一种基于无线传感器网络的滑坡监测系统设计

2010-05-13李波,赖于树,黄倩,文建祥

现代电子技术 2009年12期

李波,赖于树,黄倩,文建祥

摘要:介绍一种采用无线传感器网络作为主要技术手段的滑坡监测系统设计。首先介绍监测系统的构成和工作原理,然后对适用于滑坡监测的无线传感器网络进行分析设计,最后通过介绍一个实例,对节点硬件电路和软件设计做了说明。通过应用实例中采集的数据进行理论及误差分析,得出该系统节省能耗、适应性广、实用性强等特点,可以更好地解决滑坡监测中的不确定性问题,能够更有效地实现三峡库区等恶劣地质环境条件下的滑坡监测与防治。

关键词:无线传感器网络;滑坡监测;实时监测;ZigBee协议;节点设计

中图分类号:TP273文献标识码:B

文章编号:1004-373X(2009)12-169-04

Design of Landslide Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

LI Bo,LAI Yushu,HUANG Qian,WEN Jianxiang

(Chongqing Three Gorges University,Chongqing,404000,China)

Abstract:A monitoring system mainly using the wireless sensor network is introduced for the landslide monitoring.Firstly,the structure and working principle of the monitoring system are introduced.Then,the wireless sensor network which applies to landslide monitoring is elaborated.Finally,an illustrative example war presented for demonstration purposes,and in which the hardware and software design of the network node is introduced.The analyzed data given in an experiment validated the monitoring system,which can better solve some unsure questions in landslide monitoring,such as save energy consumption,wide adaptability,practical.So it can better carry out the monitoring and control in the Yangtze River Three Gorges reservoir area′s,and other adverse geological conditions geologic hazard.

Keywords:wireless sensor network;landslide monitoring;real-time monitoring;ZigBee protocol;node design

0 引言

随着三峡库区储水,诱发沿江两岸发生重大滑坡灾害的概率增加,有关三峡库区滑坡灾害问题已经引起有关部门和社会的广泛关注。针对危岩、塌方、滑坡、地面沉降、地裂缝、泥石流,甚至地震等地质灾害问题,传统的方法是人工监测,通过携带监测仪器现场测试的方式对异动信号进行收集,获取地质灾害发生前的相关信息。但是,由于地质灾害发生的偶然性,以及三峡库区部分地区恶劣的地形环境等因素,传统的人工监测方式无法有效把灾害防患于未然。因此,建立实时的自动化监测预警系统是必然的发展趋势。

目前在巫山县多个滑坡地带的实时监测系统中[1,2],普遍采用基于钻孔倾斜仪深部位移监测、GPS表变形监测。传感器和仪器设备检测的信号,目前都采用线缆或者GPRS通信的方式汇集到中心计算机上,采用线缆的方式有明显的弊端,除了在危险地带不易布线,施工接续困难外,还易被人为破坏,容易受到自然灾害的破坏性影响。采用GPRS通信的方式也有其技术上的局限性,并且在库区一些偏远地区和山区,信号较弱,甚至收索不到信号,因而无法建立有效的GPRS自动监测网络。

采用无线传感器网络(WSN)技术实现库区特殊地段地质灾害的实时监测应该是一种技术上先进,适宜库区地貌特征的有效尝试。由于WSN本身的冗余性、无线性、网络的自组织性,而具有较强的抗破坏能力,因而可以在基础通信设施可能被毁坏的情况下,完成一定的通信任务。因此,把无线传感器网络技术应用到长江三峡库区特殊地带的滑坡灾害监测预警中,利用各种传感器实时采集信息,通过无线的方式将信息传输给控制中心,能够解决布设有线监测系统的缺陷,而且适用于GMS网络信号无法覆盖的偏远山区滑坡灾害监测。

1 适合于滑坡监测无线传感器网络系统设计

1.1 监测预警系统的总体结构

在大范围监控、预警的基础上,以局域网为研究平台,主要致力于数据采集和发送的有效性及处理上的精确性,监测预警系统的总体结构如图1所示,可分为2个部分:上层的监控中心和下层的监控基站。监控基站和监控中心通过以太网连接起来,此外管理人员也可以通过自定义网络访问监控基站。监控基站和众多的无线传感器节点一起组成无线传感器网络。无线传感器网络具有很好的扩展性,随意地增减节点,对网络的拓扑结构和组网模式无太大影响,因而可以方便地根据实际情况增加或减少监控节点的数量。

图1 系统结构图

1.2 适用于滑坡监测的无线传感器网络设计

这种无线传感器网络由众多具有感知和路由功能的无线传感器节点组成,能够协作实时监测,感知并采集各种环境对象的信息,将其通过多跳转发传送回主机进行分析、处理。以这些工作节点为依托,通过无线通信组成网络拓扑结构。

系统中大部分的节点为子节点,从组网通信上看,他们只是其功能的一个子集,称为 RFD(精简功能设备)[3,4],这种设备不具有路由功能;另外还有一些节点负责与控制子节点通信、汇集数据和发布控制,或起到通信路由的作用,称为 FFD(全功能设备或协调器)。如图2所示为一个典型的远程数据采集并返回到计算机终端的应用。每个节点由一个 MCU 作为主控设备。通过倾角传感器可以监测滑坡的运动状况,通过液位传感器监测地下水位深度,数据采集间隔也可以由中心服务器灵活控制,在旱季可以调整为每24 h采集并传递1次数据,从而节省能量并避免大量的冗余数据。而在雨季危险期,其采集间隔可以密集到5 min/次,从而保证实时监测预警功能。每个信号采集节点通过 ADC 从模拟传感器得到实时数据,按照 ZigBee 协议把数据打包,并通过射频芯片及前端天线发送给簇内的RFD;经过RFD预处理之后,再由RFD路由转发到远端计算机;结合地貌特点、滑坡的分布特点,多个水流量检测点之间的相互关系等多种地质学、水流动力学等方面的知识进行数据的融合和处理。在每个节点的外部可外接相应的 PIO 芯片和其他外围电路进行交互。

图2 无线传感器网络拓扑结构示意图

在整个硬件平台的设计中, 节能是一个重要因素[5], 它决定着传感器网络的寿命。当节点目前没有传感任务并且不需要为其他节点转发数据时,关闭节点的无线通信模块、数据采集模块等以节省能耗,即让其置于睡眠状态。为控制子节点选择合适的地点,提供较充足的能源,以便延长节点使用寿命,提高监测预警系统有效性。

在软件设计上 ,通过动态电源管理(Dynamic Power Management,DPM)技术使系统各个部分都运行在节能模式。在关闭空闲模块状态下,传感器节点或其他部分将被关闭或者处于低功耗状态 ,直到有“感兴趣”的事件发生。

2 应用实例

2.1 应用背景

清泉路滑坡为袁家蹬潜在滑坡的组成部分[6](见图3),位于袁家蹬潜在滑坡的前部,滑坡段北部位于长江左岸大溪沟右岸、东北部位于长江左岸河漫滩。清泉路滑坡外形似梨形,坐落在长江第一、二级阶地上;袁家蹬潜在滑坡体(包括清泉路滑坡)形似肾形,坐落在长江第一至第三级阶地上,西侧与长堰塘滑坡相邻。由于滑坡为大型松散堆积层滑坡,三峡水库正常蓄水运行后,滑坡前缘大部分将被水淹没,清泉路滑坡 80%位于库区水位变动带,局部及整体失稳的可能性大。从滑坡变形机制可以推断清泉路滑坡为两滑动的松散土体滑坡,具有两级滑动面(见图4)。滑坡预警的确定是监测滑坡的重要内容,也为治理滑坡提供了数据分析。

图3 清泉路滑坡平面图

图4 滑动面示意图

由于监测信息的实时采集、传输和处理均与节点密不可分,所以着重介绍节点的软硬件设计[7-10]。

2.2 硬件系统设计

2.2.1 无线收发单元

采用SRWF-501-50型微功率无线数传模块,该无线通信模块具有很强的抗干扰能力,全透明传输,体积小,传输距离远,低功耗及休眠功能。

2.2.2 MCU 控制单元(AT89C52)

数据处理模块是传感器网络节点的核心部分,一方面接收来自传感器的测量数据,按要求对数据进行处理和计算等,交给通信模块发送;另一方面读取通信模块送入的数据信息,对硬件平台其他模块的操作进行控制。

2.2.3 数据采集模块

传感器采用倾角传感器和液位传感器,每个孔洞都会在最下端部署一个液位传感器,在不同深度部署数个倾角传感器,通过倾角传感器可以监测山体的运动状况,液位传感器采集地下水位深度的数据,图5给出无线传感器节点电路构成框图。

图5 无线传感器节点电路构成框图

2.2.4 后台监控单元(嵌入式系统)

处理器模块的CPU 采用三星公司的基于ARM7的S3C44B0微控制器,在ARM 中移植了μCOS-Ⅱ实时多任务操作系统[11],以进行实时多任务管理。对于共享同一种资源会存在资源竞争的问题,系统中采用了事件标志和信号量的方法来实现同步机制,使得原子操作不需要关掉所有的中断,从而不会造成系统的响应延迟。

2.3 软件模块设计

按照硬件电路设计思路,软件采用模块化结构程序设计方式[12]。软件模块包括:系统初始化、数据发送模块、接收中断服务、突发中断采集、A/D采集模块、UART串口模块。系统初始化基本思路:上电后设置串口方式3,开启定时中断和外部中断,启动接收模块,进行通信检测,进入省电模式。这里简单给出主程序流程图(见图6),中断流程图(见图7),图7中中断为接收中断,中断1为突发中断。

图6 主程序流程图

图7 中断流程图

2.4 数据处理与图形分析

通过实验对系统的误码率进行测试,在不同环境、不同距离的通信测试中,得出系统的信道误码率为10-2,传输距离在500~1 200 m时,平均误码率为10-5～10-6之间。对清泉路滑坡实际测试中,假设发送数据x帧时,接收到y帧,即发送11×x b,正确接收到11×y b,得到滑坡监测数据,如表1所示,并根据计算公式:

误码率=11×[(x-y)/x]

分析得出系统实际误码率,如图8所示。从图8中可看出,在数据较小时,误码率几乎为0,随着数据的增大,系统误码率维持在10-5～10-6之间,符合无线传感器网络的通信要求,证实了整个系统在滑坡监测中的有效性。

表1 误码率测试数据表

发送x /b接收y /b(x-y) /b误码率

100 000 100 00000

500 000 500 0000 0

1 000 000 999 99911.1×10-5

1 500 0001 499 99910.73×10-5

2 000 0001 999 99910.55×10-5

2 500 0002 499 99820.88×10-5

3 000 0002 999 99820.73×10-5

4 000 0003 999 99820.55×10-5

5 000 0004 999 99730.66×10-5

图8 误码率测试图

3 结语

无线传感器网络被认为是影响人类未来生活的重要技术之一[13], 这一新兴技术结合了现有的多种先进技术,为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径。基于无线传感器技术和地面监测点组网,基本建立了研究三峡库区特殊地段滑坡监测系统,通过使用证实了整个系统的可行性。对系统稍加修改便可以应用在水质污染、森林火灾等自然灾害监测中,还可以应用在室内防盗、智能交通、工业监控等领域。

参考文献

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