滑坡监测系统数据传输方式优化设计

2016-01-18代炜佳王洪辉

自动化与仪表 2016年8期

代炜佳，王洪辉，张涛

（1.中国工程物理研究院核物理与化学研究所，绵阳 621000；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

地质灾害是一种由自然因素或人为活动引发的危害人民生命和财产安全的山体滑坡、崩塌、泥石流等有关的灾害[1]。我国是世界上地质灾害最严重的国家之一，具有灾害种类繁多、分布广泛、活动频繁、危害严重等特点，而其中滑坡灾害占灾害总数的51%。

现有的滑坡监测预警系统，一般基于GSM网络的无线数据传输。GSM通信模块的发射功率有限，需要经地面信号塔（信号基站）中继，才能实现远距离的无线数据传输。然而，在地震、泥石流、暴雨等极端环境下，不仅会发生GSM信号中断、时间延迟加大、数据丢失等情况，还可能由于地面信号塔通信中继中断，进而导致监测数据的长时间传输中断，由此降低了系统对“防灾减灾”工作的支持效果。

中国北斗卫星通信系统由空间段、地面段和用户段3部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高可靠的数据通信功能，几乎不受地质条件及环境限制。将基于北斗短报文通信技术替代现有基于GSM模块的数据传输方式，很大程度上提高系统的实时监测性能，在灾害孕育的过程中，实时传送监测数据，为“防灾减灾”工作提供决策支持。

1 现有系统架构

1.1 系统组成

滑坡监测预警系统由野外监测点和室内监测站组成。

野外监测点，选取经过研究论证的高危滑坡隐患滑坡体，在适当位置安放监测滑坡位移、倾斜度、降雨量参数的传感器，形成一个小型地质灾害监测点。每一个监测点传感器采集到的数据，经微型单片控制器MCU（micro controller unit）SOC-C8051F530控制GSM通信模块以短信形式发送出去，经信号中继站通信中继后，发送至室内监测站的数据接收主机。

室内监测站是由数据接收主机及监控主机组成，数据接收主机会接收来自野外采集点发送的数据，经串口转送至安装地质灾害监测预警软件的PC机，并在屏幕上呈现出近期相关参数的详细监测界面。现有系统总体结构如图1所示。

图1 现有系统总体结构Fig.1 Block diagram of the existing system

其具体的工作流程如下：

（1）野外监测点的传感器以固定时间间隔或事件触发的方式，采集滑坡的实时参数；

（2）野外监测点的MCU控制GSM通信模块，将数据以短信编码的方式发送至室内监测中心的数据接收主机；

（3）数据接收主机将野外采集节点的数据经串口送监控主机；

（4）监控主机提取出数据中包含的时间、监控地点及监测量等参数，直观呈现在监测软件的界面上。

1.2 不足与分析

GSM通信模块选用上海移远电子的M72-D，该模块是采用SMD封装的GSM/GPRS双频模块，支持900/1800 MHz的短信、数据传输，尺寸小，功耗低，已成熟应用于无线POS机、无线抄表等领域[2]。但是，该模块发射功率较小（在GSM900频段下，仅2 W），在10 km以上远距离数据传输时，必须通过通讯基站对其进行通信中继；通信基站完成前向接收、功率增强、后向发射等功能后[3]，才能使得数据在逐级传输的过程中不丢失。现有数据传输方式的原理如图2所示。

图2 现有数据传输方式原理Fig.2 Schematic diagram of the existing data transmission method

参照图2，数据逐级传输的过程中，所经过的通讯基站数量与传输距离成正比关系。在传输过程中，数据传输中断或不稳定的情况有如下几种可能：

（1）数据传输距离较大时，数据由野外监测点的发射端到达室内监测站的接收端，需经过若干级通讯中继，这个过程会产生较大的时间延迟，较大程度上影响了数据的实时性；

（2）若某个区域内的天气状况恶劣（如狂风、雨雪天气等），则该区域内通信基站的信号稳定性将下降，数据传输的可靠性也将大幅下降，数据丢失几率增大；

（3）监测滑坡体位于偏僻山区，若发生地震、泥石流、暴雨等灾害，相关部门会在第一时间切断主要公共设施供电，区域内通信基站将全部停止工作，基于此方式的数据传输将全部中断。

1.3 实例分析

2013年8月17日，绵阳某地爆发泥石流灾害，位于该地区所有野外监测点的监测数据传输全部中断，中断时间近72 h，室内监测站无法获取滑坡体的现场实时情况，不仅降低了监测预警系统的实效性，而且也在一定程度上影响了当地有关部门对“防灾减灾”工作的部署实施。

事后调查得知，该地区唯一的35 kV主干输电线路遭到了边坡垮塌破坏，所有电力供应中断，移动通讯基站断电停止工作，监测区域成为了信息孤岛，导致GSM数据传输无法完成通信中继，野外监测点的监测数据无法传输。

故此，提出采用北斗卫星通信替代GSM通信，克服通信基站受当地电力供应制约的困难，以提高地质灾害监测预警系统的时效性，特别是对于西南山区地灾监测尤为重要。

2 数据传输技术对比

2.1 几种远距离数据传输技术对比

数据传输技术作为滑坡监测预警系统的关键之一，很大程度依赖于现代通信技术，如GPRS/CDMA、GSM 短信、Internet、卫星通信等。

GPRS/CDMA、GSM短信通信相对简单，易于架设，传输速率也基本满足地质灾害监测的需要，但对通信基站依赖性强，在基站通信繁忙或者网络信号差的地区，容易发生数据传输延时，甚至数据丢失；而且，在某些偏远地区（如山区与城市郊区）存在通信盲区，不利于建立覆盖全国范围内的地质灾害实时监测系统[4]。Internet传输速率快，但其传输方式为有线，不易架设，且保密性不高。卫星通信最大的优点在于几乎不存在通信盲区，具有极高的数据传输可靠性，适合其他通信手段无法覆盖的偏远地区的地质灾害监测[5]；但是由于其通信容量小，运行费用比较高，不适合大数据量的地质灾害监测。表1对目前几种常用的通信技术的性能与特点进行了比较。

2.2 基于卫星通信的数据传输技术

北斗卫星定位导航系统是继美国全球定位系统GPS（global positioning system）、俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）导航系统之后，世界三大全球卫星导航系统之一[6]。这三大卫星系统都具备定位导航功能，而只有北斗系统具有短报文通信功能。

表1 几种通信方式性能与特点比较Tab.1 Performance comparing of the several communication methods

北斗卫星定位系统的短报文通信功能，采用点对点双向数据传输，主要方式是数据报告，传输形式为数据包，单次最大发送量为100 kB[7]。北斗通信终端通过安装IC卡方式，以卡号ID对卡号ID，实现两台终端之间的短报文数据传输，而IC卡的类型决定了单次发送报文的长度和发送频率。在北斗民用领域，发放的IC卡通信频率通常为每分钟一次，单次通信的报文长度不超过78.5 kB，即北斗通信的带宽为每分钟传输78.5 kB[8]。

3 基于北斗卫星通信技术的数据传输优化

3.1 数据传输方式优化

数据传输方式优化的关键在于野外监测点采集的数据经电平转换后，不需要任何通信中继，直接通过北斗发射终端采用算法加密后上传空间卫星；在地面控制中心的协调下，将空间卫星的实时数据转发至室内监测站的北斗接收终端；接收终端会校验接收到数据的合法性，并解码提取出其中包含的时间、监控地点及监测量等参数，并经RS232串口送至监控主机；监测数据显示界面上直观呈现出滑坡体位移量、倾斜度、雨量等实时监测情况。优化方案总体框图如图3所示。

图3 数据传输方式优化总体框图Fig.3 Block diagram of the optimized data transmission method

要实现基于北斗卫星通信技术的数据传输，需要完成如下的数据传输流程：

（1）地面控制中心实时掌控卫星及用户工作情况；

（2）用户终端主动发射信号进行通信申请，卫星接收到后将其转发到地面控制中心；

（3）地面控制中心收到用户信号后，解读出用户申请的服务内容，再将相关信息或通信内容发送到卫星；

（4）卫星在收到控制中心发来的通信内容后，转发给用户或收件人，实现通信服务。

3.2 北斗通信终端

北斗通信终端采用成都新橙智联科技的民用北斗/GPS一体式发送/接收用户机，具有北斗短报文数据传输功能，并具备良好的野外环境适应能力。

北斗通信发送端与野外监测点连接，MCU完成与终端的握手、数据加密、校验码生成、发送校验等功能后，将数据上传至终端缓存，终端将数据发送至北斗轨道卫星；地面控制中心会在接收到卫星发送的通信申请后，解读终端申请的服务内容，并将响应发送至卫星；卫星在接到响应后，将数据转发至指定接收终端。终端由铅酸蓄电池提供12 V电源，出于低功耗考虑而处于睡眠模式下，会在接受操作后立即唤醒，并在15 s内完成数据发送。

北斗通信接收终端与室内监测站连接，在接收到北斗卫星发送的数据后，对校验码进行真伪校验。若为真，表示其符合北斗通信协议，则提取出其中包含的时间、监控地点及监测量等参数，经RS232串口送监控主机处理；若为伪，则弃置不用。终端12 V直流电源由恒孚电源公司AC-DC模块AC220S12DC-20W提供，处于待机模式下（一直开机）。北斗卫星通信技术的原理示意图如图4所示。

图4 北斗卫星通信技术原理示意图Fig.4 Schematic diagram of the Beidou communication system

3.3 通信编码协议

野外监测点要将信息通过北斗发送终端发送到北斗接收终端，必须将数据编码成北斗短报文格式，再送北斗终端发送。北斗通信编码协议基本格式：通信命令，报文总长，发方ID，报文类型、收方ID，报文正文长度，应答位，报文正文，校验码。

例如：发方ID为424412的北斗终端机，向收方ID为424411的终端，发送数据‘123’。该操作的通信编码协议如表2所示（表中均采用16进制，省略 0x）。

表2 北斗通信编码协议Tab.2 Beidou communication coding protocol

4 优化后系统架构

4.1 野外监测点

野外监测点由传感器电路、信号调理电路、主控SOC-C8051F530、北斗通信发射终端、太阳能充电电路、蓄电池电源管理电路。具体框图如图5所示。

图5 野外监测点结构框图Fig.5 Block of the on-site monitoring nodes

4.2 室内监测站

基于北斗通信的数据传输方式，北斗接收终端能独立完成数据的校验、解码、信息提取、传送等功能，将野外监测点发射终端发送的数据经RS232串口，送PC监控主机处理，故此取消了先前提到的数据接收主机。监测预警软件集成了数据分析、归类整理、存储等功能，并在屏幕上呈现出近期相关参数的详细监测界面。

5 示范应用

优化后的系统应用于“贵州省地质灾害监测预警与决策支持平台”项目，监测点位于贵州省毕节市赫章县野马川镇K93岩质高边坡（经度104.7724，纬度27.1476，高程 1641 m），至威宁高速公路第 4～6合同段人工开挖边坡，地表裂缝位移监测仪（量程1000 mm）、地表倾斜度传感器（量程±90°）安装于边坡开挖形成的危岩体，雨量监测仪（量程7 mm/min）位于第8级支护平台，在岩体平面安装，采用12 V/60 Ah的胶体铅酸蓄电池作为电源。

经过近2年的监测应用，系统数据采集分辨率达到位移 2 mm、倾斜角 0.025°、雨量 0.1 mm，北斗数据传输无时间延迟、无丢包，极端气候条件下也能可靠传输，系统总体工作正常稳定。系统现场布置如图6所示。