同步休眠機制MESH網絡在長邊坡監測中運用的研究

江世好 單海年 羅孝兵 丁小闖 華濤

【摘要】? ? 針對傳統的邊坡監測信號有線傳輸方式無法滿足長邊坡監測需求，提出利用同步休眠機制MESH網絡自組網，通過時隙的劃分，實現分時發送數據，進而實現對長邊坡的監測，從而擴大邊坡監測范圍，達到對邊坡穩定性的預判、預防，避免重大的人員傷亡及經濟損失。

【關鍵詞】? ? 同步休眠? ? MESH網絡? ? 邊坡監測

引言

近十年來，隨著邊坡地質災害的頻繁發生，邊坡穩定性越來越被重視，并進行了大量的理論及實際研究[1][2]。目前的監測手段主要是在坡體中安裝各類有線傳感器，如變形監測儀器，水位監測儀器等。儀器安裝完畢后，通過將線纜的集中在某處，采用MCU自動化采集設備進行數據采集，并通過458線將數據發送至中控室[3][4]。此常規的監測方式在長距離邊坡運用中，受電纜長度限制，信號傳輸不穩定，數據處理及分析任務重，且容易出現誤判現象。

本文提出將各類傳感器就近集中至無線適配器中，各無線適配器利用同步休眠機制MESH網絡自組網機制，通過跨周期應答方式將傳感器信號傳輸至中控室，進一步提高信號傳輸的穩定性和準確性，更好的實現邊坡監測工作。

一、邊坡監測

邊坡監測工作主要包含巡視巡查、變形監測、水穩監測、錨桿監測、錨索力監測等。各監測項目能夠互相校核，互相印證。一個項目多種用途，在不同時期能反映出不同重點。

變形監測包括地表水平位移和垂直位移，裂縫、錯位，邊坡深部變形，支護結構變形。需要采用測斜儀、應力計等儀器對以上項目進行監測。

水文監測包括降雨監測、地表水監測和地下水監測。長時間降雨等自然因素會加大滑坡發生可能性，如尾礦壩，會因為庫水位超過安全線發生潰壩事故，因此需要對水文進行監測。

邊坡工程監測應符合下列規定：1 坡頂位移觀測，應在每一典型邊坡段的支護結構頂部設置不少于3 個觀測點的觀測網，觀測位移量、移動速度和方向;2 錨桿拉力和預應力損失監測，應選擇有代表性的錨桿，測定錨桿（索）應力和預應力損失;3 非頂應力錨桿的應力監測根數不宜少于錨桿總數的5%，預應力錨索的應力監測根數不應少于錨索總數的10%，且不應少于3根;4 監測方案可根據設計要求、邊坡穩定性、周邊環境和施工進程等因素確定。當出現險情時應加強監測;5 一級邊坡工程竣工后的監測時間不應少于二年。

二、同步休眠機制的MESH網絡

同步休眠機制的MESH網絡中每個網絡節點都具有路由功能，所有節點之間實現自組織網絡[5][6]，當某一路由中斷時，可自動修改路由鏈路，具有較強的自愈能力[7][8]。在同步休眠的MESH網絡中，節點內部通過RTC實現全網同步休眠，并按設定時間間隔同步蘇醒，并通過其狀態引腳同步喚醒無線傳感器中的數據采集MCU，響應遠程控制或進行數據采集和傳輸通信，盡可能地減少無線傳感器節點的功耗。

三、同步休眠機制MESH網絡在長邊坡監測中運用

某船閘上游設有5級馬道邊坡邊，3個監測斷面，最遠的監測斷面距離中控室1200m。下游設有4級馬道邊坡共，1個監測斷面，距離中控室約700m。每個監測斷面左右選擇2-3個馬道布置監測傳感器，總計75支傳感器，主要為底下水位監測和坡體位移監測。若采用傳統的有線信號傳輸方式，則需要約10KM電纜。電纜量大，敷設任務中，信號傳輸不穩。因此采用無線傳輸成為了該邊坡工程監測的最佳信號傳輸手段。

我公司研發了針對各類型性傳感器的無線適配器，將邊坡各監測傳感器就近集中至無線采集適配器中，各無線適配器利用同步休眠機制MESH網絡自組網機制，通過跨周期應答方式將傳感器信號傳輸至中控室服務器中。上游設置9個無線適配器，1個網關，下游設置6個無線適配器，1個網關。

在該邊坡工程運用中，各類型無線適配器就是一個無線傳感節點，每個無線適配器都具有路由功能，相互之間可實現自組織網絡，且可以全網同步休眠，并按設定時間間隔同步喚醒。

將無線適配器的每一個通信周期分為蘇醒期和休眠期，將網關的蘇醒期從起始時刻依次劃分為發送時隙、延遲時隙、接收時隙，將無線適配器的蘇醒期從起始時刻依次劃分為接收時隙、延遲時隙、發送時隙和路由時隙[9]。網關的發送時隙、延遲時隙與無線適配器發送時隙、延遲時隙時間相同。網關的接收時隙為無線適配器的發送時隙之和。通過時隙的劃分，實現系統設備的分時發送數據，有效降低網絡中數據沖突，提高通信成功概率，降低數據重傳次數，降低節點能耗。同時網關的發送時隙設置在每個通信周期的蘇醒期起始階段，不會因為射頻模塊進入休眠而丟失上一周期內未完成的信息通信，從而減少數據重傳次數，進而減少通信數據量，可最大化縮短通信時隙，降低無線適配器的能耗。

則需要邊坡共布置15套測斜儀，15支滲壓計對邊坡臨空方向位移及地下水位進行監測，共布置15個無線適配器，對整個邊坡4個監測斷面進行數據采集和傳輸，中控室布置2個無線網關，對采集到的數據進行接收匯總。

四、邊坡監測數據分析

4.1邊坡地下水位監測

該船閘邊坡監測系統自投運以來，工作穩定正常，尤其在主汛期及時的采集到水位數據，有利于工程管理人員及時掌握邊坡工作狀態。

如圖3所示，該邊坡工程字2018年至2020年，地下水位測值主要受降雨影響較大。每年的7月-10月主汛期期間，水位測值明顯增大，枯水期水位測值比較平穩，其中汛期地下水位變幅最高能達到4m左右。

4.2邊坡位移監測

該船閘邊坡位移監測主要采用測斜儀對坡體向臨空方向的水平位移進行監測。自投運以來，監測數據連續，完整，可靠。從監測數據可以看出，邊坡水平位移主要發生在邊坡土建施工初期，且邊坡的上部位移變形大于下部位移變形。隨著邊坡應力的釋放，邊坡框格梁，排水溝，草皮綠化的工作陸續完成，位移變形趨于穩定，自2018年以來，最大變幅基本維持在8mm以內，未出現過明顯的異常現象，表明該邊坡目前已處于穩定狀態。

五、結論

針對某船閘長邊坡的監測，通過無線適配器對各傳感器進行數據采集，然后利用同步休眠機制MESH網絡自組網機制，通過跨周期應答方式將傳感器信號傳輸至中控室服務器中，有效的實現了對邊坡穩定性的實施監測。通過傳輸后的數據監測數據表明，該采集-傳輸系統工作穩定可靠，數據能夠真實的反應出邊坡的實時狀態，成為了工程管理人員掌握邊坡狀態的有效手段。

參? 考? 文? 獻

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[3] 李秀春，鄧亞，王波.公路邊坡工程實時在線監測系統研究與應用[J].工程技術研究，2020，5（20）：175-176.

[4]韋慶華，余金鳳，劉俊宏等.水電站廠房高后邊坡施工期安全監測及成果分析[J].企業科技與發展，2020，07：112-114.

[5]秦裕斌，陳建華，黃曉. .無線Mesh網絡技術及其應用[J].通信技術，2009，42（12）：152-154.

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[8]張頡，柴繼文，王海等 .基于無線Mesh網絡的集 中式自愈路由算法研究[J].電子技術應用，2015，41 （9）：14-17，28.

[9]羅孝兵，華 濤，藍 彥等.微型機與應用[J].2017 ，36 （1）：62-65.