CN103813476A - 一种城市地铁监测物联网方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种城市地铁(轻轨)工程安全监测物联网方法与装置，它将无线智能传感器安置于隧道、桥梁监控点，组成传感器群，无线智能传感器包括：收敛计，精密水准计，多点位移计，裂缝计，声波仪，测力计等隧道安全信息监测传感器，GPS卫星定位装置，施工机械安全信息传感器，视频监控单，还包括盾构机、车架及荷载信息系统，组成传感群信息；通过物联网无线中间件连接成网，经中继接收机传输到现场监控站与远程监控中心，由监控站与远程监控中心的物联网智能系统，计算处理全部数据，智能输出指令，预测不安全状态，发出应急指令，包括：优化施工路径、紧急救援智能信息与提示、隧道安全智能信息与警示、安全施工监测智能信息与提示，使全系统预警与应急处理。

Description

一种城市地铁监测物联网方法与装置

技术背景

随着社会进步与交通事业的迅猛发展，地铁隧道、跨江隧道、桥梁工程数量成倍增长，建设规模越来越大，结构也越来越复杂，但是，近年来隧道、桥梁安全事故频频发生，对人们的生命及财产造成了危害，对隧道、桥梁的施工监控、使用监测、预警以及采取应急措施已迫在眉睫。

依据地下建筑结构形式，城市地铁可分为地铁车站和地铁隧道两类。地铁车站属于大型地下洞室。从开挖施工形式分为洞室掘进和明挖施工两类。所以城市地铁工程的安全监测大体可归类为地下洞室监测、隧道监测和基坑监测。

发明内容：

本发明涉及一种城市地铁(轻轨)工程安全监测物联网方法与装置，它建立基于物联网的主动式智能传感器与标签组成的无线网络，该网络由前述隧道、桥梁监控传感器集群测量到监控点的信息并组成传感器节点通过物联网中间体连接RFID形成智能标签，通过智能标签间多跳传输直至到达最终目标。监测到的信息利用无线传感器网络的物联网协议来传输，从而达到对隧道、桥梁进行安全监测、预警及应急技术。

本发明方案一；一种城市地铁(轻轨)工程安全监测物联网方法。

物联网技术的核心是传感器、射频识别技术(RFID)、无线传感网络以及数据融合处理技术，按照约定协议实现物与物、人与人、人与物的任何时间地点的连接，从而进行数据交换与通讯，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的庞大网络系统。

物联网监控采用精密探测感知设备以及无线传输技术，能够改善传统的监测作业的缺点，其基本结构是传感器集群通过无线组网模块形成前端感测网，由于隧道、桥梁工程施工面积或体积比较庞大，综合采用有线或无线方式将安置于监控点的传感器群通过物联网中间体连接成网，并且定义测量单位，明确界定安全状态的边界规范，预测不安全时间及状态，并提出安全的解决方案，将这些约定经过量化，建立模型后存入系统中，供系统自动对比采取报警以及应急措施。

本发明方案二：无线物联网方法与装置。

设置Zigbee模块在隧道、桥梁中监控传输，它采用2.4GHz波段，采用跳频技术和扩频技术，与254个节点联网，Zigbee的协议结构体系由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，IEEE 802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC子层协议。

隧道、桥梁监控中使用的智能传感标签体积较小，成本也较低，网络中的数据流量也比较小，所以选择IEEE802.15.4/ZigBee协议作为智能传感标签网络。ZigBee协议可以使得功能单调、通信范围小的RFID标签具有传感器节点的特性。把智能标签融入系统会引起很多端到端的安全保证方面的问题，而IEEE802.15.4协议提供了相应的密钥加密技术和认证来保证端到端系统的安全。

本发明方案三、RFID智能标签。

通过射频信号自动识别对象，并对其信息进行标志、登记、存储和管理。其系统组成有电子标签(有芯片和标签天线或线圈组成，通过电感耦合或电磁反射原理与读写器进行通信)，读写器(读取或写入标签信息的设备)，天线(可以内置在读写器中，也可以通过同轴电缆与读写器天线接口相连)。

RFID主要用于识别，实施对目标的标识和管理；WSN无线节点用于组网，实现数据传输，具有部署简单，实现成本低廉等优点，将RFID与WSN无线节点融合，将传感器设计到RFID的主动标签中，给主动标签配置一个微处理器，主动标签实现无线传感网络节点，成为智能传感标签。

此标签类为无线传感器节点，可以通过多跳方式传递数据，并将最终的数据传递到汇聚节点，等同于网络基站，整个网络中只需要一个阅读器，有效的减少了阅读器与有线网络设备的数量；智能传感标签具有无线传感网节点的数据处理能力还具有FRID的标签的ID码，实现无线传输网的识别功能，把他应用于隧道、桥梁等重大工程的检测。

采用多路数据采集技术，采用双CPU控制，从CPU负责采集七路数据，同时应答主CPU发送的命令。主CPU进行数据处理，数据显示，键盘输入，系统报警，语音播报通道的电压值。在主CPU与从CPU的通讯中，采用国际标准的RS485差分方式接口，使通讯的速率和传输距离均大于RS232的标准接口方式，并且用线最少(只要两根)。实现一种具有语音播报、语音提示的高性能、高智能的实用型远距离多路数据采集系统。

本发明方案四、一种城市地铁(轻轨)工程安全监测物联网方法与装置

整体系统：组建一种隧道、桥梁用物联网，采用通用中间连接体电路模块直接用于直接接口普通位移传感器、压力传感器、直接接口射频识别(RFID)、直接接口现行以太网系统及互联网，集成为智能隧道、桥梁用物联网系统。

传感部分：

传感器部分包括：收敛计，精密水准计，多点位移计，裂缝计，声波仪，测力计，锚杆应力计，应力计、应变计，速度计、加速度计，渗压计，量水堰，温度计，隧道安全信息监测传感器、GPS卫星定位装置、施工机械安全信息传感器、视频监控单元、危险品的状况信息监控传感器等；射频识别包括传感器种类、位置信息，还包括盾构机、车架及荷载信息系统；网络及电脑智能软件包括：GPS卫星定位与优化施工机械路径智能信息与提示、隧道安全智能信息与警示、安全施工监测智能信息与提示、危险品的状况智能信息监控与警示、物资防盗监测智能录像系统、车辆隧道事故监测智能录像系统，最后配置车载接收机，组成完整的物联网系统。

中间连接体模块：

主要包括：数据接口模块、单片机、存储模块、射频收发器模块、GSM模块及电源管理模块等，将它们集成在单块双层电路板上，组成通用中间连接体模块，其智能控制由中间连接体模块中的单片机并结合上层计算机智能软件完成，再配置车载接收机，组成完整的物联网系统。

其中数据接口模块采用MAX125多路数据采集芯片，单片机采用MSP430F149，存储模块采用双口RAM模块IDT7132，射频收发器采用CC2420模块，电路板采用双层混合集成电路板配以输入输出及数据通用端口。

数据接口模块辅之输入输出及数据用用端口，与传感器的数据线链接，传感器信号传输到数据接口模块中，经数据接口模块，模拟多路开关控制通道的切换，采样保持、A/D转换、再通过MAX125的双向并行口对MAX125二次编程，转换完成后结果数据储存在芯片内部的4x14bitRAM中，外部电路接收到全部转换完毕发出的中断信号后，可以依次对MAX125的读使能脚施加读脉，由单片机MSP430F149程序控制，经存储模块双口RAM模块IDT7132，缓冲数据，发送到射频收发器采用CC2420模块上，由他按指令发射数据信号到以太网接收模块上，由智能软件控制通过无线通讯网输出到车载接收机上，控制被控对象，如车载接收机、现场监控站、远程监控中心、预警台站等，实现物联网的功能。

本发明核心内容：

1.其特征是：将无线智能传感器安置于隧道、桥梁监控点，组成传感器群，无线智能传感器包括：收敛计、精密水准计、多点位移计、裂缝计、声波仪、测力计、锚杆应力计、应力计、应变计、速度计、加速度计、渗压计、量水堰与温度计等隧道安全信息监测传感器，还包括GPS卫星定位装置、施工机械安全信息传感器、视频监控单元、危险品的状况信息监控传感器等，还包括盾构机、车架及荷载信息系统，它们组成传感群信息；通过物联网无线中间件连接成网，经中继接收机传输到现场监控站与远程监控中心，由监控站与远程监控中心的物联网智能系统，计算处理全部数据，智能输出指令，预测不安全状态，发出应急指令，包括：优化施工路径、紧急救援智能信息与提示、隧道安全智能信息与警示、安全施工监测智能信息与提示，使全系统预警与应急处理。

2.其特征是：将RFID与WSN无线节点，置于诸如：位移计、裂缝计等隧道监测传感器中，组成无线智能传感器，实现无线传感网络节点，通过物联网无线中间件连接成无线传感网。

附图为本发明的结构图，下面结合附图说明一下工作过程

1.射频收发器模块/GSM模块、2.万能数据接口处理模块、3.中间连接体电路板连线二4.中间连接体电路板连线一、5.标准接线端子、6.隧道信息监测传感器、7.GPS卫星定位装置、8.施工机械安全信息传感器、9.施工监测传感器、10.安全盾构工况监测传感器、11.视频监控单元、12.测缝计、裂缝计传感器、13.渗压计、测压管、量水堰传感器、14.器械防盗监测装置、15.危险品的状况信息监控传感器，16.通讯连线/无线通讯、17.互联网计算机一、18.以太网中心计算机、19.远程监控中心、20.现场监控站、21.无线通讯网、22.车载接收机流动监控站、23.互联网计算机二、24.单片机25.中间连接体模块/双层混合集成电路板、

工作过程如下

由6～15传感器经16通讯连线接到5标准接线端子上，带有RFID的射频信号经无线/有线传输到5标准接线端子上，5标准接线端子一将信号通过4中间连接体电路板连线一，传输到2万能数据接口处理模块上，再经4中间连接体电路板连线传输到24单片机上，后经4中间连接体电路板连线传输到1射频收发器模块/GSM模块上，之后，一路信号经4中间连接体电路板连线四传输到5标准接线端子上，再经通讯连线/无线通讯二传输给17互联网计算机一、18以太网中心计算机、23互联网计算机二上，由17、18、23三套计算机经智能软件处理后，通过21无线通讯网发送给22、20与19被控制对象的车载接收机、现场监控站、远程监控中心上，5、2、1、4、3与24均装在25电路板上，组成中间连接体模块25，由+、-电极供电，由24单片机编程控制25中间连接体模块的运转，结合18以太网中心计算机的智能软件，处理后经21发射到22、20、23车载接收机、、现场监控站、远程监控中心上，实现物联网的智能传感传输、提示语控制功能。

其中2万能数据接口模块辅之输入输出及数据用用端口5，与传感器6～15的数据线链接，包括有无线射频连接，传感器信号传输到数据接口模块中2，经数据接口模块2的模拟多路开关控制通道的切换，采样保持、A/D转换、再通过2的MAX125的双向并行口对MAX125二次编程，转换完成后结果数据储存在2的芯片内部的4x14bitRAM中，外部电路接收到全部转换完毕发出的中断信号后，可以依次对MAX125的读使能脚施加读脉，由24单片机MSP430F149程序控制，经24的存储模块双口RAM模块IDT7132，缓冲数据，发送到1射频收发器采用CC2420模块上，由1按指令发射数据信号到19以太网接收计算机接受卡上，由18的智能软件处理后，控制通过21无线通讯网输出到22、20、23车载接收机上，提示及控制被控对象，如车载监控站、现场监控站、远程监控中心、预警台站等，实现物联网的功能。

Claims (2)

1.一种城市地铁(轻轨)工程安全监测物联网方法与装置，其特征是：将无线智能传感器安置于隧道、桥梁监控点，组成传感器群，无线智能传感器包括：收敛计、精密水准计、多点位移计、裂缝计、声波仪、测力计、锚杆应力计、应力计、应变计、速度计、加速度计、渗压计、量水堰与温度计等隧道安全信息监测传感器，还包括GPS卫星定位装置、施工机械安全信息传感器、视频监控单元、危险品的状况信息监控传感器等，还包括盾构机、车架及荷载信息系统，它们组成传感群信息；通过物联网无线中间件连接成网，经中继接收机传输到现场监控站与远程监控中心，由监控站与远程监控中心的物联网智能系统，计算处理全部数据，智能输出指令，预测不安全状态，发出应急指令，包括：优化施工路径、紧急救援智能信息与提示、隧道安全智能信息与警示、安全施工监测智能信息与提示，使全系统预警与应急处理。

2.其特征是：将RFID与WSN无线节点，置于诸如：位移计、裂缝计等隧道监测传感器中，组成无线智能传感器，实现无线传感网络节点，通过物联网无线中间件连接成无线传感网。