CN107067690A - 一种基于ZigBee的隧道自动化监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee的隧道自动化监测系统及其监测方法，所述系统包括自动化数据采集系统、无线远程传输系统、用户服务平台，所述自动化数据采集系统包括传感器、数据采集系统和短距离无线发射接收装置，无线远程传输系统包括基站、远程无线传输装置和服务器，用户服务平台包括数据分析处理系统、智能化预警系统和管理中心等处理系统。本发明采用的是无线通信技术，节省了电缆的使用，避免了隧道施工对电缆造成的破坏，采用大规模网络进行大规模布点，可以对隧道结构进行更详细更准确的监测、预警及评价。

Description

一种基于ZigBee的隧道自动化监测系统及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种监测系统，尤其涉及一种基于ZigBee的隧道自动化监测系统及其监测方法。

背景技术

随着国家建设的快速发展，目前的公路、铁路隧道出现了一些新的特点：断面大、隧道长、地质条件复杂，隧道掘进面前方的不良地层条件极易引起隧道塌方、涌水。这些因素不仅在技术上给隧道施工带来极大的困难，也常常因突发事故导致人身伤亡、工期延误，从而造成巨大的经济损失，同时也引起了国家监管部门的高度重视。

目前用于隧道监测的方法及工具随着隧道跨度的不断增大或监测难度的不断增加，局限性越来越凸显，监测的精度和误差也越来越不能够满足要求，再者，目前的监测方法也不能进行实时监测，不具有自动报警或预警的功能，存在认为影响的因素。

另外，常规的一些监测仪器与方法也存在着一些根本性缺陷：点式测量，信息量少；难以实现分布式监测，往往会遗漏一些对工程安全致关重要的信息；耐久性差；易受强电磁场干扰，测量精度受到影响；不适合易燃、易爆、高温、雷击区等恶劣环境；不便远距离遥测和监控等。

随着科学技术的不断进步，为进一步提隧道工程监测信息的准确可靠，提高隧道参数监测手段的自动化程度，需要我们对监测设备、监测方法、监测手段等进行探索与研究，以实现隧道参数的监测由传统的监测设备、监测方法向智能结构系统转变。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于ZigBee的隧道自动化监测系统，利用无线传感数据通信网，结合先进的计算机信息技术，实现对隧道工程中净空收敛、拱顶位移、围岩压力等参数数据的自动化监测。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于ZigBee的隧道自动化监测系统，其特征在于包括:

自动化数据采集系统, 包括传感器、数据采集装置和短距离无线发射接收装置;在所述传感器既有的数字接口和通信协议加装自组网通信模块，所述采集器内置符合IEEE802.15.4无线协议的ZigBee嵌入式模块。

无线远程传输系统, 包括基站、远程无线运输装置和服务器; 所述传输系统采用WCDMA方式进行远程数据传输，并通过公网宽带接入所述系统服务器。

用户服务平台，包括数据分析处理系统、智能化预警系统、管理中心和报表中心等处理系统。

所述的传感器节点具有微处理器和存储器，可对原始数据进行处理，剔除大量无效数据，大大减少需无线传输的数据量。

所述的自动化数据采集系统可以实现对现场监测数据的自动采集、存储和预处理，短距离无线传输和远程控制。

所述的数据分析处理系统可实现对监测数据的分析和处理，引入智能非线性预测方法，预测监测数据的发展趋势，将分析结果以图形和报表等多种方式输出；智能化预警系统依据设定的预警值，对监测数据进行分析判断，并做出相应的预警指示。

所述的传感器监测内容包括变形监测、内力监测、裂缝监测和地下水位监测，所述的变形监测包括水平净空收敛、拱顶位移、土体分层竖向位移、周边地表位移、周边建筑位移、管线变形，所述的内力监测包括支护结构内力、锚杆轴力、围岩压力，裂缝监测包括隧道周边地表裂缝和建筑物裂缝、支护结构裂缝；所述的传感器可以根据测点所处位置选择合适的监测仪器和设备。

优选地，所述的传感器为光纤光栅传感器。

所述的采集器能够将所述的传感器产生的数字信号通过无线通信方式发往中继器，所述的自组网通信模块分别与现场中继器逐一配置，形成一对多点的分布式无线通信网。

所述的分布式无线通信网系统可定时或随时实现对测点实时数据的自动采集，所述测点采集器具有休眠和后台唤醒功能，能够通过现场配置或数据管理端原先加载接口协议，实时执行后台采集和发送指令，中继器通过WCDMA分组交换方式与管理后台建立双向通信机制。

所述的传感器节点可以根据施工进展随机布置，节点自动配置管理，形成多级无线网络，也可根据隧道工作状态，任意加入新的监测测点，具有良好的可扩展性，当某个节点故障时，其他节点自动寻找新的传输路径，不影响整个网路的正常工作。

所述的用户服务平台能够提供隧道模型管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表输出、综合管理等应用功能，平台包括分析处理系统、智能化预警系统和系统管理中心等子系统。

优选地，应用服务平台采用SOA( 面向服务的体系结构) 架构，基于J2EE 平台和B/S( 浏览器/服务器)多层体系架构，分为展示层、应用层、平台层、数据层和数据接口层。通过各层次组件间服务的承载关系，实现系统功能。

优选地，展示层包括界面表示层和界面控制层。其中，界面表示层负责业务数据收集、数据展示和客户端数据校验，采用功能强大的JQuery 前端展现框架，构建操作简洁、直观、使用方便的操作界面。另外灵活运用采用ActiveX 图形控件、3D 图形控件、Office 控件以及AJAX 页面数据刷新技术，提供最佳数据展现和用户体验。提供实时曲线和历史分析曲线显示，提供强大的图形统计分析与报表相关功能，可根据模板在线生成各种报表，可实现对统计分析图形及数据的导出。界面控制层响应表示层的请求、调用业务逻辑组件、对象集的转换、生成界面显示内容、维护用户对话关系使用，界面控制层采用MVC( 模型－ 视图－ 控制器) 框架技术，通过Struts、Servlet 等技术实现。

优选地，应用层包括业务逻辑层和业务服务层。业务逻辑层执行逻辑计算、完成业务功能逻辑，提供隧道模型管理、进度管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表生成、综合管理等应用功能。业务服务层实现隧道监测模型、数据解算及分析、预警反馈等基础服务。

优选地，所述数据层包括数据持久层、数据处理服务层和数据接收服务接口。所述数据持久层采用Hibernate O/R mapping 框架，数据库服务层采用Oracle 9i以上数据存储持久化数据；所述数据接收服务接口利用高性能的安全端口编程，可满足多个采集终端同时数据接入要求。数据存储与处理不仅提供接收实时数据的存储，而且还定期对实时数据进行汇总，满足统计分析要求。

实现所述自动化监测系统的监测方法如下：

首先，在传感器节点既有的数字接口和通信协议加装自组网通信模块，且传感器节点中具有微处理器和存储器，传感器节点对收集到的原始数据进行处理，剔除大量的无用数据后，将数据通过无线通信方式传输给数据采集装置，所述数据采集装置内置符合IEEE802.15.4无线协议的ZigBee嵌入式模块，数据采集装置对接收的传感器传来的监测数据进行自动采集、存储和预处理，并将处理后的数据通过无线通信方式发往短距离无线发射接收装置，所述的无线发射接收装置与传感器中加装的自组网通信模块通过数据采集装置逐一配置，形成一对多点的无线分布式通信网，所述的无线分布式通信网系统可定时或随时实现对测点实时数据的自动采集，所述的数据采集装置具有休眠和后台唤醒功能，能够通过现场配置或数据管理端原先加载接口协议，实时执行后台采集和发送指令，无线发射接收装置收到数据采集装置发来的数据后通过WCDMA传输给用户服务平台，并通过WCDMA分组交换方式与管理后台建立双向通信机制，所述的用户服务平台通过数据接收服务接口将数据接入平台后供存储、下载及各种后期处理等，实现对隧道的自动化监测。

与现有技术相比，本发明的有意效果是：

1、由于采用无线通信技术，传感器节点采用无线连接、无线铺设电缆，给安装带来了便利，节省了电缆的使用，避免了隧道施工对电缆造成破坏，确保了监测系统的安全性和稳定性；传感器节点优选地光纤光栅传感器，其抗电磁干扰较强，耐腐蚀性能强，传输损耗小、容量大，更进一步确保了监测系统的精确性、安全性和稳定性。

2、由于本发明的监测系统是基于ZigBee技术，所以可以进行大规模的布点，并且传感器节点可以根据施工进度随机布置，节点可自动配置管理，也可以任意加入新的监测测点，具有良好的可扩展性，当某个节点故障时，其他节点自动寻找新的传输路径，不影响整个网路的正常工作。同时，由于是通过对计算机技术及网路技术运用来实现整个监测系统的进行，改变了传统工程管理中出现人力、物力的重复投入造成的浪费，在节约成本的同时，也提高了工程管理的水平。

3、本发明能够实时获取隧道工程的参数数据，掌握监测节点多方面的动态变化规律，既能有效的指导现场施工，有利于保证整个施工过程的安全，也有利于控制结构的变形及其周围建筑和地下管线的安全，有利于优化施工和避免事故的发生。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明基于ZigBee的隧道自动化监测系统的总体构成图；

图2为本发明基于ZigBee的隧道自动化监测系统的结构示意图；

图3为本发明基于ZigBee的隧道自动化监测系统的用户服务平台的结构示意图。

具体实施方式

本发明所揭示的一种基于ZigBee的隧道自动化监测系统，利用无线传感数据通信网，结合先进的计算机信息技术，实现对隧道工程中净空收敛、拱顶位移、围岩压力等参数数据的自动化监测。

如图1所示，本发明所揭示的一种基于ZigBee的隧道自动化监测系统，包括：

自动化数据采集系统, 包括传感器、数据采集装置和短距离无线发射接收装置;在所述传感器既有的数字接口和通信协议加装自组网通信模块，所述采集器内置符合IEEE802.15.4无线协议的ZigBee嵌入式模块。

无线远程传输系统, 包括基站、远程无线运输装置和服务器; 所述传输系统采用WCDMA方式进行远程数据传输，并通过公网宽带接入所述系统服务器。

用户服务平台，包括数据分析处理系统、智能化预警系统、管理中心和报表中心等处理系统。

具体地，如图2所示，测量节点包括多个传感器，如沉降仪、水位计、测斜仪、水准仪、钢筋计、轴力计和裂缝计等，传感器均为光纤光栅传感器，每个传感器既有的数字接口和通信协议均加装自组网通信模块，无线采集终端均内置符合IEEE 802.15.4无线协议的ZigBee嵌入式模块。

传感器节点中具有微处理器和存储器，对原始数据进行处理后，剔除大量无效数据，并将数据传输给无线采集终端。

无线采集终端对收到的传感器传来的监测数据进行自动采集、存储和预处理，并将数据通过无线通信方式发往中继器。传感器中加装的自组网通信模块通过无线采集终端后分别于现场中的中继器逐一配置，形成一对多点的无线分布式通信网，如图2所示，图中包括一对二和一对三点的无线分布式通信网。

形成的无线分布式通信网系统可定时或随时实现对测点实时数据的自动采集，无线采集终端具有休眠和后台唤醒功能，能够通过现场配置或数据管理端原先加载接口协议，实时执行后台采集和发送指令，中继器收到无线采集终端发来的数据后通过WCDMA传输给后台应用平台，并通过WCDMA分组交换方式与管理后台建立双向通信机制。应用服务平台通过数据层中的数据接收服务接口将数据接入平台供存储、下载及处理等各种后期处理。

应用服务平台采用SOA( 面向服务的体系结构) 架构，基于J2EE 平台和B /S( 浏览器/服务器)多层体系架构，分为展示层、应用层、平台层、数据层和数据接口层。通过各层次组件间服务的承载关系，实现系统功能，具体的应用服务平台如图3所示。

展示层包括界面表示层和界面控制层。其中，界面表示层负责业务数据收集、数据展示和客户端数据校验，采用功能强大的JQuery 前端展现框架，构建操作简洁、直观、使用方便的操作界面。另外灵活运用采用ActiveX 图形控件、3D 图形控件、Office 控件以及AJAX 页面数据刷新技术，提供最佳数据展现和用户体验。提供实时曲线和历史分析曲线显示，提供强大的图形统计分析与报表相关功能，可根据模板在线生成各种报表，可实现对统计分析图形及数据的导出。界面控制层响应表示层的请求、调用业务逻辑组件、对象集的转换、生成界面显示内容、维护用户对话关系使用，界面控制层采用MVC( 模型－ 视图－ 控制器) 框架技术。

应用层包括业务逻辑层和业务服务层。业务逻辑层执行逻辑计算、完成业务功能逻辑，提供隧道模型管理、进度管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表生成、综合管理等应用功能。业务服务层实现基坑监测模型、数据解算及分析、预警反馈等基础服务。

数据层包括数据持久层、数据处理服务层和数据接收服务接口。所述数据持久层采用Hibernate O/R mapping 框架，数据库服务层采用Oracle 9i以上数据存储持久化数据；数据接收服务接口利用高性能的安全端口编程，可满足多个采集终端同时数据接入要求。数据存储与处理不仅提供接收实时数据的存储，而且还定期对实时数据进行汇总，满足统计分析要求。

用户服务平台能够提供隧道模型管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表输出、综合管理等应用功能，平台包括分析处理系统、智能化预警系统和系统管理中心等子系统。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示而作出不背离本发明实质的替换及修饰，因此，本发明保护范围不限于实施例所揭示的内容，也包括各种不背离本发明实质的替换及修饰。

Claims (9)

1.一种基于ZigBee的隧道自动化监测系统，其特征在于包括:

自动化数据采集系统, 包括传感器、数据采集装置和短距离无线发射接收装置;在所述传感器既有的数字接口和通信协议加装自组网通信模块，所述采集器内置符合IEEE802.15.4无线协议的ZigBee嵌入式模块；

无线远程传输系统, 包括基站、远程无线运输装置和服务器; 所述传输系统采用WCDMA方式进行远程数据传输，并通过公网宽带接入所述系统服务器；

用户服务平台，包括数据分析处理系统、智能化预警系统、管理中心和报表中心等处理系统。

2.根据权利要求1所述的无线自动化监测系统，其特征在于：所述的传感器节点具有微处理器和存储器，可对原始数据进行处理，剔除大量无效数据，大大减少需无线传输的数据量。

3.根据权利要求2所述的隧道自动化监测系统，其特征在于：所述的传感器监测内容包括变形监测、内力监测、裂缝监测和地下水位监测，所述的变形监测包括水平净空收敛、拱顶位移、土体分层竖向位移、周边地表位移、周边建筑位移、管线变形，所述的内力监测包括支护结构内力、锚杆轴力、围岩压力，裂缝监测包括隧道周边地表裂缝和建筑物裂缝、支护结构裂缝；所述的传感器可以根据测点所处位置选择合适的监测仪器和设备，所述的传感器优选地可选择光纤光栅传感器。

4.根据权利要求1所述的隧道自动化监测系统，其特征在于：所述的自动化数据采集系统可以实现对现场监测数据的自动采集、存储和预处理，短距离无线传输和远程控制。

5.根据权利要求1所述的隧道自动化监测系统，其特征在于：所述的用户服务平台能够提供隧道模型管理、数据分析处理、安全评估、预警反馈、曲线及报表输出、综合管理等应用功能，平台包括分析处理系统、智能化预警系统和系统管理中心等子系统；所述的数据分析处理系统可实现对监测数据的分析和处理，引入智能非线性预测方法，预测监测数据的发展趋势，将分析结果以图形和报表等多种方式输出；智能化预警系统依据设定的预警值，对监测数据进行分析判断，并做出相应的预警指示。

6.根据权利要求1所述的隧道自动化监测系统，其特征在于：所述的采集器能够将所述的传感器产生的数字信号通过无线通信方式发往无线发射接收装置，所述的自组网通信模块分别与无线发射接收装置逐一配置，形成一对多点的分布式无线通信网。

7.根据权利要求6所述的隧道自动化监测系统，其特征在于：所述的分布式无线通信网系统可定时或随时实现对测点实时数据的自动采集，所述测点采集器具有休眠和后台唤醒功能，能够通过现场配置或数据管理端原先加载接口协议，实时执行后台采集和发送指令，无线发射接收装置通过WCDMA分组交换方式与管理后台建立双向通信机制。

8.根据权利要求2所述的隧道自动化监测系统，其特征在于：所述的传感器节点可以根据施工进展随机布置，节点自动配置管理，形成多级无线网，当某个节点故障时，其他节点自动寻找新的传输路径，不影响整个网路的正常工作。

9.根据以上任一项权利要求所述的隧道自动化监测系统，其特征在于：所述自动化监测系统的监测方法如下：

首先，在传感器节点既有的数字接口和通信协议加装自组网通信模块，且传感器节点中具有微处理器和存储器，传感器节点对收集到的原始数据进行处理，剔除大量的无用数据后，将数据通过无线通信方式传输给数据采集装置，所述数据采集装置内置符合IEEE802.15.4无线协议的ZigBee嵌入式模块，数据采集装置对接收的传感器传来的监测数据进行自动采集、存储和预处理，并将处理后的数据通过无线通信方式发往短距离无线发射接收装置，所述的无线发射接收装置与传感器中加装的自组网通信模块通过数据采集装置逐一配置，形成一对多点的无线分布式通信网，所述的无线分布式通信网系统可定时或随时实现对测点实时数据的自动采集，所述的数据采集装置具有休眠和后台唤醒功能，能够通过现场配置或数据管理端原先加载接口协议，实时执行后台采集和发送指令，无线发射接收装置收到数据采集装置发来的数据后通过WCDMA传输给用户服务平台，并通过WCDMA分组交换方式与管理后台建立双向通信机制，所述的用户服务平台通过数据接收服务接口将数据接入平台后供存储、下载及各种后期处理等，实现对隧道的自动化监测。