基于MEMS慣性傳感器變形監測系統研究

徐云乾,袁明道,包騰飛,潘展釗,李培聰,李 昊

(1.河海大學 水利水電學院,江蘇 南京 210098;2. 廣東省水利水電科學研究院,廣東 廣州 510635;3. 陽江核電有限公司,廣東 陽江 529941)

0 引言

水庫大壩是水防御、水資源優化配置、能源供應和調節、農業灌溉、水生態水環境維持等必不可少的重要基礎設施,大壩失事對于公共安全影響巨大。大壩表面變形監測是壩體安全監測重要的項目之一。目前對于壩體變形監測,大多采用水管式沉降儀、滲壓計、靜力水準儀、振弦式傳感器及光纖測斜儀等進行監測[1-4],但是整體系統安裝部署復雜[ 5-7]。近年來,隨著微機械芯片制造技術的快速發展,微機電系統(MEMS)慣性傳感器被廣泛應用于電力、橋梁、邊坡等基礎設施安全健康監測中[8]。目前處于實現自動化監測向高精度發展階段,監測精度低于傳統人工測量精度,且還有諸多工程應用問題尚未解決[9-10],無法滿足野外無人環境下快速部署、長時間、高頻次自動化監測及大范圍部署的應用需求。

本文針對以上實際應用需求,基于無需外源信息的MEMS慣性傳感器,通過魯棒簡潔的結構設計、開源節流的能量供應設計、無限拓展的通信覆蓋網絡設計,建立起野外無人值守環境下的自主高精度變形監測系統。

1 系統概述

如圖1所示,變形監測系統核心組件有云端、網關和終端。終端從MEMS傳感器中獲取原始數據,經過基于卡爾曼濾波的優化算法后解算終端姿態角,將新數據進行通信鏈路格式化處理,經歷一系列的重封裝、壓縮、加密等數據處理操作,數據被送入通信鏈路,經最近的網關上報至云端。

圖1 系統拓撲圖

終端按功能劃分有主控單元、傳感單元、人機交互單元、存儲單元、供能單元及通信單元。主控單元承擔終端工作邏輯實現、信息交互、原始數據解算等,是整個終端的核心控制所在。傳感單元包含MEMS加速度計、陀螺儀和磁力計3種傳感器,為整個系統提供原始的物理數據,是整個終端的基礎。人機交互單元指示終端的工作狀態,并響應對終端的操作,為觀察和控制終端提供窗口。存儲單元主要用于緩存各種類型數據。供能單元以低功耗的調度策略為整個終端供電,并在有效照射時間中利用太陽能進行補能。通信單元對接網關,建立通信鏈路,將處理好的數據發送到網關。

2 網絡架構

2.1 星形組網拓撲

與常規壩體的無線傳感器部署不同[11-12],變形監測系統常部署在通信條件受限的無人或近無人區域,這對通信鏈路提出了較高的要求。本文基于LoRa調制技術作為物理層,以星形拓撲自組網的形式,建立了整個變形監測系統網絡鏈路。每個監測區域以網關進行標定(見圖1),每個網關所覆蓋的區域被劃定為一個監測區域,每個監測區域內有多個監測終端。本系統中存在終端、網關和云端。

終端包含一個通信單元,該通信單元在物理上同時存在于網關中。其物理實現均基于LoRa無線通信技術,具有功耗低,距離遠及組網方便的特點,已廣泛應用于物聯網通信中,這里的終端和網關間的通信是基于LoRa無線通信技術實現。終端中主控單元將數據打好后,通過LoRa通信網絡發送給網關。

網關承上啟下,對下接收覆蓋范圍內的所有終端上行數據,下發各類查詢和控制指令。對上將所有的終端數據進行解包,再重封裝轉發到云端,接收并分解云端的查詢和控制指令。因此,網關具有數據量大,直接對接云端服務器,長時間在線等特點,本文采用蜂窩無線網絡和云端通信。

2.2 重覆蓋節點

監測區域的部署和劃分與業務的關系較大,根據監測需要和監測范圍的覆蓋大小,每個監測點位的網絡拓撲除需考慮自身體系外,還會涉及物理位置相鄰的系統。如圖1所示,監測點位2、3的中間終端(虛線框內),該終端同時被兩個監測區域覆蓋。該終端上行的數據會同時被監測點位2、3的網關接收,這兩個網關同時會將該終端上行的數據上報云端,云端系統接收到2條同樣時間戳的終端數據時,會隨機刪除1條,只保存1份。以此實現了終端的任意自組網,這不僅有利于現場施工安裝,去掉了配網、聯網、強綁定等過程,更可有效地解決某個監測區域終端過多,超出網關覆蓋范圍時,同一個監測區域部署多臺網關的問題。

網絡架構的實際部署情況需要結合應用現場情況,因地制宜的進行設計部署。

3 工程實現

3.1 傳感單元

MEMS慣性傳感器是一類基于MEMS技術制造的、能將慣性相關物理量(如加速度、旋轉等)轉變為另一類物理量(主要是便于測量的電學量)的器件。本文采用1個高精度MEMS加速度傳感器和1個MEMS陀螺儀傳感器(見圖2),其與主控單元間使用I2C通信協議進行數據通信,I2C協議是一種雙向同步串行總線協議,被廣泛應用于數據傳輸速度要求不高、多設備同時掛載的場景中。

圖2 傳感器電路圖

由于監測環境一般處于靜止狀態,高精度MEMS加速度傳感器可以有效地測量出重力在各個軸向的分量,以此可快速計算出靜止狀態下終端的傾斜角度。但如果終端發生傾斜或突然運動,在與運動方向不相垂直的軸向上會疊加運動加速度,這將導致角度解算出錯。因此,陀螺儀通過測量角速度后短時積分可以進行補償。

3.2 供能調度

變形監測系統要求長時間無人自主工作,現場維護的成本較大,因此,能量消耗、調度策略和有效補能非常重要。

3.2.1 能量消耗

按休眠或低功耗實現形式,功耗可將各單元分為:

1) 電源完全斷開類(如人機交互單元和通信單元等)。其在休眠過程中可以完全斷開電源,等待主控單元根據調度策略重新上電即可。

2) 切換到低功耗工作模式(如傳感單元和主控單元)。正常情況下,周期數據上報后,主控單元逐個操作其他單元進入低功耗模式,最后自己也進入休眠模式。此時,傳感單元一直持續監測,在終端感受到突然發生的加速度變化時,觸發振動喚醒中斷,喚醒主控單元,進入工作狀態。

終端整個運行周期的運行狀態可分為就緒、采集、通信和休眠。就緒狀態是指設備各項外設自檢通過,所有單元準備就緒的狀態,該狀態下任何的外界刺激都會進行響應。采集狀態是指主控單元對MEMS慣性傳感器進行數據采集、提取、解算和通信前打包等,包括數據從傳感器物理量到待通信之間的所有狀態,在該狀態下某些外界刺激不會有響應,如云端下發指令。通信狀態是指主控單元發送數據到網關或網關下發指令到終端的全過程,該狀態下,從云端看設備處于即時響應狀態,從云端到終端的全通信鏈路完全接通,下發任何指令都會實時響應。休眠狀態是指終端除處于低功耗模式的主控單元和監測狀態變化的傳感單元外,所有其他單元和外設均處于休眠或斷電狀態,此狀態下僅響應主控單元的定時喚醒機制或傳感的振動喚醒,功耗可達微安級。

3.2.2 調度策略

調度策略方面,上電后,終端立即開始自檢并對所有單元初始化,完成后終端處于就緒狀態,此時有3個觸發源可切換終端的狀態至采集狀態:

1) 采集周期到,終端在正常工作狀態會固定周期進行數據采集。

2) 云端下發了數據請求指令后,主控單元進行解析,完成后進行數據采集。

3) 振動喚醒后,完成設備的就緒立即開始采集。

如果在就緒狀態下保持一定的時間無任何操作,設備將進入休眠模式。休眠模式下,功耗極低,僅在采集周期到和振動喚醒中斷觸發情況下喚醒設備,設備喚醒后馬上開始各外設的初始工作,立即進入采集狀態,此過程無法被打斷,享有較高的優先級。

3.2.3 有效補能

有效補能針對變形監測系統主要應用于野外無人露天場景的特點,通過太陽能進行有效充電,考慮目前應用場景均處于北半球,故采用45°傾斜向南的方式以最大程度延長充電時間,具體細節將結合結構設計進行講解。

在硬件實現方面,為保證最大補能效率和最小系統干擾,該部分完全采用硬件電路實現,不經過任何的軟件控制。采用專業太陽能板鋰電池充電管理芯片,通過其充電電流自適應模塊,可以根據輸入電壓源的電流輸出能力自動調整充電電流,以便在任何微小的光照條件下均能進行有效補能。

3.3 通信單元

在傳輸過程中,由于現場各種復雜性,數據可能出現通信亂碼、數據丟失、數據幀間串碼等情況。為了提高通信穩定性,本文從信道活動檢測和通信協議兩個方面進行了設計。

3.3.1 信道活動檢測

信道活動檢測(CAD)是指在通信前檢測無線信道上的前導碼,信道空閑時再進行通信,若信道繁忙,則等待隨機時間后再進行通信。信道檢測可有效地避免一個網關對接多個終端時通信碰撞導致的丟包、串包問題。

可從芯片的數據手冊中得到DIO引腳在LoRa模式下的映射圖,如表1所示。即如果將DIO3寄存器配置為00,DIO1寄存器配置為10,DIO0配置為00,可實現通過不同的中斷來完成信道活動檢測的效果,即DIO3引腳中斷表示CAD檢測完畢,DIO1引腳中斷表示CAD活動檢測被檢測到,DIO0引腳中斷表示通信數據被接收。

表1 DIO引腳映射表

3.3.2 通信協議

通信協議通過校驗、幀頭、密鑰等手段可有效防止錯碼、亂碼和惡意破解等問題。表2為通信協議各字段定義。表2中,幀頭是采用雙字節幀頭的方式作為數據的起點。幀長代表整個數據幀的完整字節長度。幀序為每個幀序號,用于雙方確認通信是否連續。發送者編號和接收者編號標識數據流向,以更好的優化網絡拓撲結構。時間戳標識數據時間,一方面是標注數據采樣時間便于應用分析,另一方面是重復覆蓋節點的數據去重。數據段分別是繞x、y、z3軸(具體定義參見結構設計小結)角度和x、y、z3軸重力加速度數據。校驗字段采用CRC16校驗對前述所有數據進行計算,以便接收方接收到數據后進行數據驗算。由表可知,當主控單元從傳感單元獲取到數據后,將按照表格定義進行打包,隨后通過通信單元發出。

表2 通信協議各字段定義

4 結構設計

針對變形監測系統主要應用于野外、露天等環境中,可能出現雨雪、冰雹、霧霾、高溫、暴曬、嚴寒、雷擊等惡劣天氣,結構設計必須考慮防雨、防曬、防塵、防腐蝕、防蟲蛇鼠咬等情況。本文提出的野外環境適應性加固技術(見圖3)如下:

圖3 變形監測系統結構設計圖及實際安裝圖

1) 變形監測系統設備整體采用增強型ABS工程塑料,該材料具有強度高,韌性好,易于加工成型的特點,可提高在陽光暴曬后的抗雨、抗冰雹能力。

2) 終端整體呈圓柱切削形成45°傾斜橢圓交線狀。斜面上布置補能太陽能板1塊,正下方設置人機交互區。安裝時,將太陽能板面朝正南方向,以最大化陽光照射時間。

3) 以右手笛卡爾坐標系建立終端坐標體系,拇指指向x軸正向,食指指向y軸正向,中指指向z軸正向。

4) 整個外殼完全密封,不留任何縫隙空間,防水等級達到IP68。

5) 在應用前加速生命周期,保證終端在面對溫度、水泡、振動極端變化時,穩定可靠。

5 應用及結果

2022年,在監測現場進行應用,監測區域1、2相距2.5 km。圖4為監測區域1的現場終端和網關部署圖。圖5為監測區域2的現場部署圖。該項目為水庫壩體變形監測,在背水坡多點分布安裝監測終端,多點同時監測坡體變形。由于兩監測區域間距較近,LoRa通信距離互相覆蓋,一方面形成冗余通信覆蓋,提高通信可靠性,另一方面將觸發重覆蓋節點機制。

圖4 監測區域1應用現場部署圖

圖5 監測區域2應用現場部署圖

近半年的試點應用過程中,兩監測區域終端上線率達100%。數據穩定性方面,按照每10 min上報周期,持續24 h不間斷上報,理論上報數據為338 688條,實際上報數據338 518條,數據丟包率約0.05%。

以監測區域1的監測終端5為例,對實驗結果進行數據分析,該數據取至2023年1月6日8點至1月10日3點,共計數據547條,圖6 為x、y、z軸角度隨時間變化曲線。圖7為x、y、z軸加速度隨時間變化曲線。由圖6可看出,在靜態場景下,解算出來的角度信息,穩定、連續、波動小,符合預期。由圖7可看出,z軸保持在重力加速度附近,其余兩軸由于安裝原因持續保持一定分量。

圖6 3軸角度曲線圖

圖7 3軸加速度曲線圖

6 結束語

本文設計了一個基于MEMS慣性傳感器的變形監測系統,其集傳感、采集、處理、通信、上云于一體。首先,通過星形組網的網絡架構,結合應用場景設計了重復覆蓋節點的網絡拓撲,形成了穩定可靠、不丟包、防干擾的數據鏈路。其次,針對惡劣條件、長時間無人值守等應用場景進行了硬件實現,分別對傳感單元、供能調度、通信單元進行了設計,并結合應用場景的工作條件、天氣情況等采用了外殼增強手段。最后,在實際的壩體變形監測現場進行了試點應用,有效地驗證了鏈路穩定性、設備可靠性,并陸續在廣東省200余個水庫進行了試點應用。今后,在獲取大量試點監測數據的基礎上,我們將繼續深入研究多點分布式部署終端的數據綜合分析和大壩安全監測健康度反演。