CN106652405A - 一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统，所述系统包括无线传感器、无线网关和远程服务器，所述的无线网关通过ZigBee方式连接无线传感器模块，通过3G/4G方式连接远程服务器，所述的无线传感器包括无线倾角传感器节点、无线渗漏水传感器节点、无线接缝张开传感器节点，无线网关通过ZigBee方式连接各传感器节点，无线倾角传感器节点周期性发送倾角数据至无线网关，无线渗漏水传感器节点周期性发送渗漏水数据至无线网关，无线接缝张开传感器节点周期性发送接缝张开数据至无线网关。与现有技术相比，本发明具有兼容多种传感器节点，传感器节点低能耗、高集成度、小体积，无线传感器网络生命周期长、可扩展性高、安全性高等优点。

Description

一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统

技术领域

本发明涉及一种隧道结构远程监测系统，尤其是涉及一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统。

背景技术

随着地铁隧道的快速发展，地铁隧道的安全监测已经刻不容缓。然而，地铁隧道不同于其他监测对象，具体表现在：监测内容和体量庞大，隧道内部环境复杂，隧道隐患部位隐蔽性强等特点。因此，在地铁隧道背景下，应用传统的监测方式，费时费力，且极易受到时间等因素的限制，难以满足全自动、全天候的实时监测需求。

近年来，随着科学技术水平的不断提升，无线传感器网络技术也不断成熟，在不同工作环境实现了应用，并发挥着举足轻重的作用。无线传感器网络是利用大量的传感器对特定区域实现协同式感知，并以无线通信的方式将监测信息传输给监控者。

现有的隧道结构监测系统以传统有线监测为主，导致隧道内线缆过于复杂。少部分隧道结构远程监测系统虽然很大程度上克服了传统监测方法的缺点，但是监测方式依然单一。为了克服前述并且其它缺陷，需要一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统及方法。无线传感器网络具有长生命周期、高可扩展性、高安全性等特点，特别是其传感器节点具有其他监测手段所不具有的优点：低能耗、高集成度、小体积等。因此，应用无线传感器网络技术实现对地下环境的监测是一种非常有效的监测手段。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统，所述系统包括无线传感器、无线网关和远程服务器，所述的无线网关通过ZigBee方式连接无线传感器模块，通过3G/4G方式连接远程服务器，所述的无线传感器包括无线倾角传感器节点、无线渗漏水传感器节点、无线接缝张开传感器节点，无线网关通过ZigBee方式连接各传感器节点，无线倾角传感器节点周期性发送倾角数据至无线网关，无线渗漏水传感器节点周期性发送渗漏水数据至无线网关，无线接缝张开传感器节点周期性发送接缝张开数据至无线网关。

所述的无线网关安装于隧道里的电箱中，同时配备了备用电池。

所述的无线倾角传感器节点安装于盾构隧道管片上，所述的无线渗漏水传感器节点安装于盾构隧道管片已发生或易发生渗漏水处，所述的无线接缝张开传感器节点安装于盾构隧道管片衔接处。

所述的无线倾角传感器节点、无线渗漏水传感器节点和无线接缝张开传感器节点设有传感器采集单元、电源单元、微处理器单元和无线通信单元，不同的无线传感器节点内传感器采集单元不同，不同的无线传感器节点的电源单元、微处理器单元和无线通信单元相同。

所述的无线倾角传感器节点中的传感器采集单元采用双轴倾角罗盘系列，选择数字信号输出；所述的无线渗漏水传感器节点中的传感器采集单元采用线状渗漏水传感器，均匀布置了6个铜片；所述的无线接缝张开传感器节点中的传感器采集单元采用差动变压器式位移传感器，其采样精度是0.01毫米，测量范围是5米。

所述的电源单元采用锂电池供电，所述的电源单元包括对锂电池的直流电压降压的第一降压芯片，和对锂电池的直流电压进一步降压的第二降压芯片，其中第一降压芯片输出端连接传感器采集单元和微处理器单元，第二降压芯片输出端接无线通信单元。

所述的微处理器单元中设有配以晶振的单片机，包括至少一个由I/O端口驱动的LED灯、一个与ZigBee无线通信模块进行串口通信接口、一个与倾角传感器芯片进行数字数据通信的接口、一个用来进行工作模式切换的中断、一个实现调试器对芯片进行程序烧写的烧录接口、一个用来对微处理器系统进行复位的复位按钮。

所述的微处理器单元内设有3个I/O端口分别驱动的3个颜色不同的LED灯。

所述的无线通信单元内芯片与微处理器单元内的单片机进行数据传输，通过内置的RF模块进行数据的无线电传输。

所述的无线网关还包括汇聚模块，该系统的网络组网流程如下：

S1、无线网关中的汇聚模块进行初始化；

S2、各个传感器节点收到来自汇聚模块的初始化信息后，向汇聚模块发送“申请入网”的信息；

S3、汇聚模块收到数据后会进行回传数据判断，如果是“申请入网”信息，则给予允许入网，并分配地址，之后传感器节点开始进行数据采集与传输；

S4、汇聚模块收到数据后会进行回传数据判断，如果是“监测数据”，则汇聚单元接收数据，通过串口发给3G/4G模块，再通过3G/4G模块传输至服务器，如果是其他信息则返回步骤S4。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本系统兼容多种传感器节点，包括倾角传感器节点、渗漏水传感器节点、接缝张开传感器节点等，全系统采用无线传输方式收集各类传感器数据，实时发送至远端服务器，实现远程监控功能；根据两种倾角传感器位置实现两种不同倾角方向测量，测量隧道轴向和径向的管片倾斜度；

2)本系统适用于隧道结构健康监测，利用多种传感器和多种无线通信方式，实现隧道结构远程监控；

3)传感器节点具有低能耗、高集成度、小体积等优点，无线传感器网络具有长生命周期、高可扩展性、高安全性等特点。

附图说明

图1为本发明一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统框架图；

图2为本发明的节点硬件框图；

图3为本发明的节点初始化程序流程图；

图4为本发明的节点唤醒程序流程图；

图5为本发明一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测网络组网流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统，所述系统包括无线传感器模块、无线网关和远程服务器，所述无线传感器模块包括无线倾角传感器节点、无线渗漏水传感器节点和无线接缝张开传感器节点。所述的无线倾角传感器节点安装于盾构隧道管片上，周期性发送倾角数据至无线网关。所述的无线渗漏水传感器节点安装于盾构隧道管片已发生或易发生渗漏水处，周期性发送渗漏水数据至无线网关。所述的无线接缝张开传感器节点安装于盾构隧道管片衔接处，周期性发送接缝张开数据至无线网关。所述的无线网关通过ZigBee方式连接无线倾角传感器节点、无线渗漏水传感器节点和无线接缝张开传感器节点，通过3G方式连接远程服务器。

所述的无线网关安装于隧道里的电箱中，由220V交流电供电，同时配备了可充电备用锂电池防止断电。

如图2所示，无线倾角传感器节点、无线渗漏水传感器节点和无线接缝张开传感器节点具有相同的硬件架构，包括传感器单元、处理器单元、无线通信单元和能源供应单元。

传感器单元主要负责采集传感器数据。传感器单元主要由传感器和ADC模拟数字转换器/DAC数字模拟转换器电路组成，每个节点具有相应的传感器。所述的无线倾角传感器节点中的传感器采集单元采用VTI科技双轴倾角罗盘系列SCA100T，选择数字信号输出。所述的无线渗漏水传感器节点中的传感器采集单元采用线状渗漏水传感器，均匀布置了6个铜片。所述的无线接缝张开传感器节点中的传感器采集单元采用差动变压器式位移传感器，其采样精度是0.01毫米，测量范围是5米。

处理器单元主要由处理器和存储器组成，分别负责处理和存储传感器数据。处理器单元即微处理器单元采用Atmel公司的ATmega16A单片机，配以8M晶振，包含由3个I/O端口分别驱动的3个颜色不同的LED灯、一个与ZigBee无线通信模块进行串口通信的USART口、一个与倾角传感器芯片进行数字数据通信的SPI口、一个用来进行工作模式切换的中断INT0、一个实现ICE JTAG调试器对芯片进行程序烧写的JTAG烧录接口、一个用来对微处理器系统进行复位的复位按钮。

无线通信单元主要由网络、MAC、收发器组成，进行节点间组网并传输传感器数据。所述的无线通信单元采用TI公司的CC2530芯片，通过速率为9600bps的串口USART0与微处理器ATmega16A进行数据传输，通过内置的RF模块进行数据的无线电传输。

能量供应单元为各个模块提供能量，由电池供电。能源供应单元设有电源，所述的电源采用12V锂电池供电，采用降压芯片LM2596S-5V把锂电池的12V直流电压转换为5V直流电压，采用降压芯片AMS1117-3.3进一步把5V直流电压降压到3.3V，其中5V直流电给传感器采集单元和微处理器单元供电，3.3V直流电给无线通信单元供电。

如图3、图4所示，各个节点具有相同的程序流程图。图3为本发明的节点初始化程序流程图，节点进行初始化，使能外部中断和全局中断，进入掉电模式，持续休眠节省能量消耗。图4为本发明的节点唤醒程序流程图，外部定时器达到预设时间后会触发中断，唤醒节点，进行传感器采样以采集数据，并进行数据处理，再把数据通过串口发送给CC2530。CC2530是ZigBee通信模块，把传感器数据通过ZigBee传输至无线网关中的汇聚单元。

如图5所示，一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统的网络组网流程。网络组网由汇聚模块发起，汇聚模块进行初始化，广播初始化信息建立无线网络，开启无线监听。各个传感器节点收到来自汇聚模块的初始化信息后，会发送“申请入网”的信息。汇聚模块收到数据后会进行回传数据判断，如果是“申请入网”信息，则给予允许入网，并分配地址。各个传感器节点分配完网络地址，则开始进行传感器数据传输，每次采集到传感器监测数据，实时地发送至汇聚模块。汇聚模块收到数据后会进行回传数据判断，如果是“监测数据”，接收数据，通过串口发给3G/4G单元，再通过3G单元传输至服务器，从而实现多种无线传感器节点的隧道结构远程监测。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统，所述系统包括无线传感器、无线网关和远程服务器，所述的无线网关通过ZigBee方式连接无线传感器模块，通过3G/4G方式连接远程服务器，其特征在于，所述的无线传感器包括无线倾角传感器节点、无线渗漏水传感器节点、无线接缝张开传感器节点，无线网关通过ZigBee方式连接各传感器节点，无线倾角传感器节点周期性发送倾角数据至无线网关，无线渗漏水传感器节点周期性发送渗漏水数据至无线网关，无线接缝张开传感器节点周期性发送接缝张开数据至无线网关。

2.根据权利要求1所述的一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统，其特征在于，所述的无线网关安装于隧道里的电箱中，同时配备了备用电池。

3.根据权利要求1所述的一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统，其特征在于，所述的无线倾角传感器节点安装于盾构隧道管片上，所述的无线渗漏水传感器节点安装于盾构隧道管片已发生或易发生渗漏水处，所述的无线接缝张开传感器节点安装于盾构隧道管片衔接处。

4.根据权利要求1所述的一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统，其特征在于，所述的无线倾角传感器节点、无线渗漏水传感器节点和无线接缝张开传感器节点设有传感器采集单元、电源单元、微处理器单元和无线通信单元，不同的无线传感器节点内传感器采集单元不同，不同的无线传感器节点的电源单元、微处理器单元和无线通信单元相同。

5.根据权利要求4所述的一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统，其特征在于，所述的无线倾角传感器节点中的传感器采集单元采用双轴倾角罗盘系列，选择数字信号输出；所述的无线渗漏水传感器节点中的传感器采集单元采用线状渗漏水传感器，均匀布置了6个铜片；所述的无线接缝张开传感器节点中的传感器采集单元采用差动变压器式位移传感器，其采样精度是0.01毫米，测量范围是5米。

6.根据权利要求4所述的一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统，其特征在于，所述的电源单元采用锂电池供电，所述的电源单元包括对锂电池的直流电压降压的第一降压芯片，和对锂电池的直流电压进一步降压的第二降压芯片，其中第一降压芯片输出端连接传感器采集单元和微处理器单元，第二降压芯片输出端接无线通信单元。

7.根据权利要求4所述的一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统，其特征在于，所述的微处理器单元中设有配以晶振的单片机，包括至少一个由I/O端口驱动的LED灯、一个与ZigBee无线通信模块进行串口通信接口、一个与倾角传感器芯片进行数字数据通信的接口、一个用来进行工作模式切换的中断、一个实现调试器对芯片进行程序烧写的烧录接口、一个用来对微处理器系统进行复位的复位按钮。

8.根据权利要求7所述的一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统，其特征在于，所述的微处理器单元内设有3个I/O端口分别驱动的3个颜色不同的LED灯。

9.根据权利要求4所述的一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统，其特征在于，所述的无线通信单元内芯片与微处理器单元内的单片机进行数据传输，通过内置的RF模块进行数据的无线电传输。

10.根据权利要求1所述的一种基于多种无线传感器节点的隧道结构远程监测系统，其特征在于，所述的无线网关还包括汇聚模块，该系统的网络组网流程如下：

S1、无线网关中的汇聚模块进行初始化；

S2、各个传感器节点收到来自汇聚模块的初始化信息后，向汇聚模块发送“申请入网”的信息；

S3、汇聚模块收到数据后会进行回传数据判断，如果是“申请入网”信息，则给予允许入网，并分配地址，之后传感器节点开始进行数据采集与传输；

S4、汇聚模块收到数据后会进行回传数据判断，如果是“监测数据”，则汇聚单元接收数据，通过串口发给3G/4G模块，再通过3G/4G模块传输至服务器，如果是其他信息则返回步骤S4。