基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的巖體聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)

摘 要: 在分析了現(xiàn)有巖體聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)存在局限性的基礎(chǔ)上，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和壓縮感知技術(shù)，設(shè)計了一種新型巖體聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)，詳細(xì)敘述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟硬件實(shí)現(xiàn)方法,并將其應(yīng)用于高速公路巖體邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計方案合理可行，且由于使用了壓縮感知技術(shù),在采樣頻率為200 kHz的情況下，也可實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號原始測量數(shù)據(jù)和特征參數(shù)的遠(yuǎn)程、實(shí)時、可靠的無線傳輸。
關(guān)鍵詞: 巖體聲發(fā)射；巖體穩(wěn)定性；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；音頻；壓縮感知

巖體受力被破壞之前，持續(xù)以聲波形式釋放積蓄的能量[1]，這種巖體聲發(fā)射信號包含著巖體內(nèi)部狀態(tài)變化的豐富信息，可為分析、預(yù)測巖體穩(wěn)定性等研究提供依據(jù)[2]。為實(shí)現(xiàn)巖體聲發(fā)射信號的可靠采集，技術(shù)人員利用聲發(fā)射特征參數(shù)分析法，設(shè)計了用于不同場合的巖體聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)[3-4]。
隨著人們對巖體聲發(fā)射現(xiàn)象研究的深入，越來越多的研究結(jié)果表明,現(xiàn)有巖體聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)存在以下不足[1,5]：(1)巖體聲發(fā)射信號受多種因素影響，聲發(fā)射特征參數(shù)不能完全反映實(shí)際巖體聲發(fā)射信號的變化規(guī)律；(2)巖體聲發(fā)射信號微弱且極易受到干擾，導(dǎo)致聲發(fā)射特征參數(shù)計算存在誤差，且誤差范圍難以確定；(3)使用有線電纜連接傳感裝置和監(jiān)控計算機(jī)，當(dāng)傳感裝置和監(jiān)控計算機(jī)距離較遠(yuǎn)、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量較多、監(jiān)測點(diǎn)經(jīng)常變動時，布線、供電、維護(hù)等變得困難且成本急劇增加；(4)頻率響應(yīng)范圍僅為20 Hz~20 kHz，難以滿足不同巖體工程需要；(5)數(shù)據(jù)傳輸速率為2.4~38 Kb/s，難以完整、實(shí)時傳輸測量數(shù)據(jù)。
針對上述問題，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[6]和壓縮感知技術(shù)[7]，本文提出一種新型巖體聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用無線通信網(wǎng)絡(luò)連接各聲發(fā)射信號監(jiān)測點(diǎn)，使用壓縮感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)原始測量數(shù)據(jù)的壓縮存儲與遠(yuǎn)程傳輸，可有效滿足實(shí)際應(yīng)用要求。
1總體設(shè)計
1.1 需求分析
聲發(fā)射信號傳感器的頻率響應(yīng)范圍應(yīng)覆蓋巖體聲發(fā)射信號頻率范圍(約為200 Hz~80 kHz)。對于特定靈敏度的聲發(fā)射信號傳感器，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用來估算有效接收范圍，且盡量安放在聲源點(diǎn)附近。巖體聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)除了傳遞聲發(fā)射信號特征參數(shù)外，還應(yīng)傳送原始測量數(shù)據(jù)到監(jiān)控計算機(jī),應(yīng)使用無線網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)中的各個模塊，以滿足監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量變化、監(jiān)控點(diǎn)移動、功能擴(kuò)充等需求，且應(yīng)該減少系統(tǒng)安裝、布線、維護(hù)工作量。此外，巖體聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該具有性價比高、可靠性和靈活性都強(qiáng)、適應(yīng)性廣泛及安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。
1.2 總體設(shè)計
需求的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵是無線傳輸大流量測量數(shù)據(jù)。針對該難點(diǎn)，研究人員從傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計等角度[8-9]提出一些方案，但這些方案難以處理高頻聲音信號，難以實(shí)現(xiàn)聲信號遠(yuǎn)程傳輸，且系統(tǒng)成本較高。受現(xiàn)有方案啟發(fā)，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、壓縮感知等技術(shù)，本文提出如圖1所示的巖體聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由采集節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控主機(jī)和連接三者的無線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。
2 硬件設(shè)計
2.1硬件體系結(jié)構(gòu)
硬件設(shè)計主要是開發(fā)采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn),為實(shí)現(xiàn)較大流量聲音數(shù)據(jù)的存儲、計算和傳輸，節(jié)點(diǎn)應(yīng)具備較豐富的計算、存儲、帶寬等資源，本文設(shè)計的傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。節(jié)點(diǎn)主要由主板、通信模塊、傳感器模塊構(gòu)成。傳感器模塊實(shí)現(xiàn)巖體聲發(fā)射信號采集、前置放大和濾波。主板對傳感器模塊輸出信號進(jìn)行采樣、處理，并實(shí)現(xiàn)存儲、通信、電源等管理功能。通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)和網(wǎng)絡(luò)硬件管理。節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計，在主板上擴(kuò)展不同電路模塊，可分別實(shí)現(xiàn)采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的功能。

2.2 傳感器模塊設(shè)計
采集巖體聲發(fā)射信號的傳感器模塊如圖3所示。聲/電轉(zhuǎn)換傳感器采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷環(huán), 其靈敏度為5 mV/pa，頻率響應(yīng)范圍為10 Hz~90 kHz。前置放大器為AWA14604。聲/電傳感器、前置放大電路和連接電纜被封裝在直徑30 mm、長度100 mm的外殼中，構(gòu)成傳感器探頭，以便安裝時可盡量接近聲源點(diǎn)。前置放大器頻率響應(yīng)范圍為5 Hz~100 kHz,輸入阻抗≥2 GΩ，電壓增益為40 dB，輸出阻抗≤50 Ω,傳感器探頭輸出信號經(jīng)帶通濾波器送入主放大器LMV822,主放大器電壓增益為20~60 dB，頻率響應(yīng)范圍為10 Hz~200 kHz,主放大器將輸入信號放大到伏特級后送入主板ADC。

2.3 通信模塊設(shè)計
通信模塊選用支持ZigBee協(xié)議的低功耗射頻模塊MRF24J40MB,其數(shù)據(jù)通信速率為250 Kb/s，工作頻段為2.40~2.48 GHz,典型靈敏度為-102 dBm,最大射頻輸入為-23 dBm，典型輸出功率為+20 dBm，發(fā)送功率控制范圍為56 dB，射頻覆蓋范圍為1 300 m，采用SPI接口與主板連接。
匯聚節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)實(shí)際情況配置其他通信模塊，以便與監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本文使用WCDMA通信模塊EM770W建立匯聚節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控主機(jī)的連接。EM770W內(nèi)置有TCP/IP協(xié)議棧，支持GSM、GPRS和HSDPA多種工作模式。HSDPA模式下的上行通信速率可達(dá)到2 Mb/s，下行通信速率可達(dá)到7.2 Mb/s。GPRS模式下的上行和下行通信速率均可達(dá)到236.8 Kb/s。通過標(biāo)準(zhǔn)串行口與主板連接，主板使用AT指令集控制該模塊。
2.4 主板設(shè)計
　主板是整個節(jié)點(diǎn)的硬件核心，主要由處理器、外部存儲、電源和擴(kuò)展接口等單元電路構(gòu)成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

考慮到主板要對聲音信號實(shí)時采集和處理，還要連接各種擴(kuò)展電路模塊，因此，主板硬件核心選用32 bit數(shù)字信號處理器TMS320F2812。其工作頻率最高150 MHz，集成了256 KB的Flash、36 KB的SRAM，16通道12 bit精度ADC，SPI、UART等外設(shè)。利用TMS320F2812的集成外設(shè),主板擴(kuò)展了2 MB的SRAM芯片CY7C1061、32 KB的EEPROM芯片25LC256等資源，以滿足大流量數(shù)據(jù)暫存、工作參數(shù)永久存儲等需要。
　各模塊電路所需電源由主板提供,支持12~36 V電池供電；所有電源變換使用DC/DC芯片以提高轉(zhuǎn)換效率。匯聚節(jié)點(diǎn)中供給WCDMA模塊的電源使用了LDO芯片MIC29302，以提供1.6 A大電流；利用LM393構(gòu)建欠壓保護(hù)電路，當(dāng)電池電壓過低時，以中斷方式提醒節(jié)點(diǎn)保存數(shù)據(jù)且發(fā)送報警信號給監(jiān)控主機(jī)。
3 軟件設(shè)計
　根據(jù)應(yīng)用需求和硬件構(gòu)成，系統(tǒng)軟件主要包括監(jiān)控分析軟件和數(shù)據(jù)采集軟件兩部分。
3.1 監(jiān)控分析軟件
　監(jiān)控主機(jī)通過串行口連接通信模塊EM70W，與巖體工程現(xiàn)場的匯聚節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)。監(jiān)控主機(jī)運(yùn)行的監(jiān)控分析軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)網(wǎng)絡(luò)管理。將用戶指令(節(jié)點(diǎn)開關(guān)機(jī)、采樣頻率設(shè)置等)發(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)。(2)信號分析。對接收到的聲發(fā)射信號數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重建、頻譜分析、聲源點(diǎn)定位等處理。(3)輔助功能。實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)存儲、故障報警等功能。
3.2 數(shù)據(jù)采集軟件
　運(yùn)行在傳感器節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)采集軟件采用C語言和匯編語言編寫,在TI公司的數(shù)字信號處理器集成開發(fā)環(huán)境CCS3.1中進(jìn)行編譯和調(diào)試，并通過編程器SEED-XDS560PLUS將編譯好的目標(biāo)代碼寫入TMS320F2812的片上Flash存儲器中。數(shù)據(jù)采集軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　為降低軟件開發(fā)難度、提高運(yùn)行實(shí)時性和資源管理效率,以便于擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)功能，數(shù)據(jù)采集軟件使用了嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)?滋C/OS-II和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧[10]。在這些商業(yè)軟件的支持下，信號采集、數(shù)據(jù)壓縮、網(wǎng)絡(luò)通信等應(yīng)用功能都可實(shí)現(xiàn)為受μC/OS-II管理的、具有不同優(yōu)先級的任務(wù)函數(shù)，各任務(wù)函數(shù)的編寫、調(diào)用如圖6所示的有限狀態(tài)機(jī)模型進(jìn)行。

3.3 數(shù)據(jù)壓縮與恢復(fù)算法
　為減少采集節(jié)點(diǎn)能耗，充分利用有限帶寬資源，采集節(jié)點(diǎn)需對大流量聲發(fā)射信號測量數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以計算量增加換取數(shù)據(jù)通信量減少。因此，軟件設(shè)計的重要內(nèi)容就是數(shù)據(jù)的壓縮與恢復(fù)算法的選擇和實(shí)現(xiàn)。
　現(xiàn)有數(shù)據(jù)壓縮算法難以直接移植到資源有限的采集節(jié)點(diǎn)上[11]，因此，在參考文獻(xiàn)[12-14]基礎(chǔ)上，本文使用壓縮感知技術(shù)來實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的壓縮、傳輸和重構(gòu)。壓縮感知技術(shù)的核心思想如下：


　式(5)是一個凸優(yōu)化問題，可方便地化簡為線性規(guī)劃問題，利用內(nèi)點(diǎn)法、梯度投影法、二階圓錐規(guī)劃、匹配追蹤法等方法求解，實(shí)現(xiàn)原始測量數(shù)據(jù)的精確重構(gòu)。
　在本文設(shè)計中，稀疏基選擇快速傅里葉變換，測量矩陣選擇高斯隨機(jī)矩陣，信號恢復(fù)算法選擇內(nèi)點(diǎn)法；信號維數(shù)、觀測值維數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定；式(1)、式(2)的計算在采集節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，而式(4)、式(5)的計算在監(jiān)控主機(jī)上完成。
4 現(xiàn)場應(yīng)用
4.1現(xiàn)場條件
　將本文設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)用在某高速公路一段存在垮塌隱患的邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測現(xiàn)場?，F(xiàn)場配置了13個采集節(jié)點(diǎn)，1個匯聚節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)；采樣頻率為200 kHz、采樣精度為8位，聲發(fā)射事件預(yù)置閾值電壓為0.2 V，大事件預(yù)置閾值電壓為0.5 V；監(jiān)控主機(jī)選擇具有最大聲發(fā)射事件率的采集節(jié)點(diǎn)傳輸原始測量數(shù)據(jù)；WCDMA模塊與監(jiān)控主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸使用HSDPA方式；采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)配置9 V/9 Ah鋰電池，匯聚節(jié)點(diǎn)配置12 V太陽能電池；節(jié)點(diǎn)間時間同步、網(wǎng)絡(luò)地址分配等方法同參考文獻(xiàn)[10,15]。
　系統(tǒng)運(yùn)行前，現(xiàn)場讀取一段聲發(fā)射信號原始測量數(shù)據(jù)，在計算機(jī)上對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮與恢復(fù)，以驗(yàn)證壓縮與恢復(fù)算法性能并確定信號維數(shù)N和測量值維數(shù)M。系統(tǒng)運(yùn)行后，將現(xiàn)場讀取的聲發(fā)射信號原始數(shù)據(jù)與監(jiān)控主機(jī)的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以驗(yàn)證系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號測量數(shù)據(jù)（特別是數(shù)據(jù)量較大的原始測量數(shù)據(jù)）的可靠傳輸。
4.2 使用結(jié)果
　主要測試結(jié)果如圖7~10所示。從圖7、圖8可以看到，壓縮感知技術(shù)能對原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行較大壓縮，采樣數(shù)據(jù)個數(shù)越多，壓縮效果越明顯。然而，較大地占用了更多的存儲空間，式(1)~式(5)的計算也變得復(fù)雜。觀測值個數(shù)M越多，信號恢復(fù)誤差越小，當(dāng)M達(dá)到一定數(shù)量時，M再增加并不會使信號恢復(fù)誤差顯著降低。因此，本文設(shè)定N=1 024，M=74。

　　圖9給出了現(xiàn)場記錄的原始聲發(fā)射信號與監(jiān)控主機(jī)接收到的聲發(fā)射信號之間的對比，二者并無明顯差別。圖10給出了任意24 h之內(nèi)，采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出的每一個數(shù)據(jù)包到達(dá)監(jiān)控主機(jī)的平均延遲時間曲線，所有數(shù)據(jù)包的延遲時間均小于2.5 s。從而表明本文系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射信號測量數(shù)據(jù)的實(shí)時、可靠傳輸。
本文對現(xiàn)有巖體聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)的不足進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和壓縮感知等技術(shù)，提出一種新型巖體聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，詳細(xì)給出了系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計方法，并將其應(yīng)用于高速公路邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測中。測試結(jié)果表明了該系統(tǒng)設(shè)計方案的合理性和可行性。與現(xiàn)有巖體聲發(fā)射信號監(jiān)測系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)不但支持聲發(fā)射信號原始測量數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸，同時具有適用范圍廣、擴(kuò)展性好、靈活性高、維護(hù)方便等特點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
[1] 李俊平, 巖石（體）聲發(fā)射特征綜述[J]. 科技導(dǎo)報,2009, 27(7):91-96.
[2] 李金河, 玉國進(jìn).永久船閘邊坡穩(wěn)定性聲發(fā)射監(jiān)測[J].巖土力學(xué),2001,22(4):478-480.
[3] 劉國清, 李海雄, 張慶法.基于單片機(jī)的智能巖體聲發(fā)射監(jiān)測多用儀[J]. 礦業(yè)研究與開發(fā), 2004, 24(2):55-56.
[4] 張銀平. 巖體聲發(fā)射監(jiān)測定位系統(tǒng)方案的改進(jìn)設(shè)計[J]. 礦冶, 2002, 11(2):9-15.
[5] 李俊平, 周創(chuàng)兵.巖體聲發(fā)射特征實(shí)驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2004,25(3):374-378.
[6] CULLAR D, ESTRIN D, STRVASTRV M. Overview of sensor networks[J]. Computer, 2004,37(8):41-49.
[7] DONOHO D. Compressed sensing[J]. IEEE Transactions. Information Theory, 2006,52(4):1289-1306.
[8] 徐志生, 孫玉硯, 李立群,等. 面向聲音監(jiān)測的多媒體傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報, 2008,
21(11):1876-1880.
[9] 馬華東, 陶丹.多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)及其研究進(jìn)展[J].軟件學(xué)報, 2006, 17(9):2013-2028.
[10] FLOWERS D, OTTEN K. ZigBee wireless networking protocols user programming guide[M]. Dallas: Microchip Company, 2008:58-210.
[11] 董輝, 盧建剛, 孫優(yōu)賢.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布式小波壓縮[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報, 2007, 20(11):2481-2486.
[12] CANDES E, ROMBERG G J, TAO T. Robust uncertainty principles: Exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information[J]. IEEE Transactions. Information Theory, 2006,52(4):489-509.
[13] DONOHO D, TSAIG Y. Extensions of compressed sensing[J]. Signal Processing, 2006, 86(3):533-548.
[14] JARVIS H, WAHEED U, MICHAEL R, et al, Compressed sensing for networked data[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2008,25(3):92-101.
[15] 韓安太, 郭小華.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的LQR輸出反饋控制器設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制, 2009,17(1):53-56.