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基于无线传感器网络技术的山区高速公路边坡监测方案

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计量趋潮与监潮 2008年第11期上(总第184期) 基子无线传感器网络技木韵 山区高速公路边◆痿监测方案 赵丽,仲崇波,焦伟赞,吴蕾 (交通部公路科学研究院国家智能交通系统工程技术研究中心.北京100088) 摘要:基于2.4GHz zjgBee通信协议的无线传感器网络技术设计的高速公路边坡稳定性实时监测系统方案.由自组多跳 的多无线传感器节点构成数据采集传输簇群,通过GPRs模块将数据传输至远程监控中心辅助决策,对此已完成通讯测试和 模拟组网调试,充分证明了该方案设计能够满足边坡稳定性实时监控的需要。 关键词:WSN;ZigBee;稳定性监测;高速公路边坡 中图分类号:U416.1;U412.36 文献标识码:A 文章编号:1002—4786(2008)11-0034—04 Stability・・-monitoring Scheme of Expressway Slope Based on Wireless Sensor Network ZHA0 Li,ZHONG Chong—bo,JIA0 Wei-yun,WU Lei (National Center of ITS Engineering&Technology.Research Institute of Highway Ministry of Communications Beijing 100088,China) Abstract:Based 0n WSN(wireless sensor network)technology of 2.4GHz ZigBee communicati0n pro- tocol,a new system scheme is designed on real-time stability—monitoring of expressway slope.The clusters on the slopes get monitoring data from the wireless nodes in the multi—hop,self—organized wireless net— works,and deliver data to the remote control c ou rter via GPRS modules f0r decision—making.Furtherm0re, the communication test of node modules and I lnnulation network has been finished,which pI.()ves this scheme can meet the demand of real—time monitoring slope stability of slope. Key words:WSN;ZigBee;stability monitoring;expressway slope 0 引言 源多等缺点,尤其当卫星定位系统与移动通信结合 随着中国国家高速公路网的日臻完善.高趣公 使用时,运营费用较高,不可避免边坡监测方案的 路频繁穿越山区地带。在这些地带.由于山体崩 非经济性;光纤光缆监测法是将倾角仪、水位计、 塌、滑坡所引发的公路沿线灾害可能大范围威胁芋 士壤水分测量仪器等设备埋置在坡体中.实现位 交通顺畅和出行者安全,造成人员和财产的损失 眵、水位、土壤含水率、温度、地声、振动等参数 如何建立实时有效的高速公路边坡稳定性预警预报 的量测,虽然对边坡稳定性的监测精度有了大幅提 系统一直是困扰高速公路管理部门的棘手问题 高,但是由于布线工程量大、山区施工复杂等缺点 针对高速公路沿线边坡监测.国内外现有技术 而影响了其普及和推广 主要有采用卫星定位系统的坡体表面位移量观测 无线传感器网络(wireless sensot network.WSN 113] 法…和光纤光缆监测法㈦。其中,基于卫星定位系统 是近年来一种探索性用于高速公路边坡实时监测的 的坡体表面位移量观测法,存在着点位选择的自由 新兴技术。它综合了传感器技术、嵌入式计算技 度较低、山区信号遮挡严重、函数关系复杂 误差 术、分布式信息处理技术和无线通信技术.通过传 COMMUNICATIONS STANDARDIZATION,l HALF OF No.1t i2OO80sslUE 一No,184) 2008年第11期上(总第184期) 计一趋潮与监潮 聚节点担任基站的作用,接收由无线传感器节点直 感器节点以协作的方式进行实时监测.感知和采集 各种环境或监测对象的信息.并对其进行处理.取 终传送到需要这些信息的用户。该技术具有检测指 接或由中继节点间接通过自组多跳形式传输的传感 器数据,之后采用GPRS ̄线通讯技术将数据传输 标丰富、传输方式经济易行、能实现远程实时监控 至远程监控终端。 的优势,并为此而正成为国内外的科研和工程应用 坡1 … 坡Ⅳ 的新领域。对此领域,日本、波兰等国家已进行了 一定程度的研究并取得了实际工程应用经验l4. . 但中国的相关研究尚处于起步阶段 作为国家高 技术研究发展计划(863计划)《基于泛在网络技术的 道路设施及灾害信息采集与融合》的一个研究专项, 交通部公路科学研究院国家智能交通系统工程技术 研究中心进行了基于WSN的高速公路边坡稳定性 监测的研究 ■ 外鄙传恐器 控制中一tb 北京周边某山区高速公路.地属季风气候 图1基于无线传感器网络技术的山区高速公路 区、降水分布不均匀,其岩土性质的地形地貌由于 边坡监测系统架构图 降雨、地震及人工扰动易发生表层滑坡和坡体崩 2系统硬件设计 塌。当地高速公路管理部门曾有意尝试部署传统光 本方案选用UC Berkeley的IRIS系列传感器节 纤光缆以对边坡进行监测和预警.但是鉴于此高速 点[61、MDA320数据采集板和基站.外接传感器主 公路路线穿越人际稀少的山区.且有野外布线、电 要有国产倾角传感器、液位传感器、土壤水分传感 源供给等难以克服的局限性.另外有线监测系统的 器和基于Intel PXA27 1 CPU的图像传感器 初期投入和后期维护费用高.最终使管理部门放弃 2.1无线传感器节点 了此监测方案。根据高速公路管理部门的要求.交 2.1.1传感器节点设计 通部公路科学研究院结合当地地形地貌和网络通信 无线传感器节点是边坡监测网络的基本构成单 情况,系统全面地设计了一套基于无线传感器网络 元,图2所示为本方案的无线传感器节点的硬件设 技术的高速公路边坡实时监测系统.实现了施工方 计图。该节点包含电源模块、CPU数据处理模块、 便、经济合理的数据实时采集与传输 射频(RF)模块、A/D接口模块、传感器模块和数据 1系统架构 存储模块,其中电源模块包括电池模块和电源控制 由于监测对象坡体上植被丰富.并有大块岩石 模块,负责对节点进行电源供应和节电控制:传感 等障碍物.且周围通讯干扰情况较为严重.本方案 器模块包含边坡监测所需要的各类外部传感器f如 采用数据传输率高、受外界通信干扰较小的2.4GHz 倾角传感器,液位传感器等),通过A/D接口转换 ZigBee无线通讯协议。ZigBee的有效工作距离为 传感数据至CPU,完成数据采集功能:CPU数据处 10m~75m,在25kbps ̄情况下其有效工作距离可达 理模块完成数据处理后.将其通过射频模块发送至 100m。 网络基站:RF模块通过SPI接口与核心数据处理单 如图l所示.本方案采取星型拓扑结构在被监 元相连接.实现远端信息中心的指令接收和监控信 测的多个坡体上布设监测子网.构成一个簇式的分 息的上传。 布式结构。每个子网内包含5~l0个节点,节点按 本方案传感器节点选型不仅要满足方案设计中 功能划分为无线传感器节点、中继节点和汇聚节 各个模块的需求(如CPU主频.可支持传感器类型 点,其中无线传感器节点包括外部传感器、模数转 等),同时也要满足高速公路边坡实际监测的参数 换和数据传输等模块.负责坡体物理数据的采集与 要求(如有效传输距离、节点功耗、数据传输速率 传输:由于受监测区域内的植被和障碍物的遮挡. 等)。本方案选择UC Berkeley ̄IRIS节点模块.其 监测坡体中设置了只具备通信功能的若干中继节 工作频率为2.4GHz,支持IEEE802.15.4.采用低功 点,以减小网络的通信干扰;此外。作为簇头的汇 耗处理器ATmegal 1281,它具有传输距离长、存储 计■艟测与监溺 2008年第11期上(总第184期) ・” ““ -J数据存储模块J A,D DataBus. CPU 数 +_一 倾角传感器 电池模块 —+ 据 .接 ・ l液位传感器 菊 处 1_理 模 块 -— 口 模 +一一土壤水分传感器 块 +_一 图像传感器 RF模块 l . SPI.图2无线传感器节点硬件设计图 空间大的特点.它通过IRIS 51针扩展接口可连接 模拟输入,数字I/0、I2C、SPI ̄UUART接口,更加 便于各种外接传感器的连接 2.1.2外部传感器与数据采集板 外部传感器节点的类型可根据实际边坡的地质 地貌现状与用户需求酌情选取。本方案采用表1所 列的外部传感器构成数据采集端,将各类型传感器 接入5 l针扩展接口.形成无线传感器节点,通过嵌入 式控制及处理软件将节点融入该无线传感器网络。 表1外部传感器一览表 编号 1 传感器类型 倾角传感器 工作电压 0-5v 功能简述 坡体水平位移监测 备注 主要参数 图3 MDA320CA硬件框图与实物图 2 液位传感器 一2.5v一2.5v 5v~12v 4.5v~6v 坡体地下水位监测 主要参数 3 土壤水分传感器 4 图像传感器 坡体土质含水率监测 辅助参数 坡体异常时刻视频监测 辅助参数 此外.本方案选用MDA320CA作为传感器节点 的数据采集板(见图3),其通信与控制特点为:a) 具有8个单端0~2.5V输人或4个差分0~2.5V ADC通 道:b)具有8个0~2.5V数字I/0通道,带事件驱动中 断功能:C)200Hz计数通道用于风速和脉冲频率; d)外部采用I2C接口 2.1-3电源模块 在传感器节点供电问题上.传统AA电池由于 图4电源改进实物图 由于无线传感器节点的工作电压范围为2.7V~ 3.2V.而锂电池的输出电压为3.6V.故通过在电源 供电电路中并接一个贴片二极管.将锂电池输出电 压降低至3.0V。改进后的电源模块不仅可以满足无 线传感器节点正常工作的需要.而且节点供电能力 相对于普通AA电池提高了8倍.延长了整个网络的 生命周期。同时,锂电池可反复充电的特性,也大 大降低了整个系统的维护成本 表2所示为电源改 进前的AA电池与改进后的锂电池的性能比较。 表2 AA电池与改进锂电池的性能对比 电源类型 电压 容量 能量 自放电率 寿命 可否充电 记忆效应 密度 AA电池 3V 500mA 低 25%/month 1~2年 否 Nf 能量密度不高、容量有限、自放电率高等,无法满 足野外环境下无线传感器网络长期运行的需求。因 此.有必要为本监控系统的无线传感器节点设计容 量更大、适应野外工作环境的新的能源提供机制。 由于锂电池具有重量轻、容量大、无记忆效应 等特点,而且其能量密度高。容量是同重量镍氢电 池的1.5~2倍,具有很低的自放电率。此外。锂电 池几乎没有“记忆效应”,不含有毒物质,所以本方 案将IRIS无线传感器节点的电源模块改为锂电池供 电 电源改进后的实物如图4所示 改进锂电池 3.6V 4 O0omA 局 1O%/month 3~4年 是 无 2008年第11期上(总第184期) 计■趋溺与监潮 助决策。同时,当接收节点收到监控中心的接收请 2.2基站 作为簇头.每个监测子网均设立一个基站 基 求后,由低功耗等待状态唤醒,进入接收数据状态 站由一个SPB400一Stargate网关和一个IRIS Mote组 直至接收完毕。节点在发送和接收数据完毕后,均 成,其中Stargate网关是应用Intel的Xscale处理器的 相应进入低功耗状态。 一款高性能处理平台.主要包含Intel PXA255主处 理器、Intel SA1111协处理器、64MB RAM、32MB FLASH以及51针接口、PCMCIA接口、CF接口。 IRIS节点通过51针接1:2与Stargate网关相连接. 依靠Xmesh自组协议获取子网传感数据:并通过 PCMCIA接口外接GPRS卡.实现远距离通信能力。 3系统软件设计 3.1系统软件平台 为达到节能的目的.本方案采用Tiny OS嵌入 式操作系统.以满足上述方案设计中硬件系统各组 成模块的需求 4结论 Tiny OS操作系统是以组件为构成元素的开放 本文针对山区高速公路边坡监测的实际需要. 源代码操作系统.与传统操作系统不同的是其基于 在国内首次将无线传感器网络技术应用于边坡稳定 构件(COBponent—based)的架构使得软件的快速更 性监测.实现了边坡监测的实时性、稳定性和经济 新成为可能.同时能够缩短受传感网络存储器 性的统一 目前,本方案已使用5~lO个无线传感器 的应用代码长度 Tiny OS操作系统的主要构件包 节点在交通部公路交通试验场完成各模块的通讯测 括网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据识 试以及模拟组网调试试验.充分证明了方案设计能 别工具,支持无线传感器节点的数据采集、收发。 够满足边坡稳定性实时监控的需要。 在节能方面.其良好的电源管理源于事件驱动执行 在未来的工作中.将深入研究如何提高硬件和 模型,该模型也允许时序安排具有灵活性。 软件的稳定性,以保障系统的高效运行。同时,将 3.2系统软件流程 深入研究多传感器的数据融合算法,开发更加合理 在系统软件平台设计中.无线传感器节点间的 有效的边坡稳定性预警预报上层管理软件,以提高 通信机制是重点.如何合理设计节点间的收发数据 高速公路边坡养护管理水平。 . 机制从而有效实现节能是整个方案设计必须要解决 参考文献 的关键问题。软件功能主要包括数据采集和处理、 【1】WAN AZIZ W A,KHAMARRUL A R.An Appro— 路由算法的实施以及无线传输 priate GPS Technology for Landslide Monitoring at 应用层面的系统软件流程如图5所示。在网络 East-west Highway[R].Kuala Lumpur:Faculty of Ge- 初始化和通信信道选择阶段后.无线传感器节点开 oinformation Science&Engineering University Tech— 始进入对周边的物理环境进行数据采集的流程。首 nology Malaysia,2003. 先,根据系统设定.为了达到网络节能的目的,节 f21丁勇,施斌.崔何亮,索文斌,刘杰.光纤传 点将处于低功耗状态直至收到数据采集请求后被激 感网络在边坡稳定监测中的应用研究fJ].岩土工程 活.在数据采集过程中,数据完整性校验贯穿始 学报,2005,(3):338—342. 终。然后.节点实时比较所采集数据与预先设定的 『31崔莉,鞠海玲,苗勇,等.无线传感器网络研 阈值的大小.如果数据超出程序预先设定的阈值, 究进展.计算机研究与发展fJ1.2005,42(1):163— 图像传感器将被激活以拍摄现场的视频数据,且数 174. 据将被实时传输到远程控制中心:如果未超出阈 [4]Hiroshi Aoki,Steven D Glaser,Jirou Ikegawa, 值.传感器节点将继续采集和传输本地数据至基 Shingo Bouda,Miki Kazuhide.Development and ap- 站。最终,所有数据将在控制中心汇总分析,以辅 plication of a wireless sensor network for ground moni- 公路工程水污染对湿地的 响 及 保护对策{ 赵康 (南京林业大学土木工程学院,江苏南京21o037) 摘要:湿地是分布广泛、种类繁多、功能多样的重要生态资源,是人类主要的生存环境之一。公路是国民经济的基础设 施,是点多、线长的工程项目。正因为各自的这些特点,现实中,公路建设与湿地保护经常发生矛盾。故分析公路工程建设 各阶段对湿地环境的影响,并探讨保护措施,能为解决这一矛盾提供有益的帮助。 关键词:公路;湿地;水污染 中图分类号:U412 文献标识码:A 文章编号:1002—4786(2008)l1-0038—05 Impact of Highway Engineering Water Pollution on Wetland and Its Protective Measures ZHA0 Kang (College of Civil Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China) Abstract:Wetland is an important ecological resource being of a great variety of sort and various functions which is widespread,it is one of the main living environments of human.While Highway is an infrastructure of national economy and it is an engineering project being muhipoint and having long length. Therefore,highway consturction is often incompatible with wetland protection in highway consturction.So, analyzing the impact of each stage of highway engineering consturction on wetland environment and discussing the protective measures will provide help for solving the contradiction. Key words:highway;wetland;water pollution 湿地是一种分布广泛、功能 原、沼泽、池塘、水库、拦河 存和发展的重要环境之一。湿地 独特的生态系统。根据《湿地公 坝、鱼塘、盐田、水稻田、灌溉 不仅为人类提供多种多样的动物 约》的定义.湿地生态系统主要 地等各种天然的和人工的生态系 和植物资源,而且具有抵御洪 包括:近海和海岸湿地、河流、 统。湿地是自然界最富生物多样 水、调节径流、蓄洪防旱、降解 淡水湖、成水湖、泥炭地、苔 性的生态景观和人类社会赖以生 污染、调节气候、控制土壤侵 寺・夺.÷.-#-.寺.÷.‘}. .夺.幸・夺.夺.÷.夺.牛.÷.牵・夺・夺.孛.÷.孛・夺・夺・孛・争・夺・‘:>・夺・々・辛-毒・夺・夺・争・夺・寺・夺・寺・夺・々・夺・÷・<I>- ̄--4-・ toring[J].Journal of the Society of Instrument and Con- 04—20 trol Engineers,2007,46(2):1-5. 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)《基于泛在网 『5]Evan Andrew Garich,B.S.Wireless,Automated 络技术的道路设施及灾害信息采集与融合}(2006AA1 1Z1 12) Monitoring for Potential Landslide Hazards[D].Oregon: 作者简介:赵丽(1979一),女,助理研究员,现在交通部公 Portland State University,2007. 路科学研究院国家智能交通系统工程技术研究中心任职, [6]Crossbow,Wireless Sensor Networks:Processor/ 主要研究方向为智能交通与交通安全。 Radio Modules[EB/OL].http://www.xbow.com,2008- 收稿日期:2008—05—16 

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