基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巖體聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)*

郭小華，丁學(xué)恭，陳歲生

(杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江杭州310018)

巖體受力被破壞之前，持續(xù)以聲波形式釋放積蓄的能量[1]，這種巖體聲發(fā)射信號(hào)包含著巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息，可為分析、預(yù)測(cè)巖體穩(wěn)定性等研究提供依據(jù)[2]。為實(shí)現(xiàn)巖體聲發(fā)射信號(hào)的可靠采集，技術(shù)人員利用聲發(fā)射特征參數(shù)分析法，設(shè)計(jì)了用于不同場(chǎng)合的巖體聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3-4]。

隨著人們對(duì)巖體聲發(fā)射現(xiàn)象研究的深入，越來(lái)越多的研究結(jié)果表明,現(xiàn)有巖體聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在以下不足[1,5]:(1)巖體聲發(fā)射信號(hào)受多種因素影響，聲發(fā)射特征參數(shù)不能完全反映實(shí)際巖體聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律；(2)巖體聲發(fā)射信號(hào)微弱且極易受到干擾，導(dǎo)致聲發(fā)射特征參數(shù)計(jì)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(jiān)控計(jì)算機(jī)，當(dāng)傳感裝置和監(jiān)控計(jì)算機(jī)距離較遠(yuǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量較多、監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)常變動(dòng)時(shí)，布線、供電、維護(hù)等變得困難且成本急劇增加；(4)頻率響應(yīng)范圍僅為20 Hz～20 kHz，難以滿足不同巖體工程需要；(5)數(shù)據(jù)傳輸速率為2.4～38 Kb/s，難以完整、實(shí)時(shí)傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)。

針對(duì)上述問(wèn)題，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[6]和壓縮感知技術(shù)[7]，本文提出一種新型巖體聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)連接各聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使用壓縮感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)原始測(cè)量數(shù)據(jù)的壓縮存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程傳輸，可有效滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

聲發(fā)射信號(hào)傳感器的頻率響應(yīng)范圍應(yīng)覆蓋巖體聲發(fā)射信號(hào)頻率范圍(約為200 Hz～80 kHz)。對(duì)于特定靈敏度的聲發(fā)射信號(hào)傳感器，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用來(lái)估算有效接收范圍，且盡量安放在聲源點(diǎn)附近。巖體聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了傳遞聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)外，還應(yīng)傳送原始測(cè)量數(shù)據(jù)到監(jiān)控計(jì)算機(jī),應(yīng)使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)中的各個(gè)模塊，以滿足監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量變化、監(jiān)控點(diǎn)移動(dòng)、功能擴(kuò)充等需求，且應(yīng)該減少系統(tǒng)安裝、布線、維護(hù)工作量。此外，巖體聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該具有性價(jià)比高、可靠性和靈活性都強(qiáng)、適應(yīng)性廣泛及安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 總體設(shè)計(jì)

需求的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵是無(wú)線傳輸大流量測(cè)量數(shù)據(jù)。針對(duì)該難點(diǎn)，研究人員從傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(hào)，難以實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸，且系統(tǒng)成本較高。受現(xiàn)有方案啟發(fā)，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、壓縮感知等技術(shù)，本文提出如圖1所示的巖體聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由采集節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控主機(jī)和連接三者的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)

硬件設(shè)計(jì)主要是開(kāi)發(fā)采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)較大流量聲音數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算和傳輸，節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備較豐富的計(jì)算、存儲(chǔ)、帶寬等資源，本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。節(jié)點(diǎn)主要由主板、通信模塊、傳感器模塊構(gòu)成。傳感器模塊實(shí)現(xiàn)巖體聲發(fā)射信號(hào)采集、前置放大和濾波。主板對(duì)傳感器模塊輸出信號(hào)進(jìn)行采樣、處理，并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、通信、電源等管理功能。通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)和網(wǎng)絡(luò)硬件管理。節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，在主板上擴(kuò)展不同電路模塊，可分別實(shí)現(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的功能。

2.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

采集巖體聲發(fā)射信號(hào)的傳感器模塊如圖3所示。聲/電轉(zhuǎn)換傳感器采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷環(huán),其靈敏度為5 mV/pa，頻率響應(yīng)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(zhǎng)度100 mm的外殼中，構(gòu)成傳感器探頭，以便安裝時(shí)可盡量接近聲源點(diǎn)。前置放大器頻率響應(yīng)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(hào)經(jīng)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(yīng)范圍為10 Hz～200 kHz,主放大器將輸入信號(hào)放大到伏特級(jí)后送入主板ADC。

2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊選用支持ZigBee協(xié)議的低功耗射頻模塊MRF24J40MB,其數(shù)據(jù)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(fā)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(jié)點(diǎn)需要根據(jù)實(shí)際情況配置其他通信模塊，以便與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本文使用WCDMA通信模塊EM770W建立匯聚節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控主機(jī)的連接。EM770W內(nèi)置有TCP/IP協(xié)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(dá)到2 Mb/s，下行通信速率可達(dá)到7.2 Mb/s。GPRS模式下的上行和下行通信速率均可達(dá)到236.8 Kb/s。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)

主板是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬件核心，主要由處理器、外部存儲(chǔ)、電源和擴(kuò)展接口等單元電路構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

考慮到主板要對(duì)聲音信號(hào)實(shí)時(shí)采集和處理，還要連接各種擴(kuò)展電路模塊，因此，主板硬件核心選用32 bit數(shù)字信號(hào)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(shè)。利用TMS320F2812的集成外設(shè),主板擴(kuò)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(shù)據(jù)暫存、工作參數(shù)永久存儲(chǔ)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(zhuǎn)換效率。匯聚節(jié)點(diǎn)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(gòu)建欠壓保護(hù)電路，當(dāng)電池電壓過(guò)低時(shí)，以中斷方式提醒節(jié)點(diǎn)保存數(shù)據(jù)且發(fā)送報(bào)警信號(hào)給監(jiān)控主機(jī)。

3 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)用需求和硬件構(gòu)成，系統(tǒng)軟件主要包括監(jiān)控分析軟件和數(shù)據(jù)采集軟件兩部分。

3.1 監(jiān)控分析軟件

監(jiān)控主機(jī)通過(guò)串行口連接通信模塊EM70W，與巖體工程現(xiàn)場(chǎng)的匯聚節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)。監(jiān)控主機(jī)運(yùn)行的監(jiān)控分析軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能:(1)網(wǎng)絡(luò)管理。將用戶指令(節(jié)點(diǎn)開(kāi)關(guān)機(jī)、采樣頻率設(shè)置等)發(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)。(2)信號(hào)分析。對(duì)接收到的聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重建、頻譜分析、聲源點(diǎn)定位等處理。(3)輔助功能。實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、故障報(bào)警等功能。

3.2 數(shù)據(jù)采集軟件

運(yùn)行在傳感器節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)采集軟件采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編寫(xiě),在TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS3.1中進(jìn)行編譯和調(diào)試，并通過(guò)編程器SEEDXDS560PLUS將編譯好的目標(biāo)代碼寫(xiě)入TMS320F2812的片上Flash存儲(chǔ)器中。數(shù)據(jù)采集軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

為降低軟件開(kāi)發(fā)難度、提高運(yùn)行實(shí)時(shí)性和資源管理效率,以便于擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)功能，數(shù)據(jù)采集軟件使用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧[10]。在這些商業(yè)軟件的支持下，信號(hào)采集、數(shù)據(jù)壓縮、網(wǎng)絡(luò)通信等應(yīng)用功能都可實(shí)現(xiàn)為受μC/OS-II管理的、具有不同優(yōu)先級(jí)的任務(wù)函數(shù)，各任務(wù)函數(shù)的編寫(xiě)、調(diào)用如圖6所示的有限狀態(tài)機(jī)模型進(jìn)行。

3.3 數(shù)據(jù)壓縮與恢復(fù)算法

為減少采集節(jié)點(diǎn)能耗，充分利用有限帶寬資源，采集節(jié)點(diǎn)需對(duì)大流量聲發(fā)射信號(hào)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以計(jì)算量增加換取數(shù)據(jù)通信量減少。因此，軟件設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容就是數(shù)據(jù)的壓縮與恢復(fù)算法的選擇和實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有數(shù)據(jù)壓縮算法難以直接移植到資源有限的采集節(jié)點(diǎn)上[11]，因此，在參考文獻(xiàn)[12-14]基礎(chǔ)上，本文使用壓縮感知技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的壓縮、傳輸和重構(gòu)。壓縮感知技術(shù)的核心思想如下:

考慮實(shí)數(shù)域上有限長(zhǎng)一維離散時(shí)間信號(hào)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(gè)非零值或較小值;Ψ∈RN×1，N為信號(hào)維數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，如果可構(gòu)造一個(gè)測(cè)量矩陣Φ，使得以下公式成立:

則可通過(guò)求解式(3)所示l0范數(shù)意義下的最優(yōu)化問(wèn)題:

由此可得到x的精確或近似逼近x?，即:

由于原始測(cè)量數(shù)據(jù)被大幅壓縮，導(dǎo)致式(3)成為一個(gè)欠定問(wèn)題，使得從壓縮數(shù)據(jù)中不能準(zhǔn)確重構(gòu)原始測(cè)量數(shù)據(jù)。但通過(guò)合理選擇Φ和Ψ，使其滿足有限等距特性準(zhǔn)則或不相關(guān)，可將式(3)轉(zhuǎn)換為l1范數(shù)意義下最優(yōu)化問(wèn)題:

式(5)是一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題，可方便地化簡(jiǎn)為線性規(guī)劃問(wèn)題，利用內(nèi)點(diǎn)法、梯度投影法、二階圓錐規(guī)劃、匹配追蹤法等方法求解，實(shí)現(xiàn)原始測(cè)量數(shù)據(jù)的精確重構(gòu)。

在本文設(shè)計(jì)中，稀疏基選擇快速傅里葉變換，測(cè)量矩陣選擇高斯隨機(jī)矩陣，信號(hào)恢復(fù)算法選擇內(nèi)點(diǎn)法；信號(hào)維數(shù)、觀測(cè)值維數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定；式(1)、式(2)的計(jì)算在采集節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，而式(4)、式(5)的計(jì)算在監(jiān)控主機(jī)上完成。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場(chǎng)條件

將本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)用在某高速公路一段存在垮塌隱患的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)?，F(xiàn)場(chǎng)配置了13個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)；采樣頻率為200 kHz、采樣精度為8位，聲發(fā)射事件預(yù)置閾值電壓為0.2 V，大事件預(yù)置閾值電壓為0.5 V；監(jiān)控主機(jī)選擇具有最大聲發(fā)射事件率的采集節(jié)點(diǎn)傳輸原始測(cè)量數(shù)據(jù)；WCDMA模塊與監(jiān)控主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸使用HSDPA方式；采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)配置9 V/9 Ah鋰電池，匯聚節(jié)點(diǎn)配置12 V太陽(yáng)能電池；節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步、網(wǎng)絡(luò)地址分配等方法同參考文獻(xiàn)[10,15]。

系統(tǒng)運(yùn)行前，現(xiàn)場(chǎng)讀取一段聲發(fā)射信號(hào)原始測(cè)量數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮與恢復(fù)，以驗(yàn)證壓縮與恢復(fù)算法性能并確定信號(hào)維數(shù)N和測(cè)量值維數(shù)M。系統(tǒng)運(yùn)行后，將現(xiàn)場(chǎng)讀取的聲發(fā)射信號(hào)原始數(shù)據(jù)與監(jiān)控主機(jī)的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)測(cè)量數(shù)據(jù)(特別是數(shù)據(jù)量較大的原始測(cè)量數(shù)據(jù))的可靠傳輸。

4.2 使用結(jié)果

主要測(cè)試結(jié)果如圖7～10所示。從圖7、圖8可以看到，壓縮感知技術(shù)能對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行較大壓縮，采樣數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)越多，壓縮效果越明顯。然而，較大地占用了更多的存儲(chǔ)空間，式(1)～式(5)的計(jì)算也變得復(fù)雜。觀測(cè)值個(gè)數(shù)M越多，信號(hào)恢復(fù)誤差越小，當(dāng)M達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，M再增加并不會(huì)使信號(hào)恢復(fù)誤差顯著降低。因此，本文設(shè)定N=1 024，M=74。

圖9給出了現(xiàn)場(chǎng)記錄的原始聲發(fā)射信號(hào)與監(jiān)控主機(jī)接收到的聲發(fā)射信號(hào)之間的對(duì)比，二者并無(wú)明顯差別。圖10給出了任意24 h之內(nèi)，采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出的每一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)監(jiān)控主機(jī)的平均延遲時(shí)間曲線，所有數(shù)據(jù)包的延遲時(shí)間均小于2.5 s。從而表明本文系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、可靠傳輸。

本文對(duì)現(xiàn)有巖體聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和壓縮感知等技術(shù)，提出一種新型巖體聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)給出了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)方法，并將其應(yīng)用于高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中。測(cè)試結(jié)果表明了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性。與現(xiàn)有巖體聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)不但支持聲發(fā)射信號(hào)原始測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)具有適用范圍廣、擴(kuò)展性好、靈活性高、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

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