無(wú)線低功耗安全監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

黃躍文，周芳芳，韓 笑

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 工程安全與災(zāi)害防治研究所,武漢 430010； 2.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心,武漢 430010； 3.長(zhǎng)江科學(xué)院 國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心,武漢 430010)

1 研究背景

工程安全是建筑工程發(fā)揮效益的基礎(chǔ)保障，也關(guān)系著工程影響范圍內(nèi)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。安全監(jiān)測(cè)作為工程安全的耳目，能夠反映工程狀態(tài)變化，使得工程技術(shù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并采取措施，確保工程安全運(yùn)用。大壩、橋梁、高速公路等工程建設(shè)期、運(yùn)行期均需要進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。

目前安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化已經(jīng)在國(guó)內(nèi)穩(wěn)定實(shí)施運(yùn)行數(shù)十年，但是在一些復(fù)雜條件和特殊環(huán)境下的工程中普及率不高。例如：工程建設(shè)施工期，現(xiàn)場(chǎng)供電和有線通信無(wú)法持續(xù)保障，可靠干凈的供電電源難以提供，大型供電設(shè)備和采集設(shè)備共用電源系統(tǒng)，導(dǎo)致安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化采集設(shè)備難以穩(wěn)定可靠運(yùn)行；滑坡、基坑等危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)儀器分布分散，電纜和通訊線施工鋪設(shè)保護(hù)難度大，防雷要求等級(jí)高；中小型土石壩滲壓監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散儀器線纜集中、埋設(shè)和防護(hù)所需費(fèi)用較高。

針對(duì)以上情況，本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一套無(wú)線低功耗安全監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低功耗采集單元自供電和無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)匯聚和采集設(shè)備管理，降低建設(shè)施工難度，減少線纜用量，節(jié)約建設(shè)成本，提升工程安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化水平。

2 無(wú)線低功耗安全監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)

無(wú)線低功耗安全監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)[1]由低功耗采集單元、數(shù)據(jù)集中器和設(shè)備連接平臺(tái)組成，具體如圖1所示。

圖1 無(wú)線低功耗安全監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of wireless low-power safety monitoring acquisition system

低功耗采集單元具有監(jiān)測(cè)儀器的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和無(wú)線通信的功能，數(shù)據(jù)集中器通過(guò)LoRa(Long Range)無(wú)線通信收集多臺(tái)低功耗采集單元上報(bào)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)報(bào)送給設(shè)備連接平臺(tái)。設(shè)備連接平臺(tái)安裝在遠(yuǎn)程云服務(wù)器平臺(tái)上面，接收數(shù)據(jù)集中器報(bào)送的數(shù)據(jù)，管理采集單元工作狀態(tài)并且通過(guò)接口服務(wù)提供給應(yīng)用分析軟件[2]，用戶通過(guò)應(yīng)用分析軟件獲取安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行資料整編和分析。

圖2 低功耗采集單元模塊Fig.2 Modules of low- power acquisition unit

2.1 低功耗采集單元

低功耗采集單元是

整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，由無(wú)線通信模塊、協(xié)處理器模塊和采集模塊單元3個(gè)核心模塊組成，如圖2所示。

2.1.1 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊解決了通信線纜鋪設(shè)施工的難題，免除了線纜鋪設(shè)，降低了實(shí)施難度和施工費(fèi)用。

本系統(tǒng)采用基于LoRa的無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低功耗采集單元和數(shù)據(jù)集中器之間的長(zhǎng)距離無(wú)線通信。LoRa無(wú)線通信是一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案，主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433，868，915 MHz等，最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信距離擴(kuò)大3～5倍。LoRa通信速率低，主要用于低速率通信，能夠滿足工程安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域低頻次采集傳輸?shù)男枨骩3]。

利用LoRa通信模塊的空中喚醒功能，實(shí)現(xiàn)了低功耗狀態(tài)下采集單元的實(shí)時(shí)召測(cè)功能。采集設(shè)備需要具備實(shí)時(shí)召測(cè)的功能，因此無(wú)線模塊不能長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)。采用LoRa通信模塊的空中喚醒功能，定時(shí)自喚醒無(wú)線模塊，醒來(lái)后判斷是否有數(shù)據(jù)前導(dǎo)碼，如果沒(méi)有就繼續(xù)休眠；如果有前導(dǎo)碼就處理接收數(shù)據(jù)并喚醒采集單元，處理完繼續(xù)休眠，避免了長(zhǎng)時(shí)間處于接收狀態(tài)消耗能量，這是整個(gè)系統(tǒng)低功耗運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。

低功耗數(shù)據(jù)采集單元無(wú)線通信采用主動(dòng)上報(bào)和被動(dòng)查詢2種模式保證數(shù)據(jù)的及時(shí)性和完整性。低功耗數(shù)據(jù)單元按照周期性喚醒進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，并且及時(shí)主動(dòng)上報(bào)采集數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)集中器，提高數(shù)據(jù)的及時(shí)性。集中器或者遠(yuǎn)程云服務(wù)器由于無(wú)線通訊存在信號(hào)干擾而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，設(shè)備連接平臺(tái)會(huì)根據(jù)定時(shí)數(shù)據(jù)的時(shí)間和編號(hào)搜索查找丟失數(shù)據(jù)編號(hào)，平臺(tái)主動(dòng)發(fā)送查詢指令，通過(guò)數(shù)據(jù)集中器空中喚醒低功耗采集單元，及時(shí)補(bǔ)齊丟失的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)的完整性。

2.1.2 協(xié)處理器模塊

低功耗數(shù)據(jù)采集單元功能較多，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)濾波、定時(shí)策略、通信策略等，需要中央處理器CPU同時(shí)具備高性能和低功耗能力，市面上很少有處理器能夠滿足要求。因此本文設(shè)計(jì)了一種協(xié)處理器模塊，該模塊由2個(gè)CPU處理器組成，如圖3所示。其中低功耗CPU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、定時(shí)策略和通信策略等，高性能CPU處理器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、通道切換和數(shù)據(jù)濾波算法等，兩者互相協(xié)作。低功耗數(shù)據(jù)采集單元流程性工作由低功耗CPU完成，當(dāng)需要用到數(shù)據(jù)采集任務(wù)時(shí)，低功耗CPU控制開(kāi)啟高性能CPU電源，發(fā)送采集指令，高性能CPU采集完成后，低功耗CPU關(guān)閉高性能CPU電源。

圖3 協(xié)處理器Fig.3 Schematic diagram of coprocessor

采用協(xié)處理器方法設(shè)計(jì)的采集單元進(jìn)行功耗測(cè)試，電能消耗如表1所示，在采集8通道傳感器，每日2次測(cè)試情況下，3節(jié)18 000 mAh鋰亞電池可使用871.5 d，采集單元自帶電池2 a電能供應(yīng)可得到保證，滿足工程需求。

表1 低功耗數(shù)據(jù)采集單元電能計(jì)算結(jié)果Table 1 Energy calculation result for low-power data acquisition unit

通過(guò)協(xié)處理器模塊，解決了低功耗和高性能的沖突問(wèn)題，既保障了采集所需的高性能資源，又滿足了設(shè)備低功耗需求。配合無(wú)線通訊模塊空中喚醒、主動(dòng)上報(bào)和被動(dòng)查詢的通訊策略，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元的低功耗工作模式，該設(shè)計(jì)模式也可以應(yīng)用于其他低功耗設(shè)備。

2.1.3 采集模塊

目前國(guó)內(nèi)外安全監(jiān)測(cè)內(nèi)觀儀器以振弦式為主，振弦儀器由于生產(chǎn)廠家、類型和型號(hào)不同，激勵(lì)電流不同，各個(gè)廠家采集設(shè)備不能夠兼容其他所有廠家的振弦儀器，導(dǎo)致通用性受到了制約。振弦儀器埋入后，會(huì)發(fā)生絕緣度降低和弦材料疲勞等，導(dǎo)致回波信號(hào)較弱，干擾信號(hào)較強(qiáng)，出現(xiàn)讀數(shù)不穩(wěn)、跳動(dòng)、無(wú)法準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套基于頻譜方法的采集模塊，在頻域上分離回波信號(hào)和干擾信號(hào)，適用于各個(gè)廠家不同類型的振弦儀器。采集模塊硬件電路由激振電路、放大電路、濾波電路、采集電路組成，如圖4所示。

圖4 基于頻譜方法的硬件電路Fig.4 Schematic diagram of hardware circuit based on spectrum method

圖5 頻譜方法的軟件流程Fig.5 Software flow chart of spectrum method

采集模塊接收協(xié)處理器模塊發(fā)出激振信號(hào)，經(jīng)過(guò)激振電路對(duì)振弦儀器進(jìn)行激發(fā)，振弦儀器被激發(fā)后以固有頻率發(fā)出回波，回波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和濾波電路進(jìn)入采集電路，采集電路以頻率20 kHz進(jìn)行采樣錄波，作為頻譜方法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

頻譜方法[4]針對(duì)所有振弦儀器回波數(shù)據(jù)，采用離散傅里葉變換方法得到不同諧波的幅值，然后通過(guò)M-Rife算法進(jìn)行插值提高精度，計(jì)算出主頻、主頻幅值、信噪比等參數(shù)。

當(dāng)信噪比較小時(shí)，表明回波信號(hào)干擾信號(hào)較大，需要重新采集。根據(jù)首次諧波數(shù)據(jù)，選取幅值較大頻率區(qū)域作為掃頻區(qū)域，縮小激振頻率掃頻范圍，二次激振后重新計(jì)算主頻、幅值和信噪比,且幅值和信噪比可作為埋入式振弦類儀器質(zhì)量評(píng)定參數(shù)[5-6]。其軟件流程如圖5所示。

2.2 采集設(shè)備連接平臺(tái)

采集設(shè)備連接平臺(tái)[7]是采集設(shè)備與業(yè)務(wù)應(yīng)用之間的橋梁，實(shí)現(xiàn)設(shè)備快速接入、提供第三方通信接口服務(wù)。采集設(shè)備連接平臺(tái)解決了硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件之間的互聯(lián)互通的問(wèn)題，有利于硬件設(shè)備維護(hù)和應(yīng)用軟件模塊化開(kāi)發(fā)。

采集設(shè)備連接平臺(tái)部署方式靈活，既可采用私有云部署，也可采用公有云部署。在連接安全方面，使用傳輸層安全性 (Transport Layer Security, TLS)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保護(hù)連接設(shè)備和連接平臺(tái)之間的Internet連接安全。使用安全令牌對(duì)設(shè)備和服務(wù)進(jìn)行身份驗(yàn)證，而不在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送密鑰。

采集設(shè)備連接平臺(tái)由4大核心模塊組成，分別為設(shè)備接入、設(shè)備管理、規(guī)則引擎、安全認(rèn)證及權(quán)限管理，如圖6所示。

圖6 采集設(shè)備連接平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of acquisition device connection platform

4大核心模塊主要作用分述如下：

(1)設(shè)備接入。負(fù)責(zé)多類型采集設(shè)備接入?yún)f(xié)議和并發(fā)連接管理。

(2)設(shè)備管理。定義設(shè)備類型和參數(shù)，連接平臺(tái)允許接入不同廠家和類型的采集設(shè)備，包含設(shè)備創(chuàng)建管理以及設(shè)備狀態(tài)管理。

(3)規(guī)則引擎。把連接平臺(tái)數(shù)據(jù)通過(guò)過(guò)濾轉(zhuǎn)發(fā)到其他存儲(chǔ)軟件上，比如可以把設(shè)備上報(bào)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(4)安全認(rèn)證及權(quán)限管理。為每個(gè)設(shè)備頒發(fā)唯一的證書(shū)，需要證書(shū)通過(guò)后才能允許設(shè)備接入到云平臺(tái)。

3 應(yīng)用舉例

丹江口大壩是南水北調(diào)中線水源工程的重要組成項(xiàng)目之一，位于湖北省丹江口市，漢江干流與支流丹江的匯合處下游約800 m，控制流域面積95 200 km2。丹江口水利樞紐由兩岸土石壩、混凝土壩、升船機(jī)、電站等建筑物組成，初期工程于1973年建成，正常蓄水位157 m，壩頂高程162 m。河床壩段高程100 m以下壩體已按大壩加高后正常蓄水位170 m建成。

選取丹江口大壩15個(gè)測(cè)站，安裝15個(gè)低功耗采集單元，接入29臺(tái)儀器，采用無(wú)線低功耗安全監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)壩體外部和邊坡監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。數(shù)據(jù)集中器安裝在壩頂管理樓樓頂，掛桿安裝，市電和蓄電池保證供電，通過(guò)光纖與管理站內(nèi)交換機(jī)進(jìn)行連接和接收壩體外部和邊坡測(cè)站發(fā)出的無(wú)線信號(hào)。測(cè)站描述如表2所示。

表2 測(cè)站描述Table 2 Description of monitoring stations

2018年6月份完成安裝調(diào)試，接入采集設(shè)備連接平臺(tái)，進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與人工觀測(cè)的對(duì)比測(cè)試，自動(dòng)化數(shù)據(jù)測(cè)試頻次為4 次/d，人工采集方式的頻次為1 次/周。取6臺(tái)儀器在2018年7—12月份的比測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，比測(cè)結(jié)果顯示自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與人工觀測(cè)的數(shù)據(jù)吻合性較好，如表3所示。

結(jié)果表明無(wú)線低功耗安全監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)準(zhǔn)確性、完整性都與人工采集方式無(wú)明顯差異，且數(shù)據(jù)頻次和及時(shí)性都高于人工采集方式。

4 結(jié) 論

(1)本文采用LoRa通信、協(xié)處理器和譜分析技術(shù)，研制了無(wú)線低功耗安全監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了3 km內(nèi)的無(wú)線通訊覆蓋，保證了采集單元自帶電池2 a電能供應(yīng)，增強(qiáng)了振弦類監(jiān)測(cè)儀器的采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

(2)該系統(tǒng)應(yīng)用于丹江口大壩，解決了邊坡和壩面等分散分布的安全監(jiān)測(cè)儀器的自動(dòng)化采集和實(shí)時(shí)傳輸，為大壩安全提供了保障。