0 引　言

我国是地质灾害发生最为频繁的国家之一，其中，滑坡是我国当前发生次数最多、造成损害最大、最需要重视的地质灾害之一。现有的滑坡深部位移监测技术主要有：时域反射（TDR）技术、钻孔测斜仪技术以及分布式光纤感测技术^[1]。TDR技术利用同轴电缆在岩土体内部的不同位移处发生的弯曲时的阻抗特性变化，使得反射回来的电脉冲信号发生变化来反映岩土体内部的位移大小^{[2- 3]}。钻孔测斜仪技术通过下放测斜管，用测斜仪来测量测斜管沿线的倾角变化并用测斜管的垂直长度与倾角大小的三角函数关系近似得出岩土体内部的位移大小^[4-5]。分布式光纤感测技术利用激光脉冲在光纤中发生的布里渊散射，当光纤在岩土体内部的位移处发生应变时，该点的反向散射光频率会发生漂移，通过该反向散射光频率的偏移量与发出激光脉冲到接收反向散射光的时间间隔，即可得出岩土体内部的位移大小^[6-7]。虽然这些深部位移监测技术都有各自的优点，但最后监测的结果都不能准确地反映岩土体内部的位移真实变化。

对此，本课题组^{[8- 9]}提出了一种基于双互感等值电压的地下位移三维测量传感器，使用电源线和RS485总线将传感器串联形成传感阵列，通过测量出相邻两个传感器之间的相对位移来反映测量区域内岩土体从地表至地下深部位移的情况。但是由于使用RS485总线串联传感器进行通信，当传感阵列中单个或多个传感器的通信出现问题时，极易造成整个传感阵列的通信失败，而使用无线通信技术可以在数据传输过程中跳过有问题的传感器，保证整个传感阵列的正常通信。因此，需要根据功耗要求低，通信终端数量多等特点，选择合适的无线通信技术并设计相应的地下位移三维测量传感器。

当下，随着物联网技术的兴起，“智能家居”一词吸引了许多人的视线，各种无线通信技术也层出不穷。无线通信技术可分为两类，一类是短距离无线通信技术，主要有红外、ZigBee、WiFi、蓝牙等；李跃鹏等人基于ZigBee和GSM（全球移动通信系统）技术研制了一种地质灾害预警系统^[10]；徐靖雯等人采用ZigBee设计了潜孔锤振动测试系统^[11]；吴衡兵等人使用蓝牙BLE技术设计了拉力监测系统^[12]。另一类是LPWAN（低功耗广域通信技术），具有代表性的有非授权频谱运行的Lora（远距离无线电）技术，以及授权频段运行的NB-IOT（窄带物联网）技术等。李国政等人使用Lora技术设计了山区天然气管道滑坡位移监测系统^[13]；顾朝敏等人基于Lora技术设计了开关柜关键部位温度监测系统^[14]。根据本文传感器需要的通信特点，最终选择使用蓝牙技术进行无线组网通信。

针对上述本课题组设计的地下位移三维测量传感器RS485总线通信存在的问题，本文基于BLE技术在工业中的应用重新设计了传感器，并使用BLE技术对传感器进行无线组网，实现用BLE技术进行各传感器之间的数据交互，规避了由单个问题传感器引起整个传感阵列通信失败问题，并且两个传感器之间的相对水平位移和相对垂直位移最大误差小于1 mm。

1 地下位移三维测量系统设计 1.1 传感器工作原理

在两个相邻线圈中，一个线圈的电流随时间变化时导致穿过另一线圈的磁通量发生变化，而在该线圈中出现感应电动势的现象称为互感现象，本课题组^[9]提出的双互感等值电压原理正是基于互感现象的应用，图1为双互感等值电压原理图。

激励端与测量端由相同的空芯线圈与磁芯线圈组成，并称激励端的空芯线圈为L11，磁芯线圈为L12，测量端的空芯线圈为L21，磁芯线圈为L22。当L11中输入一个频率恒定，幅值稳定的正弦信号时产生一个稳定的交变磁场，使得L21两端会产生感应电动势，通过采集电路将此感应电动势整流成直流电压，称为Ⅰ型互感电压$ {U}_{1} $；同理将L12激励L21采集得到的电压称为Ⅱ型互感电压$ {U}_{2} $。通过对不同倾斜角$ \alpha $下测量端的双互感电压随着相对水平位移r和相对垂直位移z的变化而变化的数据进行标定，并使用三轴磁力计采集测量端自身的方位角$ \beta $，可以建立相对水平位移r和相对垂直位移z与双互感电压$ {U}_{1} $、$ {U}_{2} $、倾斜角$ \alpha $和方位角$ \beta $的测量模型，如公式（1）所示。

将该原理应用在地下位移测量中，只需要在山体钻孔中放置多个传感器，通过叠加相邻两个传感器之间的相对水平位移$ {r}_{i} $与相对垂直位移$ {z}_{i} $，来反映钻孔内部整体的水平位移R与垂直位移Z，如公式（2）所示。

1.2 系统设计

设计的地下位移三维测量系统包括地面管理终端以及由传感器通过电源线串联而成的传感阵列，如图2所示。其中地面管理终端主要执行唤醒传感阵列进行工作，将传感阵列采集到的数据进行保存并发送至阿里云等功能；传感阵列中的N号传感器与地面管理终端通过电源线与RS485通信线连接，将传感阵列采集到的数据信息传输给地面管理终端进行处理，传感阵列中的传感器以无线通信的方式传输数据。传感阵列中除了1号与N号传感器，其余传感器都需要既能作为激励端产生正弦信号给自身的空芯线圈与磁芯线圈，又需要作为测量端采集自身空芯线圈由互感现象产生的互感电压，并且传感阵列的测量工作顺序是自下往上。

1.3 低功耗蓝牙技术

蓝牙无线技术是世界上使用范围最广的短距离无线通信技术之一。2010年6月蓝牙技术联盟（SIG）发布的蓝牙4.0，其核心技术为低功耗蓝牙（BLE），并且集成了传统蓝牙、高速蓝牙两种技术。BEL4.0主要有高可靠性、低成本、低功耗等优点。2014年12月SIG发布的BLE4.2，在BLE4.0的基础上改善了数据传输速度和隐私保护程度。因此，BLE4.2不仅拥有BLE4.0的全部优势，并且安全性更高。BLE网络拓扑结构可分为星型拓扑和广播拓扑两种，如图3所示。星型拓扑结构的特点是一对多数据通信方式，即一个主机可以连接多个从机，且从机与主机之间的信息交互不会影响到其他从机信息传输。广播组拓扑结构的特点主要是针对点对点的数据通信模式，当广播设备向外发送广播数据时，可能存在多个扫描设备同时扫描到这条广播数据，当某一个扫描设备同广播设备建立连接时，其他广播设备将无法获取到广播设备的广播数据，广播组拓扑结构一般适用于简单、无组网的应用场景。

1.4 接力式无线组网设计

根据BLE网络拓扑结构模型结合传感阵列的工作特点和工作顺序，建立接力式无线组网，如图4。由于本系统的目标是置于野外工作，在不工作时处于待机状态来节省能量。当系统开始测量工作时，首先需要知道在此时的供电条件下，传感阵列中从上往下到第几号传感器为止可以正常工作，例如i+1号传感器作为主机唤醒i号传感器，i号传感器唤醒i-1号传感器，依次从上往下接力。当最底下的可以正常工作的传感器找不到其下方可以正常工作的传感器后，开始作为激励端激励其上方的传感器进行测量工作，例如i-1号传感器作为主机和激励端，唤醒i号传感器作为测量端进行工作，i号传感器作为主机和激励端唤醒i+1号传感器作为测量端进行工作，依次从下往上。完成一次完整的接力传输后，N号传感器将整个传感阵列的数据传输给地面管理终端进行处理。

2 地下位移三维测量传感器设计 2.1 硬件设计

基于分析双互感等值电压原理，传感器电路可分为七个部分，如图5所示。传感器作为激励端时，微处理器产生正弦信号，信号处理模块将正弦信号放大并经由信号选择模块输入至空芯线圈或磁芯线圈中。传感器作为测量端时，空芯线圈将感应电动势经由信号选择模块输入至信号处理模块，感应电动势经过放大、带通滤波、全波整流、低通滤波过程，从交流信号转换为直流信号输入至微处理器进行ADC采集转换；姿态测量模块将此时传感器的欧拉角数据采集后传回至微处理器。激励端与测量端的无线通信模块进行数据交换，控制测量工作。

2.2 软件设计

2.2.1 传感器通信协议设计

为了保证在无线通信过程中传输的数据正确可靠，基于Modbus协议设计了适用于本系统的通信协议，功能码通信协议的具体格式为：首位、长度、功能码、CRC32校验，功能码作用如表1所示，传感器采集数据包发送协议具体格式为：首位、长度、功能码、编号、Ⅰ型互感电压$ {U}_{1} $、Ⅱ型互感电压$ {U}_{2} $、章动角$ \theta $、旋进角$ \psi $、自转角$ \phi $、磁场强度在X轴上的分量$ {H}_{x} $、磁场强度在Y轴上的分量$ {H}_{y} $、磁场强度在Z轴上的分量$ {H}_{z} $。通信协议使用十六进制编码并采用误码率仅为2.33×10^-10的CRC32冗余校验，每个数据位大小不超过8位，在数据包较短的情况下，仅发送CRC32校验的后16位，提高数据传输的效率，而在数据包较长的情况，以保证数据正确性为主，发送CRC32校验的32位数据。

为了区分传感器在工作中是作为主机还是从机，定义主机的数据包首位为0xAA，从机的数据包首位为0xFF。数据包中的长度代表当前数据包中有多少个数据位，数据包中的功能码位其功能设定如表1所示。传感器编号分为高8位和低8位，可使整个传感阵列中的传感器数量超过255个；传感器采集得到数据包括Ⅰ型互感电压$ {U}_{1} $、Ⅱ型互感电压$ {U}_{2} $、欧拉角（包括章动角$ \theta $、旋进角$ \psi $、自转角$ \phi $）、磁场强度（包括磁场强度在XYZ三轴上的分量$ {H}_{x} $、$ {H}_{y} $、$ {H}_{z} $），并且这些数据采集后都是16位，所以需要将它们拆分成8位后进行打包发送；传感器接收到下方传感器的采集数据包时需要作出回应，表明已经接收到该编号的传感器采集的数据。

2.2.2 传感器工作状态设计

根据接力式无线组网的方式，将传感器的工作流程分为五种状态，如图6所示，其中X=0表示BLE未连接和BLE连接但与主机通信失败，X=1表示BLE已连接，并收到主机01指令，X=2表示BLE已连接，并收到主机02指令；Y=0表示与主机通信失败，Y=1表示与主机通信完毕；Z=0表示与从机通信失败和通信完毕，Z=1表示无法连接下方的传感器。

以图4 接力式无线组网中的i+1、i、i–1号传感器为例。首先，i+1、i、i–1号传感器在空闲时均处于从机待机状态。接着，i+1号传感器处于下方主机状态，i号传感器处于上方从机状态，此次通信完毕后，i+1号传感器回到从机待机状态，i号传感器处于下方主机状态，i–1号传感器处于上方从机状态，依次接力通信。然后，i–1号传感器处于上方主机状态，i号传感器处于下方从机状态，i–1号传感器指挥i号传感器完成测量和数据保存工作后，此次通信完毕，i–1号传感器回到从机待机状态，i号传感器处于上方主机状态，i+1号传感器处于下方从机状态，依次接力通信。

2.2.3 传感器软件设计

结合图5和图6，传感器的程序依据其工作状态和通信协议进行设计。以i号传感器为例，i号传感器被i+1号传感器唤醒后进入上方从机状态，发送回应协议与i+1号传感器通信，并保存i+1号传感器BLE的MAC地址，然后进入下方主机状态唤醒i-1号传感器，在收到回应协议后进入从机待机状态，如图7所示。

i号传感器被i–1号传感器唤醒后进入下方从机状态，发送回应协议与i–1号传感器通信，在功能码指令下完成自身数据的采集保存，然后接收i–1号传感器保存的数据，数据接收完毕后进入上方主机状态唤醒i+1号传感器，在收到回应协议后发送功能码指令控制i+1号传感器采集自身的数据，接着发送完1~i号传感器的数据后进入从机待机状态，如图8所示。

3 实验测试

根据本课题组地下位移二维测量装置安装现场的经验，山体钻孔时需要灌入大量的水对钻头进行降温，所以当山体钻孔完成后，钻孔内部被水填满，而孔内的泥土会在土压力的作用下逐渐填充孔体使水溢出，所以需要在孔体被泥土填满之前完成装置的下放安装，这时，装置不可避免要全部泡在水中。对于提出的地下位移三维测量传感器使用电磁波进行信息传输，电磁波在水中的衰减速度远大于空气中，所以只需要通过实验验证传感传感器在类似山体钻孔充满水的环境下可以正常通信，即可证明本文设计的传感器在野外也可正常工作。

3.1 传感阵列水中通信实验

根据安装现场钻孔的直径，以及传感器的长度，选择直径为30 cm，高为1.2 m的亚克力圆桶作为模拟钻孔的环境，将10个传感器串联成传感阵列置于其中并灌入水进行通信实验，如图9所示。

将传感阵列上电后，使用开发板接收数据并显示到上位机。经过72 h的持续通信，传感阵列仍能正常工作，根据上位机消息显示的时间可知传感阵列完成一次正常通信时间约为2 min 20 s。

用如图10所示E104-BT02蓝牙测试套件唤醒9号传感器并控制9号传感器处于测试模式，模拟在野外工作时9号传感器出现故障时的状态，其余传感器正常工作，此时传感阵列完成一次正常通信为2 min 40 s，证明当传感阵列中单个传感器出现故障时，其余传感器仍能正常工作。

同理，使用3个E104-BT02蓝牙测试套件唤醒4、6、8号传感器并控制其处于测试模式，传感阵列完成一次正常通信时间为3 min 20 s，证明当传感阵列中多个传感器出现故障时，其余传感器仍能保持通信正常，且每增加一个故障传感器，传感阵列的通信时间就多增加20 s，与传感器程序设计相符。

3.2 传感器位移测量实验

3.2.1 建立位移-电压数据集

通过实验，固定激励端改变测量端的倾斜角$ \alpha $、相对水平位移$\overrightarrow r $的大小r以及相对垂直位移$\overrightarrow {\textit{z}} $的大小z，采集多组$ {U}_{1} $与$ {U}_{2} $，实验平台如图11所示。

采集得到$ {U}_{1} $和$ {U}_{2} $与r、z关系的三维曲面如图12所示，图中三个曲面对应的$ \alpha $从上至下依次是15°、30°和45°。

分析图12可以得知，当改变$ \alpha $的大小，r和z不变时，$ {U}_{1} $与$ {U}_{2} $会随着$ \alpha $的增大而减小。以$ \alpha $等于15°的情况为例，将随着r和z变化时$ {U}_{1} $和$ {U}_{2} $各自大小相等的点相连，可得$ {U}_{1} $的等值线和压$ {U}_{2} $的等值线，如图13所示。

观察图12与图13可知，当$ \alpha $不变，r和z单调递增时，$ {U}_{1} $以及$ {U}_{2} $单调递减，那么r和z一定时，对应$ {U}_{1} $与$ {U}_{2} $的组合唯一。则在该$ \alpha $下，r和z可用$ {U}_{1} $与$ {U}_{2} $的组合来表示，如图14所示。

即在该$ \alpha $下，$ {U}_{1} $等值线和$ {U}_{2} $等值线的交点为r和z。

3.2.2 测量模型建立

对于采集到的位移-电压数据集，使用区间线性法，将交点区间内的曲线近似看成线性关系，取两条线性方程的交点$ {x}{{'}} $近似为两条等值线的交点x，如图15所示。

其中$ {x}_{1} $、$ {x}_{2} $、$ {x}_{3} $、$ {x}_{4} $为位移-电压数据集中采集的点，设其坐标分别为（$ {r}_{1} $,$ {{\textit{z}}}_{1} $）、（$ {r}_{2} $,$ {{\textit{z}}}_{2} $）、（$ {r}_{3} $,$ {{\textit{z}}}_{3} $）、（$ {r}_{4} $,$ {{\textit{z}}}_{4} $），则$ {x}{{'}} $的坐标（$ {r}{{'}} $,$ {{\textit{z}}}{{'}} $）可由公式（3）得到。

3.2.3 传感器测量结果分析

通过对比倾斜仪与传感器采集得到的倾斜角度，得出如表2所示，可以看到传感器测量倾斜角的误差最大为0.1°。

在图11的平移台上进行传感器的位移测量，任意选择两个不同的倾斜角18.35°、36.34°，传感器的测量值与平移台实际位移值对比结果如表3所示，可以看到传感器的测量结果误差小于1 mm。

4 结束语

为了解决课题组设计的地下位移三维测量传感器使用RS485总线通信带来的单个问题传感器引起整个传感阵列通信失败的问题，本文开发了一种基于无线通信的地下位移三维测量传感器，并基于BLE的网络拓扑结构设计了适合于本传感器的接力式无线组网方式，通过实验验证了接力式无线组网方式的可行性以及基于无线通信的传感阵列能保证在野外浸水的环境中正常工作，并且两个传感器之间的相对水平位移和相对垂直位移的测量误差小于1 mm，满足实际地下位移测量的需要。