基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山體滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周溢德

山體滑坡是我國(guó)山區(qū)地帶最常見(jiàn)、最易發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，能在短時(shí)間內(nèi)迅速掩埋或摧毀鐵路涵洞、軌道路基和橋梁場(chǎng)站等鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸安全。朔黃鐵路，西起山西省神池南站，東至河北省黃驊港站，橫穿恒山、云中山脈和忻定盆地，沿滹沱河峽谷穿越太行山進(jìn)入華北平原，是我國(guó)西煤東運(yùn)的重要鐵路通道之一。由于其西段山高谷深，地勢(shì)險(xiǎn)峻，橋隧相連，坡陡彎急，屬于滑坡險(xiǎn)情易發(fā)多發(fā)的山區(qū)地帶，因此應(yīng)建立朔黃鐵路沿線山體滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

目前滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要采用有線方式傳輸。但是山區(qū)地理?xiàng)l件復(fù)雜、線路架設(shè)困難，以及供電難以保證，使基于有線技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)部署困難;并且系統(tǒng)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)往往采用簡(jiǎn)單串聯(lián)的線狀部署方式，容易由單點(diǎn)故障引發(fā)區(qū)域失效，使整個(gè)系統(tǒng)的有效性、可靠性受到影響。而現(xiàn)有無(wú)線監(jiān)測(cè)手段如GPS、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量，需要衛(wèi)星等外部設(shè)備支持，成本高、消耗大，不適合大范圍推廣和使用。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN)是近幾年興起的一種全新的網(wǎng)絡(luò)化信息采集、傳輸和處理技術(shù)，由于其具有低功耗、網(wǎng)絡(luò)自組織、無(wú)需布線和抗毀性強(qiáng)等特性，特別適用于工業(yè)級(jí)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。同時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)成本低廉，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線關(guān)鍵區(qū)域的大范圍部署，保證數(shù)據(jù)采集的廣度和精度，能夠?yàn)樯襟w滑坡?tīng)顟B(tài)監(jiān)測(cè)和提前告警提供海量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為此，針對(duì)朔黃鐵路沿線山體滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警的應(yīng)用需求，提出以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合通用分組無(wú)線服務(wù)(GPRS)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線山區(qū)滑坡的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

山體滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)布置圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心，以及連接兩者的GPRS傳輸網(wǎng)關(guān)三部分組成。

山體滑坡的監(jiān)測(cè)主要依靠液位傳感器和傾角傳感器。傳感器部署在鐵路沿線容易發(fā)生滑坡災(zāi)害的山體區(qū)域，沿著山勢(shì)在地表豎直打洞，每個(gè)孔洞在最底端部署一個(gè)液位傳感器用于監(jiān)測(cè)地下水深度，同時(shí)在孔洞中的不同深度部署多個(gè)傾角傳感器用于監(jiān)測(cè)山體不同層次深度的運(yùn)動(dòng)狀況。每個(gè)孔洞中的所有傳感器與在該孔洞頂端地面固定著的其他部分(包括ZigBee無(wú)線通信芯片、電源模塊等)共同組成一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)到的液位和傾角信號(hào)處理轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間無(wú)線多跳通信發(fā)送給GPRS傳輸網(wǎng)關(guān)，再傳送到監(jiān)控中心;監(jiān)控中心的智能分析系統(tǒng)綜合這2類數(shù)據(jù)，就可以判斷出山體滑坡的強(qiáng)度和趨勢(shì)，以及威脅性大小。

圖1 山體滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

GPRS傳輸網(wǎng)關(guān)的處理能力較強(qiáng)，使用外部電源進(jìn)行供電，一般部署在距離被監(jiān)測(cè)山體較近的場(chǎng)站等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較好的區(qū)域，主要用于收集匯聚其附近區(qū)域內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)報(bào)告的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)GPRS通信手段將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，它是區(qū)域性的感知監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心之間的橋梁和紐帶。

遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心對(duì)收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和可視化顯示，結(jié)合地理信息系統(tǒng)、滑坡數(shù)據(jù)專家系統(tǒng)，以及專業(yè)人員的判斷分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路沿線山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害的可靠監(jiān)控和準(zhǔn)確預(yù)警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用TI-Chipcon公司生產(chǎn)的低功耗CC2430無(wú)線芯片。該芯片整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制單元，使用1個(gè)8位MCU(8051)，具有128KB Flash和8KB的RAM，還包含模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、21個(gè)可編程I/O引腳，以及SPI(Serial Peripheral Interface)、I2C(Inter-Integrated Circuit)和 UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)串口。液位傳感器采用AADI公司生產(chǎn)的379X系列傳感器，和CC2430的I2C相連。傾角傳感器采用Fredericks公司生產(chǎn)的0729-175X系列傳感器，與CC2430的SPI相連。為了更好地解決傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供給問(wèn)題，采用了基于太陽(yáng)能的能量供給系統(tǒng)，由太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)在超級(jí)電容中，同時(shí)提供由鋰電池組成的備用電源。能量管理單元采用上海如韻電子生產(chǎn)的CN3063，可以用太陽(yáng)能電池供電的單節(jié)鋰電池充電管理芯片。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.2 GPRS網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

GPRS網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)ZigBee和GPRS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。由Cygnal公司開(kāi)發(fā)的C8051F320主處理器通過(guò)UART串口與GPRS模塊進(jìn)行通信，GPRS模塊采用西門(mén)子公司的MC35i，它是新一代GSM/GPRS雙模模塊，可提供簡(jiǎn)單、內(nèi)嵌式的無(wú)線GPRS連接。同時(shí)，GPRS網(wǎng)關(guān)配有一塊16 MB的SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)和512 KB的Flash存儲(chǔ)器。

圖3 GPRS傳輸網(wǎng)關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)路由的建立

為了便于控制節(jié)點(diǎn)與資源利用，將TinyOS 2.X操作系統(tǒng)移植到CC2430芯片上。TinyOS操作系統(tǒng)是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，核心程序小，硬件要求低，具有主動(dòng)消息機(jī)制、事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制和組件化結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。TinyOS中主要采用NesC這類C語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)。

TinyOS提供了節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組網(wǎng)和建立路由的功能，針對(duì)數(shù)據(jù)的路由傳輸提出了采集樹(shù)協(xié)議 (Collection Tree Protocol，簡(jiǎn)稱 CTP)。在該協(xié)議中，GPRS網(wǎng)關(guān)被設(shè)置為根節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由梯度動(dòng)態(tài)地選擇父節(jié)點(diǎn)作為下一跳形成到根節(jié)點(diǎn)的路由，從而形成到根節(jié)點(diǎn)的采集樹(shù)網(wǎng)絡(luò)。CTP提供了到根節(jié)點(diǎn)的多跳的數(shù)據(jù)傳輸，具有保證傳輸可靠性的路由選擇機(jī)制，此外還通過(guò)檢查包重復(fù)抑制重復(fù)傳輸和路由循環(huán)。因此，選擇CTP協(xié)議作為底層通信協(xié)議進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。

3.2 傳感器數(shù)據(jù)采集方式

為了避免節(jié)點(diǎn)頻繁進(jìn)入暫停工作等待充電的工作模式，減少無(wú)用數(shù)據(jù)的采集和傳輸，傳感器節(jié)點(diǎn)采用了基于閾值的工作方式:當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大小在報(bào)告閾值以內(nèi)時(shí)，不予發(fā)送;當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大小超過(guò)報(bào)告閾值而在告警閾值以內(nèi)時(shí)，以較長(zhǎng)的周期循環(huán)報(bào)告實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的大小超過(guò)告警閾值時(shí)，以較短的周期循環(huán)報(bào)告實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這樣的工作方式既保證了關(guān)鍵的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可靠獲取，又減少了頻繁發(fā)送無(wú)用數(shù)據(jù)的能量消耗。將該項(xiàng)功能編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)為T(mén)inyOS的一個(gè)組件，提供給TinyOS系統(tǒng)與CTP協(xié)議協(xié)作完成數(shù)據(jù)收集傳輸任務(wù)。圖4為節(jié)點(diǎn)采集周期設(shè)定方式的流程圖。

3.3 GPRS網(wǎng)關(guān)工作方式

GPRS網(wǎng)關(guān)由2部分功能構(gòu)成:一部分作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的根節(jié)點(diǎn)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)通信，周期性地收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);另一部分將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊實(shí)時(shí)地發(fā)送給監(jiān)控中心。傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過(guò)UART傳送至GPRS無(wú)線模塊，UART起到兩者之間的橋梁作用，傳輸過(guò)程是透明的，ZigBee數(shù)據(jù)被TCP/IP協(xié)議直接封裝起來(lái)傳送至監(jiān)控中心。

圖4節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集周期設(shè)定方式

3.4 監(jiān)控中心的管理方式

監(jiān)控中心在收集到由GPRS網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)提供用戶界面進(jìn)行可視化展示，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行告警提示。

可視化展示功能包括:①基于地理信息的展示，結(jié)合地理信息系統(tǒng)，將所有傳感器節(jié)點(diǎn)的位置及其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示在地圖上，以便于監(jiān)測(cè)者把握全局監(jiān)測(cè)結(jié)果，判斷滑坡現(xiàn)象多發(fā)地帶的情況;②基于時(shí)間曲線的展示，將一個(gè)或多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的歷史或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)顯示在以時(shí)間為橫軸的曲線圖上，以便于監(jiān)測(cè)者分析一段時(shí)間內(nèi)滑坡現(xiàn)象的發(fā)生規(guī)律，結(jié)合天氣變化等分析發(fā)生的原因，完善預(yù)警機(jī)制;③基于節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)的展示，將所有節(jié)點(diǎn)按網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的標(biāo)識(shí)大小進(jìn)行整體的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)顯示，以便于監(jiān)測(cè)者抽取導(dǎo)出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)觀察節(jié)點(diǎn)異常狀態(tài)，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)有效地維護(hù)。

告警提示功能包括:①在軟件界面上顯示特殊標(biāo)識(shí)的告警提示信息;②通過(guò)監(jiān)控中心內(nèi)的多媒體設(shè)備發(fā)出告警提示聲音;③向監(jiān)測(cè)者的個(gè)人移動(dòng)設(shè)備發(fā)送告警提示短信。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鐵路沿線山體滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，具有全自動(dòng)監(jiān)測(cè)、部署快速、成本低廉等顯著的優(yōu)點(diǎn)，已先期在試驗(yàn)段上進(jìn)行原型系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，完全達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)用意義，相信該系統(tǒng)必將為朔黃鐵路的安全運(yùn)輸保駕護(hù)航。

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(責(zé)任編輯:諸 紅)