，，

(西安工业大学 电子信息工程学院，西安 710021)

引 言

危岩危石等边坡地质灾害因其多发性、突发性、随机性、灾害发生时生存周期短的特点，长期以来，一直威胁着公路铁路运行安全，给公路/铁路运营部门的工作造成不便。传统的工程防护手段并不能完全解除危岩危石对公路/铁路安全运行的威胁,因此危岩危石监测是保障运行安全的最后屏障[1]。

目前常用的监测方法主要有3种：基于视频监测[2-3]系统虽然造价低廉，但视频数据不仅存储量大、易受恶劣天气及周边环境影响，存在一定比例的误报；基于红外激光[4]的危岩危石监测系统虽能在夜间及恶劣天气下工作，但系统仍会受到飞鸟及动物干扰而存在误报，且不能监测越过行车界限的危石；光纤光栅振动探测方法[5-7]虽然能全天24小时工作，但系统需要沿监测路线布设大量光缆线路，多达数十公里，监测效率低，布设传感器数量较大，日常作业时，路基两侧需挖沟布线，施工不便。

公路/铁路边坡防护应与物联网技术相结合，充分发挥无线通信的技术优势，发展远程监测系统是边坡危岩危石的发展要求。为满足公路/铁路边坡危岩危石监测需求，需要有较高的监测精度和实时性、分布式监测功能、方便安装布设等特性，因此本文提出一种采用姿态传感器，利用无线通信技术方法实现对公路/铁路边坡危岩危石的远程分布式监测。

1 系统结构

监测系统由两种功能设备组成：一种是危岩危石监测节点，负责采集危岩危石状态信息；另一种是分中心，功能是将周边监测节点数据利用2G/3G/4G网络传回监测中心。

危岩危石监测节点通过nRF24L01无线模块将报警信息发送至分中心，分中心连接2G/3G/4G网络将周边监测数据传回监测中心，系统结构图如图1所示。

图1 危岩危石监测系统结构图

2 硬件设计

系统监测节点原理框图如图2所示，采用I2C通信协议获取危岩危石监测传感器MPU9250的九轴信息，经内置运动处理引擎(DMP)处理后，提取危石姿态四元数，解算危岩危石姿态，用nRF24L01模块将危岩危石九轴信息(加速度、角速度、磁场强度)和姿态信息发送到分中心，分中心将信息传回监测中心，系统采用太阳能充电或者超级电容供电。

图2 系统监测节点硬件原理框图

(1)

(2)

① 供电。供电系统采用单晶体太阳能电池板，尺寸为84 mm×39 mm×2 mm，充电最大电流为100 mA、工作在5.5 V的SC5R5105Z-H型超级电容组，电容大小为20 F。

② 采集。危岩危石状态监测采用Invensen公司的MPU9250九轴姿态传感器模块，其由三轴加速度、三轴陀螺仪、三轴磁力计组成，在加速度低功耗模式下，检测到高于系统设定值的轴向运动数值时，触发中断(INT引脚输出高电平，持续周期为0.98 Hz)唤醒系统主控制器，发送预警信息。

③ 主控制器。系统采用STM32L476完成系统危岩危石信息处理，其具有低功耗、高性能等特点，工作状态下电流消耗为10 mA。

④ 传输。监测节点与分中心通信采用nRF24L01近距无线通信技术实现，覆盖半径为1 km，分中心与监测中心的数据交互采用SIM7600CE模块，其是一款小体积、高性能的2G/3G/4G无线通信模块。

3 系统软件程序设计

系统工作流程图如图3所示，STM32L476完成系统算法执行。系统软件分为两种工作模式：正常工作模式下，系统定时执行测量、上报任务；系统在正常工作模式的休眠期，进入危石滚落报警模式，一旦危石滚落触发运动中断唤醒系统，监测节点立即采集一组危岩危石状态信息，并将测量数据传输到分中心，分中心上报数据给监测中心，通知相关人员危石滚落位置、方向信息，否则休眠等待下一次定时任务。

图3 系统软件流程图

3.1 正常模式

(3)

由此可以解算出危岩危石姿态角，其中俯仰角范围为-90°～+90°，航向角范围为-180°～+180°。

3.2 危石滚落报警模式

图4 危石滚落报警模式下工作流程

危石滚落报警模式下，采用MPU9250加速度低功耗运动唤醒功能实现系统休眠唤醒，发送危岩危石信息到分中心。工作流程如图4所示。

4 系统测试及数据处理

模拟危石滚落过程，多次采集危石状态信息，发送至分中心，分析从“唤醒-采数-传输-报警”全过程的时间和能量消耗，并将得到的危岩危石九轴信息及姿态角数据导入到Matlab中分析。

4.1 危石滚落报警模式耗时分析

当传感器感知到危石滚落，触发运动中断唤醒MCU，测量一组危岩危石状态数据将其发送至分中心，分中心将其传回监测中心。在“唤醒-采集-传输-报警”过程中，姿态解算耗时如表1所列。

表1 危岩危石姿态角解算数据耗时(单位：ms)

表2所列为危岩危石监测系统在危石滚落报警模式各阶段耗时统计，耗时共计147.71 s，即完成将报警信息发送至分中心，确保有效传输监测数据，经分中心2G/3G/4G网络远程传回监测中心。结果表明，系统传输耗时主要集中于数据远程传输的入网和注册过程，相比于“监测节点-监测中心”结构，系统采用“监测节点-分中心-监测中心”结构，提高了监测节点信息发送成功率，将危岩危石信息及时发送出去，避免因滚落过程中的物理损伤使得信息发送失败，节点失去实时传输监测数据的能力。

表2 危石滚落报警模式各阶段耗时

4.2 系统功耗及工作时间测试

软/硬件配合完成低功耗方案如下：

① nRF24L01选择合适的发送功率，0 dBm发射功率最大，但同时电流消耗也是最大。

② 监测节点的nRF24L01、MPU9250大部分情况处于休眠或掉电状态。

③ 危石滚落报警模式阶段，主控制器待机状态只保留RTC时钟，系统时钟及wakeup引脚工作，切断其余所有外设供电。

危岩危石监测系统各部分电流消耗如表3所列，经测量，监测节点电流消耗为25.9 mA。直接使用SIM7600CE远传模块传输的电流消耗为252.3 mA，监测节点的功耗减少82%。分中心节点电流消耗如表4所列。

表3 监测节点危石滚落报警模式系统性能分析

表4 分中心节点电流消耗

计算说明：

最长待机时间=(最大电荷量-残余电荷量)/系统休眠电流/3600 单位：小时

工作放电时间=(最大电荷量-残余电荷量)/工作电流 单位：秒

根据表5的计算及实际工作验证，一次性充电，系统最大待机时间约为37天。待机状态系统电流消耗约为0.009 mA,低功耗特性较好，能够适应长期监测要求。

表5 太阳能供电+超级电容供电系统参数

4.3 危岩危石姿态采集精度分析

图5所示为监测中心接收到的远程危石测试数据，数据依次是加速度、角速度、姿态角等。

图5 远程监测中心危岩危石监测数据

STM32L476平台解算的危岩危石静态横滚角和俯仰角数据如图6所示，实验采集数据连续测量30分钟，据统计分析，俯仰角和横滚角的解算精度分别优于0.3°和0.2°。实验结果表明，经DMP处理后，解算得到的危岩危石横滚角和俯仰角精度相对较高，能够满足姿态测量需求。

图6 DMP解算得到危岩危石姿态俯仰、横滚角

磁力计校准后航向角数据如图7所示。实验表明，经校准后解算得到的危岩危石的航向角精度优于0.3°。

图7 融合磁力信息后的危岩危石航向角

由此可知，监测节点获取的危岩危石姿态角精度较好，可以作为滚落验证标准，辨别是否误报。

结 语