劉懿俊
(深圳市地質(zhì)局,廣東 深圳 518023)
我國(guó)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,地質(zhì)活動(dòng)頻繁,崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),受其影響和威脅的人口眾多。為最大限度保障人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全,提供完善的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)(地災(zāi)監(jiān)測(cè))預(yù)警系統(tǒng)至關(guān)重要[1-2]。地災(zāi)監(jiān)測(cè)具有多種方式,包括無人機(jī)、傳感器以及衛(wèi)星監(jiān)測(cè)等,其中傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有全時(shí)監(jiān)測(cè)、低成本以及高效傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)[3-4]。
數(shù)采系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,針對(duì)不同應(yīng)用需求,可以有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于需求簡(jiǎn)單、環(huán)境友好的單一應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)采系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),性能穩(wěn)定。然而,地災(zāi)監(jiān)測(cè)嚴(yán)苛的工作環(huán)境導(dǎo)致其對(duì)數(shù)采系統(tǒng)提出了諸多嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)要求:采樣頻率多樣性、數(shù)采系統(tǒng)孤立性、系統(tǒng)故障冗余性等[5-6]。Semtech公司發(fā)布的基于1 GHz以下的超長(zhǎng)距、低功耗新型數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)Long Range Radio(LoRa),其接收靈敏度達(dá)-148 dBm,可確保網(wǎng)絡(luò)連接的可靠性。LoRa技術(shù)在極大改善數(shù)據(jù)接收靈敏度的同時(shí),降低了功耗。其支持多信道多數(shù)據(jù)并行處理,系統(tǒng)容量大,支持測(cè)距和定位[7]。LoRa技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)[8-10]。
本文以LoRa多頻段網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ),進(jìn)行地災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)采系統(tǒng)設(shè)計(jì),在滿足地災(zāi)監(jiān)測(cè)嚴(yán)苛的環(huán)境要求以及復(fù)雜的數(shù)據(jù)采集需求下,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。
地災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以一定面積的監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)闇y(cè)量單位:每個(gè)測(cè)量單位內(nèi)部的不同地點(diǎn)具有不同的監(jiān)測(cè)傳感器,用以監(jiān)測(cè)不同的物理信息;同一傳感器在不同地質(zhì)環(huán)境條件下具有不同的監(jiān)測(cè)方式。不同的傳感器和不同的監(jiān)測(cè)模式要求數(shù)采系統(tǒng)具有多種采樣頻率,并可根據(jù)環(huán)境條件的變化實(shí)時(shí)改變采樣頻率。
地災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)環(huán)境多為無人區(qū),不具備便利的交通條件與通信條件,監(jiān)測(cè)環(huán)境導(dǎo)致數(shù)采系統(tǒng)孤立,為系統(tǒng)維護(hù)、信息通信、能源供應(yīng)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
地災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有3~5年的工作周期,監(jiān)測(cè)周期內(nèi)不具備人工修檢條件;一旦發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必會(huì)受到影響。因此數(shù)采系統(tǒng)必須具備良好的冗余性,保證在一般故障條件下仍能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
地災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)采系統(tǒng)需要在廣闊的采集區(qū)域中對(duì)大量監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集。大量的數(shù)據(jù)采集工作僅由一個(gè)上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控具有較大的難度,同時(shí),信息擁堵對(duì)傳輸效率的影響將大大增加。為實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行高度同步的實(shí)時(shí)采集,需建立多層級(jí)數(shù)采處理架構(gòu),數(shù)采架構(gòu)為服務(wù)器-局域網(wǎng)關(guān)-節(jié)點(diǎn)-傳感器。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)如圖1所示。
圖1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)
(1)服務(wù)器一級(jí)數(shù)采總機(jī);
(2)服務(wù)器下設(shè)N(N>2)個(gè)局域網(wǎng)關(guān);
(3)每個(gè)局域網(wǎng)關(guān)同時(shí)負(fù)責(zé)M(M≥30)個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制與數(shù)據(jù)傳輸工作;
(4)每個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)P(P≥4)個(gè)傳感器(監(jiān)測(cè)點(diǎn))的供電控制與數(shù)據(jù)采集等工作。
在常態(tài)工作(非地災(zāi)狀態(tài))下,節(jié)點(diǎn)首先對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與預(yù)處理,以低傳輸數(shù)據(jù)率向局域網(wǎng)關(guān)傳送數(shù)據(jù)。局域網(wǎng)關(guān)對(duì)下屬所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)同樣以低數(shù)據(jù)傳輸速率向總機(jī)傳送數(shù)據(jù)。服務(wù)器總機(jī)面向N個(gè)局域網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)記錄,此時(shí)總服務(wù)器與各局域網(wǎng)關(guān)僅消耗了較小的通信帶寬就實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境的低頻全局監(jiān)測(cè)。
在警戒工作(局部地災(zāi)狀態(tài))下,當(dāng)局部地區(qū)發(fā)生明顯地災(zāi)變化時(shí),節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行本地處理與分析。節(jié)點(diǎn)判斷異常地質(zhì)狀態(tài)后進(jìn)行實(shí)時(shí)高速率數(shù)據(jù)傳輸,局域網(wǎng)關(guān)以相同速率輸送數(shù)據(jù)。服務(wù)器和局域網(wǎng)關(guān)的部分帶寬用于其他節(jié)點(diǎn)的常態(tài)監(jiān)測(cè),部分帶寬用于非常態(tài)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)局部地區(qū)的高頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
在額定工況(全局地災(zāi)狀態(tài))下,當(dāng)所有地區(qū)發(fā)生明顯地災(zāi)變化時(shí),那么所有節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行全速率數(shù)據(jù)輸送。由于局域網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器帶寬有限,所有數(shù)據(jù)需降速傳輸,系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全局中頻實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
不同工作狀態(tài)下各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸率見表1所列。
表1 不同工作狀態(tài)下各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸率
通過數(shù)采架構(gòu)設(shè)計(jì)可知,系統(tǒng)會(huì)同時(shí)存在常態(tài)低頻監(jiān)測(cè)、局部高頻監(jiān)測(cè)、全局中頻監(jiān)測(cè)等三種監(jiān)測(cè)模式。
多頻段設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于防止信號(hào)之間的干擾以及數(shù)據(jù)傳輸造成的擁堵,根據(jù)地災(zāi)監(jiān)測(cè)需求,設(shè)計(jì)LoRa雙頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),包括高速、中速和低速頻段,3種頻段的數(shù)采頻率分別為0.2 s/次、2 s/次和200 s/次。LoRa多頻段設(shè)計(jì)可以靈活地為同一局域網(wǎng)內(nèi)的不同地災(zāi)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景使用不同頻段,進(jìn)行獨(dú)立的傳輸加密設(shè)計(jì),在防止信號(hào)互相干擾的同時(shí),有效避免信號(hào)傳輸?shù)膿矶?,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝Х€(wěn)定。
采樣速率可通過上位機(jī)進(jìn)行人工主動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)某一節(jié)點(diǎn)的主動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);也可通過節(jié)點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景進(jìn)行判斷,通過自動(dòng)控制算法實(shí)時(shí)改變。
(1)監(jiān)測(cè)的單位窗口時(shí)間內(nèi)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)頻繁,節(jié)點(diǎn)自主將采樣速率調(diào)整為高速頻段;當(dāng)監(jiān)測(cè)的單位窗口時(shí)間內(nèi)地質(zhì)運(yùn)動(dòng)較弱時(shí),節(jié)點(diǎn)自主調(diào)整為低速頻段。
(2)局域網(wǎng)關(guān)在帶寬允許的條件下,向服務(wù)器進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。下設(shè)節(jié)點(diǎn)高速傳輸較多時(shí),對(duì)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行間隔采集,使數(shù)據(jù)降速傳輸至服務(wù)器,避免數(shù)據(jù)擁堵。
LoRa多頻監(jiān)測(cè)控制與設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 LoRa多頻監(jiān)測(cè)控制與設(shè)計(jì)
地災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需通過傳感器信號(hào)的變化對(duì)環(huán)境的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與判斷。但傳感器信號(hào)發(fā)生變化,不僅僅是由于地災(zāi)變化導(dǎo)致。傳感器出現(xiàn)信號(hào)突變的主要情況如下:
(1)正常模式:傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)突變,正常監(jiān)測(cè)到地災(zāi)變化,交送數(shù)據(jù)于上層節(jié)點(diǎn);
(2)故障模式:無外力干擾情況下,傳感器發(fā)生故障,信號(hào)突變或無信號(hào);
(3)損壞模式:無外力干擾情況下,傳感器硬件損壞,信號(hào)突變或無信號(hào);
(4)破壞模式:地災(zāi)變化,外力導(dǎo)致傳感器發(fā)生故障,信號(hào)突變或無信號(hào);
(5)斷網(wǎng)模式:節(jié)點(diǎn)或局域網(wǎng)故障,數(shù)據(jù)傳輸失敗。
在模式(2)和模式(5)情況下,可以通過故障診斷算法或重啟進(jìn)行恢復(fù);在模式(3)和模式(4)情況下,由于傳感器硬件損壞,因此無法進(jìn)行系統(tǒng)自我恢復(fù)。故上層服務(wù)器接收到故障信號(hào)后,需通過進(jìn)一步的監(jiān)測(cè)與控制,判斷傳感器提供的突變信號(hào)的實(shí)際信息與意義,以便監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正確響應(yīng)。故障監(jiān)測(cè)與診斷流程如圖3所示。
圖3 故障監(jiān)測(cè)與診斷流程
(1)接收到1個(gè)傳感器的突變信號(hào)后,等待延時(shí),判斷是否有其他傳感器存在信號(hào)突變;
(2)未接收到第二個(gè)突變信號(hào),判斷監(jiān)測(cè)環(huán)境未發(fā)生地災(zāi)變化,則啟動(dòng)故障診斷子程序-A。
(3)接收到第二個(gè)突變信號(hào)后,判斷監(jiān)測(cè)環(huán)境發(fā)生地災(zāi)變化,節(jié)點(diǎn)及上層局域網(wǎng)開啟高頻采集模式,同時(shí)啟動(dòng)故障診斷子程序-B。
故障判斷子程序-A重啟傳感器后,重新進(jìn)行數(shù)據(jù)抓取,若數(shù)據(jù)仍未回復(fù),則判斷傳感器硬件故障;若數(shù)據(jù)回復(fù),則判斷傳感器軟件故障。故障判斷子程序-B監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)是否實(shí)時(shí)變化,無變化則判斷為受外界地災(zāi)環(huán)境影響導(dǎo)致傳感器硬件損壞,發(fā)出故障信號(hào)。
圖4所示為L(zhǎng)oRa節(jié)點(diǎn)控制盒內(nèi)部電路,所設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)能夠作為一個(gè)單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)正常工作,具備4G模塊和GPS擴(kuò)展能力。節(jié)點(diǎn)模塊同時(shí)負(fù)責(zé)所監(jiān)測(cè)區(qū)域的三軸傾角傳感器、三軸振動(dòng)傳感器、溫度傳感器,確保所有傳感器的電源正常供電,數(shù)據(jù)采集工作正常開展。
圖4 節(jié)點(diǎn)控制電路
所有網(wǎng)關(guān)同時(shí)通過TCP向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù),測(cè)試數(shù)據(jù)通信能力與承壓能力。通過TCP心跳模式定時(shí)發(fā)送小數(shù)據(jù)包,每5 s發(fā)送1次確認(rèn)信號(hào),檢測(cè)TCP連接是否正常,并驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸故障的回復(fù)能力。進(jìn)行3次長(zhǎng)時(shí)不間斷通信實(shí)驗(yàn),壓力測(cè)試結(jié)果見表2所列。
表2 壓力測(cè)試結(jié)果
(1)一次實(shí)驗(yàn)不進(jìn)行其他操作,僅進(jìn)行144 h的不間斷通信測(cè)試,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)未出現(xiàn)故障。
(2)二次實(shí)驗(yàn),進(jìn)行24 h不間斷測(cè)試,人為干預(yù)通信模塊信號(hào)強(qiáng)度、電力供應(yīng)(降低信號(hào)強(qiáng)度與電力供應(yīng))。通信對(duì)應(yīng)出現(xiàn)4次故障,通過故障診斷與控制,系統(tǒng)重啟并正常運(yùn)行4次。
(3)三次實(shí)驗(yàn),進(jìn)行24 h不間斷測(cè)試,人為改變IP地址2次,通過故障診斷與控制,系統(tǒng)重啟并正常運(yùn)行2次。
通過測(cè)試,TCP連接與傳輸在硬件未完全失效的條件下,系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行,并在一般故障條件下可自動(dòng)重啟恢復(fù)通信。
數(shù)據(jù)采集程序會(huì)對(duì)每一個(gè)位置的傳感器進(jìn)行連續(xù)5次讀數(shù),3次以上讀數(shù)正常時(shí),才會(huì)返回讀取值,否則系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)重啟。數(shù)據(jù)讀取實(shí)驗(yàn)見表3所列。
表3 數(shù)據(jù)讀取實(shí)驗(yàn)
對(duì)數(shù)據(jù)讀取進(jìn)行壓力測(cè)試。一次、二次實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行低頻段、中頻段數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試,無外界干擾條件下,系統(tǒng)正常進(jìn)行數(shù)采工作。三次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行高頻段采集,并人為短時(shí)間切斷傳感器數(shù)據(jù)傳輸,系統(tǒng)數(shù)采出現(xiàn)錯(cuò)誤,未能正確讀數(shù),系統(tǒng)自動(dòng)重啟后重新開始數(shù)采工作。因此,在無外界影響硬件系統(tǒng)的條件下,數(shù)采系統(tǒng)可以進(jìn)行高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸。
實(shí)驗(yàn)中對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行采集,對(duì)數(shù)采系統(tǒng)的定位可行性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中,北斗衛(wèi)星搜索信號(hào)更強(qiáng),衛(wèi)星數(shù)量更多,定位性能明顯優(yōu)于GPS系統(tǒng)。因此在數(shù)采系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),優(yōu)先采用北斗系統(tǒng),GPS系統(tǒng)作為備份。實(shí)驗(yàn)接收衛(wèi)星信號(hào)平均值見表4所列。
表4 實(shí)驗(yàn)接收衛(wèi)星信號(hào)平均值
(1)第一次實(shí)驗(yàn)未對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行任何人工干預(yù),系統(tǒng)正常工作,無信號(hào)中斷情況。
(2)第二次實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)降壓供電,系統(tǒng)CPU雖然能夠正常工作,但GPS芯片由于電壓不足而停止工作,發(fā)生一次中斷。系統(tǒng)重啟后正常運(yùn)行。
(3)人為彎折GPS信號(hào)接收線,信號(hào)中斷。
由此可知,數(shù)采系統(tǒng)在無外界干擾影響系統(tǒng)硬件時(shí),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定收發(fā)。天線與GPS模塊之間的饋線不能出現(xiàn)彎折,GPS模塊必須固定,避免天線故障對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)造成影響。
在開闊地帶對(duì)LoRa網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同壓力測(cè)試,所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高頻數(shù)據(jù)發(fā)送,測(cè)試單網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與多網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)下,服務(wù)器接收數(shù)據(jù)的情況。
(1)通信距離不小于1 km,采用30個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)單網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行壓力測(cè)試。網(wǎng)關(guān)吞吐量不超過20%,丟包率小于5%,并能穩(wěn)定重傳。
(2)在同一地點(diǎn),現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)60個(gè)節(jié)點(diǎn)和3個(gè)網(wǎng)關(guān),測(cè)試距離保證在3 km以上:在數(shù)據(jù)吞吐量不超過理論值20%的情況下,各子網(wǎng)均能夠正常獨(dú)立通信,丟包率小于2%。
(3)在以上系統(tǒng)壓力測(cè)試中,對(duì)任意一組網(wǎng)關(guān)、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行掉電操作,30 min后重新上電,系統(tǒng)均可恢復(fù)正常。在所有調(diào)試與實(shí)驗(yàn)中,節(jié)點(diǎn)模組休眠電流均小于2 μA。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)協(xié)同壓力調(diào)試見表5所列。
表5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)協(xié)同壓力調(diào)試
通過測(cè)試,TCP連接與傳輸、數(shù)據(jù)傳輸工作、GPS信號(hào)收發(fā)工作在硬件未完全失效的條件下,系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行,并在一般故障條件下可自動(dòng)重啟恢復(fù)通信。服務(wù)器可對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多參數(shù)切換控制,節(jié)點(diǎn)能夠正常上線并回復(fù)。在不超過LoRa網(wǎng)關(guān)標(biāo)稱負(fù)荷的情況下,對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸壓力試驗(yàn),所有數(shù)據(jù)均能穩(wěn)定到達(dá)服務(wù)器。實(shí)驗(yàn)中,網(wǎng)關(guān)能夠穩(wěn)定檢測(cè)傳送數(shù)據(jù)是否出錯(cuò),并通知節(jié)點(diǎn)重傳。該設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定,高度集成了北斗定位等多種輔助功能,適用于大規(guī)模的地災(zāi)監(jiān)測(cè)。