，，

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710021)

引 言

危巖危石等邊坡地質(zhì)災(zāi)害因其多發(fā)性、突發(fā)性、隨機(jī)性、災(zāi)害發(fā)生時(shí)生存周期短的特點(diǎn)，長(zhǎng)期以來，一直威脅著公路鐵路運(yùn)行安全，給公路/鐵路運(yùn)營(yíng)部門的工作造成不便。傳統(tǒng)的工程防護(hù)手段并不能完全解除危巖危石對(duì)公路/鐵路安全運(yùn)行的威脅,因此危巖危石監(jiān)測(cè)是保障運(yùn)行安全的最后屏障[1]。

目前常用的監(jiān)測(cè)方法主要有3種：基于視頻監(jiān)測(cè)[2-3]系統(tǒng)雖然造價(jià)低廉，但視頻數(shù)據(jù)不僅存儲(chǔ)量大、易受惡劣天氣及周邊環(huán)境影響，存在一定比例的誤報(bào)；基于紅外激光[4]的危巖危石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖能在夜間及惡劣天氣下工作，但系統(tǒng)仍會(huì)受到飛鳥及動(dòng)物干擾而存在誤報(bào)，且不能監(jiān)測(cè)越過行車界限的危石；光纖光柵振動(dòng)探測(cè)方法[5-7]雖然能全天24小時(shí)工作，但系統(tǒng)需要沿監(jiān)測(cè)路線布設(shè)大量光纜線路，多達(dá)數(shù)十公里，監(jiān)測(cè)效率低，布設(shè)傳感器數(shù)量較大，日常作業(yè)時(shí)，路基兩側(cè)需挖溝布線，施工不便。

公路/鐵路邊坡防護(hù)應(yīng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮無線通信的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是邊坡危巖危石的發(fā)展要求。為滿足公路/鐵路邊坡危巖危石監(jiān)測(cè)需求，需要有較高的監(jiān)測(cè)精度和實(shí)時(shí)性、分布式監(jiān)測(cè)功能、方便安裝布設(shè)等特性，因此本文提出一種采用姿態(tài)傳感器，利用無線通信技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)公路/鐵路邊坡危巖危石的遠(yuǎn)程分布式監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩種功能設(shè)備組成：一種是危巖危石監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集危巖危石狀態(tài)信息；另一種是分中心，功能是將周邊監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)利用2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)傳回監(jiān)測(cè)中心。

危巖危石監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過nRF24L01無線模塊將報(bào)警信息發(fā)送至分中心，分中心連接2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)將周邊監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳回監(jiān)測(cè)中心，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 危巖危石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)原理框圖如圖2所示，采用I2C通信協(xié)議獲取危巖危石監(jiān)測(cè)傳感器MPU9250的九軸信息，經(jīng)內(nèi)置運(yùn)動(dòng)處理引擎(DMP)處理后，提取危石姿態(tài)四元數(shù)，解算危巖危石姿態(tài)，用nRF24L01模塊將危巖危石九軸信息(加速度、角速度、磁場(chǎng)強(qiáng)度)和姿態(tài)信息發(fā)送到分中心，分中心將信息傳回監(jiān)測(cè)中心，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能充電或者超級(jí)電容供電。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件原理框圖

(1)

(2)

① 供電。供電系統(tǒng)采用單晶體太陽(yáng)能電池板，尺寸為84 mm×39 mm×2 mm，充電最大電流為100 mA、工作在5.5 V的SC5R5105Z-H型超級(jí)電容組，電容大小為20 F。

② 采集。危巖危石狀態(tài)監(jiān)測(cè)采用Invensen公司的MPU9250九軸姿態(tài)傳感器模塊，其由三軸加速度、三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)組成，在加速度低功耗模式下，檢測(cè)到高于系統(tǒng)設(shè)定值的軸向運(yùn)動(dòng)數(shù)值時(shí)，觸發(fā)中斷(INT引腳輸出高電平，持續(xù)周期為0.98 Hz)喚醒系統(tǒng)主控制器，發(fā)送預(yù)警信息。

③ 主控制器。系統(tǒng)采用STM32L476完成系統(tǒng)危巖危石信息處理，其具有低功耗、高性能等特點(diǎn)，工作狀態(tài)下電流消耗為10 mA。

④ 傳輸。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與分中心通信采用nRF24L01近距無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)，覆蓋半徑為1 km，分中心與監(jiān)測(cè)中心的數(shù)據(jù)交互采用SIM7600CE模塊，其是一款小體積、高性能的2G/3G/4G無線通信模塊。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作流程圖如圖3所示，STM32L476完成系統(tǒng)算法執(zhí)行。系統(tǒng)軟件分為兩種工作模式：正常工作模式下，系統(tǒng)定時(shí)執(zhí)行測(cè)量、上報(bào)任務(wù)；系統(tǒng)在正常工作模式的休眠期，進(jìn)入危石滾落報(bào)警模式，一旦危石滾落觸發(fā)運(yùn)動(dòng)中斷喚醒系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)立即采集一組危巖危石狀態(tài)信息，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒种行?，分中心上?bào)數(shù)據(jù)給監(jiān)測(cè)中心，通知相關(guān)人員危石滾落位置、方向信息，否則休眠等待下一次定時(shí)任務(wù)。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 正常模式

(3)

由此可以解算出危巖危石姿態(tài)角，其中俯仰角范圍為-90°～+90°，航向角范圍為-180°～+180°。

3.2 危石滾落報(bào)警模式

圖4 危石滾落報(bào)警模式下工作流程

危石滾落報(bào)警模式下，采用MPU9250加速度低功耗運(yùn)動(dòng)喚醒功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)休眠喚醒，發(fā)送危巖危石信息到分中心。工作流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

模擬危石滾落過程，多次采集危石狀態(tài)信息，發(fā)送至分中心，分析從“喚醒-采數(shù)-傳輸-報(bào)警”全過程的時(shí)間和能量消耗，并將得到的危巖危石九軸信息及姿態(tài)角數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中分析。

4.1 危石滾落報(bào)警模式耗時(shí)分析

當(dāng)傳感器感知到危石滾落，觸發(fā)運(yùn)動(dòng)中斷喚醒MCU，測(cè)量一組危巖危石狀態(tài)數(shù)據(jù)將其發(fā)送至分中心，分中心將其傳回監(jiān)測(cè)中心。在“喚醒-采集-傳輸-報(bào)警”過程中，姿態(tài)解算耗時(shí)如表1所列。

表1 危巖危石姿態(tài)角解算數(shù)據(jù)耗時(shí)(單位：ms)

表2所列為危巖危石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在危石滾落報(bào)警模式各階段耗時(shí)統(tǒng)計(jì)，耗時(shí)共計(jì)147.71 s，即完成將報(bào)警信息發(fā)送至分中心，確保有效傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)分中心2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳回監(jiān)測(cè)中心。結(jié)果表明，系統(tǒng)傳輸耗時(shí)主要集中于數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)娜刖W(wǎng)和注冊(cè)過程，相比于“監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)-監(jiān)測(cè)中心”結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用“監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)-分中心-監(jiān)測(cè)中心”結(jié)構(gòu)，提高了監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送成功率，將危巖危石信息及時(shí)發(fā)送出去，避免因滾落過程中的物理?yè)p傷使得信息發(fā)送失敗，節(jié)點(diǎn)失去實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的能力。

表2 危石滾落報(bào)警模式各階段耗時(shí)

4.2 系統(tǒng)功耗及工作時(shí)間測(cè)試

軟/硬件配合完成低功耗方案如下：

① nRF24L01選擇合適的發(fā)送功率，0 dBm發(fā)射功率最大，但同時(shí)電流消耗也是最大。

② 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的nRF24L01、MPU9250大部分情況處于休眠或掉電狀態(tài)。

③ 危石滾落報(bào)警模式階段，主控制器待機(jī)狀態(tài)只保留RTC時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)鐘及wakeup引腳工作，切斷其余所有外設(shè)供電。

危巖危石監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分電流消耗如表3所列，經(jīng)測(cè)量，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電流消耗為25.9 mA。直接使用SIM7600CE遠(yuǎn)傳模塊傳輸?shù)碾娏飨臑?52.3 mA，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的功耗減少82%。分中心節(jié)點(diǎn)電流消耗如表4所列。

表3 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)危石滾落報(bào)警模式系統(tǒng)性能分析

表4 分中心節(jié)點(diǎn)電流消耗

計(jì)算說明：

最長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間=(最大電荷量-殘余電荷量)/系統(tǒng)休眠電流/3600 單位：小時(shí)

工作放電時(shí)間=(最大電荷量-殘余電荷量)/工作電流 單位：秒

根據(jù)表5的計(jì)算及實(shí)際工作驗(yàn)證，一次性充電，系統(tǒng)最大待機(jī)時(shí)間約為37天。待機(jī)狀態(tài)系統(tǒng)電流消耗約為0.009 mA,低功耗特性較好，能夠適應(yīng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)要求。

表5 太陽(yáng)能供電+超級(jí)電容供電系統(tǒng)參數(shù)

4.3 危巖危石姿態(tài)采集精度分析

圖5所示為監(jiān)測(cè)中心接收到的遠(yuǎn)程危石測(cè)試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)依次是加速度、角速度、姿態(tài)角等。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心危巖危石監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

STM32L476平臺(tái)解算的危巖危石靜態(tài)橫滾角和俯仰角數(shù)據(jù)如圖6所示，實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)連續(xù)測(cè)量30分鐘，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，俯仰角和橫滾角的解算精度分別優(yōu)于0.3°和0.2°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)DMP處理后，解算得到的危巖危石橫滾角和俯仰角精度相對(duì)較高，能夠滿足姿態(tài)測(cè)量需求。

圖6 DMP解算得到危巖危石姿態(tài)俯仰、橫滾角

磁力計(jì)校準(zhǔn)后航向角數(shù)據(jù)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)校準(zhǔn)后解算得到的危巖危石的航向角精度優(yōu)于0.3°。

圖7 融合磁力信息后的危巖危石航向角

由此可知，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)獲取的危巖危石姿態(tài)角精度較好，可以作為滾落驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，辨別是否誤報(bào)。

結(jié) 語(yǔ)