性監測現場。現場配置了13個采集節點，1個匯聚節點，構成星形網絡；采樣頻率為200 kHz、采樣精度為8位，聲發射事件預置閾值電壓為0.2 V，大事件預置閾值電壓為0.5 V；監控主機選擇具有最大聲發射事件率的采集節點傳輸原始測量數據；WCDMA模塊與監控主機間的數據傳輸使用HSDPA方式；采集節點和匯聚節點配置9 V/9 Ah鋰電池，匯聚節點配置12 V太陽能電池；節點間時間同步、網絡地址分配等方法同參考文獻[10,15]。

系統運行前，現場讀取一段聲發射信號原始測量數據，在計算機上對這些數據進行壓縮與恢復，以驗證壓縮與恢復算法性能并確定信號維數N和測量值維數M。系統運行后，將現場讀取的聲發射信號原始數據與監控主機的接收數據進行對比，以驗證系統能否實現聲發射信號測量數據(特別是數據量較大的原始測量數據)的可靠傳輸。

4.2 使用結果

主要測試結果如圖7～10所示。從圖7、圖8可以看到，壓縮感知技術能對原始采樣數據進行較大壓縮，采樣數據個數越多，壓縮效果越明顯。然而，較大地占用了更多的存儲空間，式(1)～式(5)的計算也變得復雜。觀測值個數M越多，信號恢復誤差越小，當M達到一定數量時，M再增加并不會使信號恢復誤差顯著降低。因此，本文設定N=1 024，M=74。

圖9給出了現場記錄的原始聲發射信號與監控主機接收到的聲發射信號之間的對比，二者并無明顯差別。圖10給出了任意24 h之內，采集節點發出的每一個數據包到達監控主機的平均延遲時間曲線，所有數據包的延遲時間均小于2.5 s。從而表明本文系統可有效實現聲發射信號測量數據的實時、可靠傳輸。

本文對現有巖體聲發射信號監測系統的不足進行了分析，在此基礎上，利用無線傳感器網絡和壓縮感知等技術，提出一種新型巖體聲發射信號監測系統設計方案，詳細給出了系統硬件和軟件設計方法，并將其應用于高速公路邊坡穩定性監測中。測試結果表明了該系統設計方案的合理性和可行性。與現有巖體聲發射信號監測系統相比，本文系統不但支持聲發射信號原始測量數據的實時傳輸，同時具有適用范圍廣、擴展性好、靈活性高、維護方便等特點。

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