CN102263819A - 一种基于传感器网络的工程安全监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于传感器网络的工程安全监测系统及方法公开了一种利用传感器网络对工程施工及运营过程进行监测的系统及方法，从而保证工程在整个施工以及运营过程的安全。系统包括：监测结点、基站和监测服务器，系统中每个监测结点之间、监测结点与基站之间均采用无线方式进行连接，基站与监测服务器之间利用GPRS网络进行连接。整个监测系统中各个监测结点之间可以直接进行相互通信，并实现了基于网络能量保护的无线传感器网络消息路由算法，从而使系统具有较好的节电性能。在监测结点遭到施工工具、外部环境的破坏，或其采集的数据存在异常的情况下，该结点可以启动对应的自报警装置，使工程在施工以及运营过程中的安全隐患得到及时处理。相比于传统的环境监测类系统，该系统具有更长的使用寿命，更好的可扩展性、鲁棒性与可靠性。

Description

一种基于传感器网络的工程安全监测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于传感器网络的监测系统及方法，特别适用于大中型工程施工及运营安全监测的应用背景。

背景技术

随着我国经济的进一步发展，交通基础设施建设逐步进入了高潮。一般，桥梁、港口以及隧道等工程具有地质环境复杂以及基础信息匮乏的特点，这也是我国此类工程施工及运营过程中事故频发的主要原因之一。针对上述情况，需要在工程施工以及运营过程中，对工程内部及周边环境的各种参量进行实时监控及预警，从而保证工程施工及运营过程的安全性。工程安全监测系统具有很大的市场需求以及广泛的应用前景。

传统监测系统大多采用星型结构，整个系统由若干监测结点及一个中心结点组成，所有监测结点均与中心结点建立有线连接，监测结点只进行数据采集与传送，不具备信息处理能力，同时监测结点之间不进行信息的交换。上述特点使该类系统在应用中暴露出以下问题：

(1)由于监测结点与中心结点之间采用有线方式进行连接，这使系统结点的部署比较困难，并且系统在运行过程中通信线路容易受到施工工具以及其他外部环境因素的破坏。

(2)由于监测结点不具备信息处理能力，这使得监测系统的通信线路发生故障时，监测系统中受到通信线路故障影响的所有监测区域的预警功能也就失灵了，从而造成整个系统的鲁棒性不高。

(3)由于系统中所有的监测结点都需要将采集的数据直接传送给中心结点，这使得中心结点容易成为整个系统性能的瓶颈，造成系统的可扩展性不强。

(4)由于系统中监测结点的电能一般由电池提供，同时监测结点也不具备信息处理能力，从而使每个监测结点在部署后就一直处于运行状态，不能根据自己工作忙或闲等状态采取合适的省电措施，这使得整个监测系统的使用寿命受到很大的限制。

随着微电子技术的快速发展，传感器已经开始向高度集成化、微型化、智能化的方向发展。同时，结合无线通信技术的日益进步，无线传感器网络得到各国研究者们越来越多的重视。无线传感器网络主要综合了传感器技术、无线通讯技术、嵌入式技术及分布式信息处理技术，并且集数据的采集、传输、融合分析于一体，通过对各类微型传感器的协作，能够监测各种环境信息，这些信息通过无线方式发送，通过特定算法传送到计算机终端进行处理。无线传感器网络对各种环境监测特别是工程安全的监测具有很大的使用价值。

由于无线传感器网络目前还处于理论研究阶段，所以虽然相关文献资料较多，但真正的应用实例比较少。市场上也出现了一些基于传感器网络的环境监测类系统，但它们的结构都比较简单，并且缺乏较强的鲁棒性与智能性。

发明内容

本发明针对现有环境监测类系统在应用中暴露出来的不足，提出一种基于传感器网络的工程安全监测系统及方法。

本发明所述“一种基于传感器网络的工程安全监测系统及方法”是通过如下技术方案来实现的：系统包括监测结点、基站和监测服务器，系统中每个监测结点之间、监测结点与基站之间均采用无线方式进行连接，基站与监测服务器之间利用GPRS网络进行连接。

本发明所述“一种基于传感器网络的工程安全监测系统及方法”主要包含以下步骤：

(1)监测结点的部署以及参数的设置：具体包括根据被监测环境以及其他相关要求对监测结点和基站进行部署，监测结点标识、监测结点系统时间、监测参量、监测时间选择以及自报警条件的设置等。

(2)传感器网络的建立：建立一种基于最小跳数场的网络结构。

(3)工程安全监测的过程：监测系统根据网络正常、网络部分瘫痪、网络完全瘫痪的情况自动进入不同的处理方式，具体处理方式如下：

①网络正常时：监测结点在基于最小跳数场的网络结构中根据自己剩余的电量以及其与基站的距离利用结点能量自适应路由算法进行信息的传输。在结点无数据采集任务时，其会自动进入休眠状态，以减少电能消耗。

②网络部分瘫痪时：当由于电量不足或其他干扰等因素造成结点传输覆盖范围变小或部分结点的通信功能失效，致使原来网络连接发生部分瘫痪时，网络中结点的能量自适应路由算法会根据系统中每个结点能量减少或通信功能失效情况自动进行路由变化，确保信息传输的正常进行。在结点无数据采集任务时，其会自动进入休眠状态，以减少电能消耗。

③网络彻底瘫痪时：网络中的结点利用结点能量自适应路由算法的路由改变始终不能使信息传输到基站，那么结点将无法收到基站的确认信息。这样当结点的超时计时器溢出时，其将启动自处理机制。

本发明所述“一种基于传感器网络的工程安全监测系统及方法”的技术优势在于：

(1)由于监测结点之间，监测结点与基站之间，以及基站与监测服务器之间均采用无线方式进行信息传输，这为系统初期部署提供了便利，同时也避免了传统传感器结点与监测服务器之间采用有线连接产生的通信线路易受施工工具以及外部环境因素破坏的弊端。

(2)由于监测结点可以与基站通信外，监测结点之间也可以直接进行信息交换，并且系统实现了结点能量自适应路由算法，这使得系统的可扩展性以及通信的可靠性大幅度提高。

(3)由于每个监测结点具有处理信息的能力，这使得监测结点在整个系统通信失效的情况下，可以自己启动相应的处理与报警机制。

(4)由于每个监测结点具有处理信息的能力，这使得每个监测结点在无需监测时可以进行休眠，从而节省系统运行时消耗的电量，延长系统的使用寿命。

本发明所述“一种基于传感器网络的工程安全监测系统及方法”能够对施工过程中的环境参量进行实时监测，并通过无线网络传输到基站，再利用GPRS网络传送到监控室的监测服务器，并且在监测数据异常或监测结点遭破坏时进行相应的预警或报警等处理。

附图说明

附图1：基于传感器网络的工程安全监测系统的结构框图

附图2：监测结点结构框图

附图3：基站结构框图

附图4：监测系统中传感器网络的拓扑结构图

附图5：拓扑结构图中监测结点的邻接表

附图6：结点数据发送与接收状态表

具体实施方式

无线传感器网络是由若干传感器结点协同组织起来的，网络中的结点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间通过特定的路由协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。

结点由电源管理模块、数据采集模块、现场执行模块、无线通信模块、人机交互模块、自报警模块以及微处理器组成，能够完成数据采集、信息传输、自动报警以及执行相关操作的任务。基站是一种特殊的结点，它拥有与监测服务器进行连接的外部网络(GPRS网络)的接口，是连接监测区域的无线网络与监测服务器所在外部网络的中介。

如图1所示，系统由多个结点、若干个基站以及监测服务器组成。

结点放置于工程安全监测区域，负责采集与传送监测区域的相关信息，结点的构成框图如图2所示，具体包括：数据采集模块、现场执行模块、无线通信模块、人机交互模块、自报警模块以及电源管理模块。数据采集模块负责监测区域的信息采集工作。无线通信模块负责转发、传送或接收结点之间的信息。人机交互模块提供人机交互的接口。自报警模块提供结点遭到破坏或采集的数据存在异常时自动发出声光等方式的报警功能。现场执行模块负责执行用户的命令。

基站放置于工程安全监测区域附近，并且该位置应该有利于信息的接收与发送，其负责汇集结点采集的信息，再将其传送到监测服务器中，或者接收监测服务器的命令，再将其传送到结点所在无线网络。基站结构框图如图3，基站是一种特殊的结点，与一般结点相比，其省去了数据采集模块，同时增加了GPRS网络接口模块。无线通信模块负责转发、传送或接收结点之间的信息。人机交互模块提供人机交互的接口。现场执行模块负责执行用户的命令。自报警模块提供基站遭到破坏时自动发出声光等方式的报警功能。GPRS网络接口模块用于提供GPRS网络的接口。

监测服务器放置于用户所在的监测室，提供监测信息的显示与报警，提供用户操作的界面。能够实时显示各个监测结点所在区域的监测参量信息。能够对结点监测的时间间隔、监测参量等进行配置；能够对系统网络类型、通信参数、报警参数等进行设置。

结点与结点、结点与基站之间均采用无线方式交换信息，可以采用315MHZ的无线收发频率；基站与监测服务器之间也采用无线网络交换信息，这里采用的是GPRS网络。

为了在系统中实现监测方法，主要包括以下步骤：

(1)监测结点的部署及初始参数的设置：包括对监测结点和基站进行部署，监测结点标识、监测结点系统时间、监测时间选择、监测参量选择以及自报警条件的设置等。

在监测之前，需要预先部署好结点与基站。结点可以根据具体应用背景任意部署，基站部署的位置应该有利于信号的发送与接收。同时必须设置好结点的系统时间、结点监测时间间隔，监测时间间隔决定了两次数据采集的时间间隔。监测参量选择指哪些信息是需要监测结点采集的。自报警条件的设置指设置怎样的报警方式以及报警的条件等。

(2)传感器网络的建立：主要是最小跳数场的建立。

最小跳数场的建立流程如下：

①各结点布置好后，系统进入初始化状态，每个监测结点建立转发结点集合，并将该集合置空。同时，基站将其跳数值(HC，全称：Hop Count)设置为0，网络中其它监测结点的HC值被设置为一个较大的数字，这里设置为500(即在真实网络中不可能达到的数值)。

②每个监测结点启动时，向周围的结点发送Join_Req报文，周围结点接收到Join_Req报文后，将各自的HC值以及剩余的电量值包含在Join_ACK中返回给查询结点；当HC值为500时不对其他结点的Join_Req报文进行回复，并等待基站返回的HC值；当基站接收到Join_Req报文时，向周围结点广播回复Join_ACK报文，其中包含基站的跳数值(HC＝0)；

③当一个结点接收到来自其他结点的Join_ACK报文时，其根据最小跳数原则设定本地的HC值，并将HC值比本地结点HC值小1的结点加入转发结点集合中；

④当一个结点的HC值变化时，向周围结点广播新的HC值及其剩余的电量，这使得网络结构能够应对结点失效等各种情况对其进行实时更新，当结点接收到邻居结点广播的Join_ACK报文时，不作响应，同时也不转发该报文。

监测系统中的每个监测结点都按步骤①、②、③、④进行，当网络中的所有结点运行上述过程一段时间后，每个结点都将获得自己到基站的最小跳数值和转发结点集合，同时基站根据各结点返回的加入消息，建立了一个包含网络中所有结点及其转发结点集合的网络拓扑图，该拓扑图可以采用有向图来表示，图中的每个顶点代表网络中的一个结点，每个顶点的出现表示该顶点所对应结点的转发结点个数，每条有向弧的弧头结点是其弧尾结点的转发结点。如图4所示，顶点F代表结点F，其最小跳数为2，转发结点个数为1，转发结点集为{C}。

网络拓扑结构采用邻接表的存储方式，邻接表是图的一种链式存储结构，对拓扑图中每个顶点建立一个单链表，单链表中的结点表示该顶点对应的结点的所有转发结点。图4中的拓扑图的邻接表如图5所示。

(3)工程安全监测的过程：根据网络正常、网络部分中断以及网络完全瘫痪的情况采取不同的处理方式。

①网络正常时：

这里，将对基站向各监测结点下发命令、各监测结点向基站报告监测数据的过程、结点休眠的策略以及过程分别进行说明，具体如下：

当基站有命令需要向监测结点发送时，基站需要搜索一条从基站到达目标结点的路径，它首先根据网络拓扑图查找到目标结点，根据目标结点的转发结点集合，选择转发结点集合中剩余电量值最大的结点为上一跳结点，然后在按同样过程为该上一跳结点选择它的上一跳结点，这样逐跳向上查找，直到找到基站，所有选出的结点就组成一条从基站到达目标结点的路径，基站就可以通过这条路径将命令下发到目标结点。如图4所示，基站需要查询结点H所在区域的监测参数时，基站首先在拓扑图中找到结点H，根据H的转发结点集合选择H的上一跳结点，假设D的剩余电量最多，则选择D，然后再为D选择上一跳结点，比如选择了B，而B的上一跳结点为基站，这样由B、D、H就组成了一条能够到达H的路径B→D→H，查询消息按照该路径传送到H，结点H返回所在区域的监测参数。

如果网络中结点有监测数据需要上传到基站时，它将在转发结点集合中选择一个剩余电量值最大的结点进行转发，如果该结点不能到达，则选择转发结点集中另一结点进行转发，转发结点接到数据后，按同样过程将数据包转发给上一跳结点，数据包依次向上传送，最终到达基站。如图4所示，当结点F需要向基站传送数据时，它首先在转发结点集中选择一个结点，比如结点C的剩余电量最大，则选择结点C，然后将数据转发给C，C再传送给基站。

系统中的结点具有两种状态：工作状态时结点中的微处理器、数据采集模块、无线通信模块以及电源管理模块均处于开启状态，其他子模块处于何种状态可以根据系统应用背景的要求进行相应配置；休眠状态时结点可以只允许微处理器以及电源管理模块处于开启状态。

系统基站维护一个结点数据发送与接收状态表(具体如图6所示)用于记录每个监测数据采集周期内传感器网络中每个结点需要以及上传(或接收)数据(或命令)的状态。在一个监测数据采集周期内，当基站发现每个结点需要接收的命令均已收到并且其需要上传的数据基站均已接收时，基站给传感器网络中的每个结点广播一条“开始休眠”消息，结点接收到该消息后将下一次监测的时间与当前系统时间的差值作为自己维护的定时器的当前定时值，接着结点进入休眠状态，同时其定时器开启，这样休眠结点在下一个监测数据采集周期开始时被唤醒，开始新一轮工作。

②网络部分瘫痪时：

在系统运行过程中，当发生由于电量不足或其他干扰等因素造成结点传输覆盖范围变小或部分结点的通信功能失效，致使原来网络连接发生部分瘫痪时，由于传感器网络中各个结点之间会定时发送保活消息，并根据是否收到保活消息的响应对自己的邻接表的信息进行更新，从而对网络的拓扑结构进行自适应调整。因此，在网络部分发生中断时，系统会自动根据物理传感器网络的变化情况自动进行消息路由结构的调整，因此，处于网络部分中断时的结点数据发送以及接收的过程与网络正常时是完全一致的。同时，处于网络部分瘫痪时的结点的休眠策略以及过程与处于网络正常时结点的休眠策略以及过程也是完全一致的。

③网络彻底瘫痪时：

当网络完全瘫痪时，监测数据经过多条途径，但最终数据仍然没有传送到基站，那么结点最终将无法收到基站的确认信息。这样，当超时计时器溢出时，结点启用自处理机制。该处理机制的默认处理方式简述如下：当某结点监测到采集的数据存在异常或自身遭到破坏时，就启动自报警模块，并打开该结点附近所有现场灯光等以提醒现场相关人员。

Claims (4)

1.本发明“一种基于传感器网络的工程安全监测系统及方法”的技术特征在于，系统包括：监测结点、基站和监测服务器，系统中每个监测结点之间、监测结点与基站之间均采用无线方式进行连接，基站与监测服务器之间利用GPRS网络进行连接。

2.根据权利1所述的“一种基于传感器网络的工程安全监测系统及方法”的技术特征在于，所述监测结点主要由微处理器、数据采集模块、无线通信模块、人机交互模块、现场执行模块、自报警模块以及电源管理模块组成。其中，数据采集模块、无线通信模块、现场执行模块和自报警模块均与微处理器相连接，电源管理模块负责向数据采集模块、无线通信模块、现场执行模块、人机交互模块、微处理器以及自报警模块提供电能。

3.根据权利1所述的“一种基于传感器网络的工程安全监测系统及方法”的技术特征在于，所述基站主要由微处理器、无线通信模块、人机交互模块、GPRS网络接口模块、现场执行模块、自报警模块以及电源管理模块组成。其中，无线通信模块、GPRS网络接口模块、现场执行模块、自报警模块和人机交互模块均与微处理器相连接，电源管理模块负责向无线通信模块、GPRS网络接口模块、人机交互模块、现场执行模块、自报警模块以及微处理器提供电能。

4.根据权利1所述的“一种基于传感器网络的工程安全监测系统及方法”的技术特征在于包括以步骤：

(1)监测结点的部署及初始参数的设置

该步骤的工作具体包括根据监测环境以及其他相关要求对监测结点和基站进行部署，监测结点标识、监测结点系统时间、监测时间选择、监测参量的选择以及自报警条件的设置等。

(2)传感器网络的建立

该步骤的工作是建立一种基于最小跳数场的网络结构。

(3)工程安全监测的过程

监测系统根据网络正常、网络部分瘫痪、网络完全瘫痪这三种情况分别进入不同的处理方式，具体处理方式如下：

①网络正常时：监测结点在基于最小跳数场的网络结构中根据自己剩余的电量以及其与基站的距离利用结点能量自适应路由算法进行信息的传输。在结点无数据采集任务时，其自动进入休眠状态，以减少电能消耗。

②网络部分瘫痪时：当由于电量不足或其他干扰等因素造成结点传输覆盖范围变小或部分结点的通信功能失效，致使原来网络连接发生部分瘫痪时，网络中的结点可以利用能量自适应路由算法自动进行路由变化，保证信息传输的顺利进行。在结点无数据采集任务时，其自动进入休眠状态，以减少电能消耗。

③网络彻底瘫痪时：网络中的结点利用结点能量自适应路由算法的路由改变始终不能使信息传输到基站，那么结点将无法收到基站的确认信息。这样当结点的超时计时器溢出时，其将启动自处理机制。

Images