2020, Vol. 40
2. 地理信息工程国家重点实验室，西安市雁塔路中段1号，710054;
3. 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，西安市雁塔路126号，710054
传感器技术作为现代信息技术的三大基础之一，是智慧城市建设的重要组成部分[1]。伴随着智慧城市的建设浪潮，各种传感器布设在城市的各监控点位，实时感知着城市的运行。作为物联网获取数据的终端，传感器需要将获取到的各种数据传输至数据服务中心，也就是说，要和数据服务中心建立通信，通信的最终目的就是将信源的数据原样传输到信宿[2-3]。在数据传输时，一是要保证数据传输的正确性，二是要传输大量的数据，三是传输的数据要求保密，故传输前需要对数据进行编码[4]。在使用位移传感器对滑坡进行实时监测的技术实现中，高效准确地实时解码原始数据能够为后续的数据分析和处理提供可靠的保障[5]。
本文以BD-LX10型号位移传感器为例，详细介绍其工作原理及数据传输方式，利用该类型位移传感器实测并记录其原始数据的数据流文件，通过C++编程实现对原始数据流的解码，并对解码数据的正确性进行验证。同时，将此类型位移传感器用于甘肃黑方台党川滑坡的实时监测，得到监测点处的形变信息，并进行简要分析，为滑坡的变形监测和预警提供了技术支撑。本文编程实现了该类型位移传感器的数据传输及解码，在实际的滑坡监测中，一定程度上降低了滑坡监测的软件成本，且数据传输较为稳定、可靠。
1 位移传感器数据远程传输方法BD-LX10型号拉线式位移传感器主要用于采集滑坡监测区域的位移信息。位移传感器的两端都固定在裂缝两旁的水泥墩上，传感器的钢丝绳垂直于裂缝布设，钢丝绳上加装PVC管进行保护。若裂缝的宽度有所变化，则位移传感器会作出相应变化[6]，测量原理如图 1所示。
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图 1 位移传感器的测量原理 Fig. 1 Measuring principle of the displacement sensor |
位移传感器的功能是将机械位移量转换成可计量的、线性比例的电信号[7-8]。当被测物体产生位移时，拉动与其相连接的钢绳，钢绳带动传感器传动机构和传感元件同步转动；当位移反向移动时，传感器内部的回旋装置将自动收回绳索，并在绳索收缩过程中保持其张力不变，从而输出一个与绳索移动量成正比例的电信号。然后通过信号转换模块，将测量输出的电信号转换为RS485信号，进而解码得到监测点的位移量。
利用USR-GPRS232-730物联网无线数据终端，通过公用运营商网络GPRS(又称G网)，实现位移传感器数据远程传输。该终端采用工业级嵌入式处理器，内嵌TCP/IP协议栈，为用户提供高速、稳定可靠、数据终端永远在线、多种协议转换的虚拟专用网络，具有高性能、低功耗及数据传输稳定的特点[9]。
位移传感器通过RS232或RS485接口和GPRS DTU相连，将数据传入GPRS DTU。进入GPRS DTU后的数据被GPRS模块封装成适合于网络通信的数据包后，被发送至GPRS网络，再通过GPRS网络进入Internet上传输，最后被指定IP地址的用户数据中心读取[10](图 2)。
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图 2 GPRS DTU工作原理 Fig. 2 Working principle of the GPRS DTU |
通讯机(计算机或数据采集仪)与传感器间的数据交换按帧传输，采集数据时，每个通讯过程均由通讯机发起，传感器则根据通讯机所发的命令字给予应答，通讯机发出一个“命令帧”，传感器接收到此“命令帧”后，会判断该命令的有效性，如果命令有效，则传感器返回一个“应答帧”，否则不作响应。“命令帧”和“应答帧”中不同的字节以及字节的组合代表不同的含义，表 1、2给出了通讯过程中“命令帧”和“应答帧”的数据格式。
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表 1 通讯机发送给传感器“命令帧”的数据格式 Tab. 1 The data format of "command frame" that the communication machine sends to the sensor |
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表 2 传感器回送给通讯机“应答帧”的数据格式 Tab. 2 The data format of the "answer frame"that the sensor returns to the communication machine |
需要说明的是，“应答帧”的第35字节为传感器类型字节(b7b6b5b4b3b2b1b0，共8位)，它由2个部分组成：前4位b7b6b5b4表示测量绝对值和测量相对值的小数点位数；后4位b3b2b1b0表示传感器的类型。对应关系如表 3、4所示。
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表 3 b7b6b5b4与小数点位数的对应关系 Tab. 3 Correspondence between b7b6b5b4 and the number of decimal places |
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表 4 b3b2b1b0与传感器类型的对应关系 Tab. 4 Correspondence between b3b2b1b0 and sensor type |
这种编码方式采用十六进制编码、8421BCD码及ASCⅡ字符码进行编码，非常灵活地将位移传感器相关信息及其所测量的信息传输给数据处理中心，并且该种编码方式解码简单，对接收者的专业知识要求比较低，对于行外人来讲，只需进行简单的学习即可对其进行解码，解码方法快速准确，误码率低，且不同字节以及字节的组合能对数据进行加密，起到了一定的保护作用。该解码方法也适用于同类传感器，具有很强的适用性。原始数据的解码流程如图 3所示。
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图 3 原始数据解码流程 Fig. 3 Raw data decoding process |
当采样编号为28 46 B1 5A 08 00 00 BD传感器的数据，发送采集命令为：AA 75 10 00 0E 00 28 46 B1 5A 08 00 00 BD 18 04 28 12 14 10 D3。其中，AA 75为命令起始字头；10为命令字节；00 0E为数据块长度，表示15个字节长度；00为保留字节；28 46 B1 5A 08 00 00 BD为16位位移地址码，即传感器的编号；18 04 28 12 14 10为日期时间，代表2018-04-28 12：14：10；D3为校验码，校验的作用范围应包括校验字节之前的所有字节，其值为这些字节间的异或结果，即AA与75异或结果再与10异或，其结果再与00异或…依次异或至10，最终得出结果为D3。
每一个通讯过程，传感器均要侦测总线上数据，首先要判断是否以AA 75开头，看缓存字节数是否为21字节，然后查验从AA 75到第20字节的异或和是否与21位一致，并且位移地址码与自身是否一致，几个条件一致则说明命令正确，即传感器开始进行量测并将信息回传，回传的信息即为传感器的“应答帧”。
“应答帧”一共包含60个字节，每个字节或字节的组合代表不同的含义，其内容为：55 7A 10 00 35 00 28 46 B1 5A 08 00 00 BD 18 04 28 12 14 10 01 18 08 E2 04 A3 6C 0A 6C 0A 20 6D 6D 20 2F 4C 46 2D 30 31 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 42 44 2D 4C 58 31 30 20 7B。其中，55 7A为起始字头；10为命令字节；00 35为数据块长度，表示53个字节长度；00为保留字节；28 46 B1 5A 08 00 00 BD 为地址码，按发送命令返回；18 04 28 12 14 10为发送命令中的日期时间；01 18 为温度值，换算成十进制为280，上位机会乘以0.1即为28.0 ℃；08 E2为测量绝对值，换算成十进制为2 274，根据35字节可知，上位机会乘以0.01即为22.74；04 A3为测量相对值，换算成十进制为1 187，上位机会乘以0.01即为11.87；6C 0A为传感器的应变频率；随后的6C 0A为传感器的补偿频率；20 6D 6D 20 为传感器的应变单位mm；2F为传感器的类型，由表 4可知，该传感器为温度传感器，即该位移传感器具有测量温度的功能；4C 46 2D 30 31 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20为传感器的自编号；42 44 2D 4C 58 31 30 20为传感器型号，换算成ASCⅡ码为：BD-LX10；7B为校验字节，即从55与7A异或结果依次到第59个字节的异或结果。至此，数据解码工作完成。在实际的应用中，无需对所有的字节进行解码，可根据需要的信息选择相应的字节进行解码。
2.2 解码数据正确性验证为了验证解码数据的准确性及可靠性，本文将解码后得到的位移传感器拉线绳的伸长量和利用直尺测量拉线绳的伸长量进行对比，对于同一长度的伸长量，2种测量方式均测量5次后取平均值作为最终的测量长度，实验数据如表 5所示。
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表 5 2种测量方式对比 Tab. 5 Comparison of the two measurement methods |
由表 5可知，该位移传感器测量的数据和直尺测量的数据基本一致，以直尺测量数据为真值，计算可得数据解码测量方式的中误差$\hat{\sigma}$=0.51 mm，解码数据的正确性和可靠性得到了验证。
3 工程应用及分析本文将该类型位移传感器于2018-10-25安装在甘肃省黑方台党川滑坡的裂缝处，该滑坡体上共安装12套位移传感器，位于DCF10监测点处的滑坡在2019-03-26 05:00发生滑动，位移传感器完整地记录了从安装结束至发生滑动的152 d内裂缝的变形情况。选取DCF10监测点的数据进行分析处理，获得该点的位移量、变形速率、加速度及改进切线角参数(图 4)。
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图 4 DCF10监测点实时过程曲线 Fig. 4 Real-time process curves of DCF10 monitoring point |
由图 4可见，在2018-10-24~2019-03-12期间，随着滑坡累计位移量的增加，变形曲线的切线角在不断增大，变形速率和加速度较为稳定；从03-13开始，变形曲线的切线角均大于80°，滑坡变形速率明显加快；到03-15，变形曲线的切线角已大于85°，变形速率和加速度随时间呈陡然增加的趋势，直至下滑时切线角达到约89°[11]。根据位移传感器对滑坡形变信息的实时采集，提前2 d对该滑坡发出黄色预警，当地政府及时采取防范措施，避免了人员伤亡，减少了财产损失。
4 结语本文详细介绍了BD-LX10型号位移传感器数据无线传输的原理及数据编码协议，利用C++编程实现了对原始数据流的解码，得到了位移传感器的测量数据和其自身的信息，为后续的实时数据处理奠定了基础。将此类型的位移传感器用于甘肃省黑方台党川滑坡的实时监测，得到DCF10监测点处的形变信息，可为滑坡变形监测和预警提供技术支撑。
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2. State Key Laboratory of Geo-Information Engineering, 1 Mid-Yanta Road, Xi'an 710054, China;
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