CN108200662A - 城市轨道交通土建设施智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了城市轨道交通土建设施智能监测系统，包括环境监控平台以及由监测节点和汇聚节点组成的无线传感器网络，其中所述的监测节点包括电源电路、数据采集电路、数据处理电路和无线通信电路；所述的汇聚节点包括电源电路和无线通信电路，所述的监测节点负责对环境数据进行采集和处理并通过无线通信电路传输给汇聚节点，汇聚节点通过无线通信电路接收到数据后，定时将环境数据通过串口传递给环境监控平台，环境监控平台将收到的相关信息进行处理。本发明实现了对城市轨道交通土建设施现场的智能监测。

Description

城市轨道交通土建设施智能监测系统

技术领域

本发明土建设施监控技术领域，具体涉及城市轨道交通土建设施智能监测系统。

背景技术

城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点、保护环境、节约能源和用地等特点，大力发展城市轨道是舒缓国内交通拥堵难题的重要途径。城市轨道交通的有序正常运行，需要现场调度、统一指挥，同时对运行车辆、运行线路及沿线环境等也要求处在正常范围内。

无线传感器网络的较低的传输时延、较低的功耗、较低的成本、较高的安全性等优点，使得它的应用范围涉及到工业监控、环境检测保护、交通、消防、军事等各个领域。基于无线传感器网络的监测系统，使得监测系统能够自己去感知信息并处理信息；应用到对轨道交通土建设施的监控中，所需要的无线传感器一般规模比较大，节点数目多，且无人值守。因此，在系统中通过形式多样又具有可靠通信质量的传感器来测量周围环境中的光照、温度、红外、声纳、雷达等信号，获取环境的温度湿度、噪声、光强度、压强等有用信息并初步处理，传给环境监控平台，最后显示获取的数据，从而实现对现场实行有效的监测和控制。

发明内容

针对上述问题，本发明提供城市轨道交通土建设施智能监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了城市轨道交通土建设施智能监测系统，包括环境监控平台以及由监测节点和汇聚节点组成的无线传感器网络，其中所述的监测节点包括电源电路、数据采集电路、数据处理电路和无线通信电路；所述的汇聚节点包括电源电路和无线通信电路，所述的监测节点负责对环境数据进行采集和处理并通过无线通信电路传输给汇聚节点，汇聚节点通过无线通信电路接收到数据后，定时将环境数据通过串口传递给环境监控平台，环境监控平台将收到的相关信息进行处理。

优选地，所述的数据处理电路是监测节点的核心，包括节点的处理单元和存储单元，也是与外围芯片及传感器的接口。

优选地，所述的传感器包括温度传感器、湿度传感器、光电传感器、电流传感器、电压传感器。

优选地，多个监测节点被任意分布在城市轨道交通土建设施的被检测区域。

优选地，环境监控平台包括数据分析模块和预警模块，所述的数据分析模块对收集到的环境数据进行分析处理，确定环境数据异常的被检测区域，并通过预警模块向设定的用户终端发出预警信号。

本发明的有益效果为：能够对城市轨道交通设施所在的环境进行监测，从而及时采集、传送和处理监测到的环境数据，从而在遇到危险时能够有效缩短报警时间，便于工作人员及时有效进行处理，将损失降到最低。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1本发明一个实施例的结构框图；

图2是本发明一个实施例的水质环境监控平台的连接框图。

附图标记：

环境监控平台1、无线传感器网络2、数据分析模块10、预警模块20。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本实施例提供的城市轨道交通土建设施智能监测系统，包括环境监控平台1以及由监测节点和汇聚节点组成的无线传感器网络2，其中所述的监测节点包括电源电路、数据采集电路、数据处理电路和无线通信电路；所述的汇聚节点包括电源电路和无线通信电路，所述的监测节点负责对环境数据进行采集和处理并通过无线通信电路传输给汇聚节点，汇聚节点通过无线通信电路接收到数据后，定时将环境数据通过串口传递给环境监控平台1，环境监控平台1将收到的相关信息进行处理。

可选地，所述的数据处理电路是监测节点的核心，包括节点的处理单元和存储单元，也是与外围芯片及传感器的接口。

可选地，所述的传感器包括温度传感器、湿度传感器、光电传感器、电流传感器、电压传感器。

可选地，多个监测节点被任意分布在城市轨道交通土建设施的被检测区域。

可选地，如图2所示，环境监控平台1包括数据分析模块10和预警模块20，所述的数据分析模块10对收集到的环境数据进行分析处理，确定环境数据异常的被检测区域，并通过预警模块20向设定的用户终端发出预警信号。具体地，当环境数据超出环境监控平台数据库中存储的环境参数阈值时判定该环境数据出现异常，环境监控平台1确定该异常的环境数据所对应的被检测区域的位置，并将异常环境数据以及该被检测区域的具体位置信息发送到预警模块20中，进而由预警模块20集成在要向设定的用户终端发送的报警消息中。

本发明上述实施例能够对城市轨道交通设施所在的环境进行监测，从而及时采集、传送和处理监测到的环境数据，从而在遇到危险时能够有效缩短报警时间，便于工作人员及时有效进行处理，将损失降到最低。

在一个实施例中，无线传感器网络采用分簇网络模型进行环境数据的采集和传输，具体地，监测节点在网络启动时刻进行分簇，从而确定多个监测节点作为簇头，其余的监测节点归属于与其距离最短的簇头；监测节点将采集的环境数据发送至所归属的簇头，簇头用于对簇内监测节点发送的环境数据进行融合后发送至汇聚节点。本实施例采用基于分簇结构的无线传感器网络采集环境数据，能够降低监测节点部署的成本以及提高环境数据的传输效率。

在一个实施例中，所述的监测节点在网络启动时刻进行分簇，具体为：

(1)监测节点与邻居节点进行信息交互，构建邻居节点列表，其中邻居节点为处于监测节点的通信范围内的其他监测节点；

(2)汇聚节点向所有监测节点发送广播消息，监测节点收到由汇聚节点发送的簇头竞选消息后计算自己的状态值，所述的簇头竞选消息包含状态值阈值；

设E_i表示监测节点i的状态值，E_i的计算公式为：

式中，L(sink,o)为汇聚节点到水质环境监控平台1的距离，L(i,j)为监测节点i与其第j个邻居节点之间的距离，n_i为监测节点i构建的邻居节点列表具有的邻居节点个数，W_i为监测节点i的当前剩余能量，W_i0为监测节点i的初始能量，L(i,sink)为监测节点i到汇聚节点的距离，a₁、a₂、a₃为预设的权重系数；

(3)若监测节点计算的状态值大于状态值阈值，则该监测节点成功竞选为临时簇头，并向汇聚节点发送簇头担任请求消息；

(4)汇聚节点根据接收到的簇头担任请求消息确定最终的簇头，并完成簇的划分。

本实施例提出了一种簇头竞选机制，基于监测节点与邻居节点之间的平均距离、监测节点的能量以及距离汇聚节点的远近三个因素进行考量，定义了监测节点的状态值的计算公式。

本实施例的簇头竞选机制将状态值大于状态值阈值的监测节点作为临时簇头，使得与邻居节点之间的平均距离越小、剩余能量越多且距离汇聚节点更近的监测节点成为簇头的概率更大，由于簇头与簇内监测节点之间的平均距离越小时形成的簇就更紧凑，剩余能量越多的簇头网络运行的可靠性越高，因此通过该机制确定簇头，有利于提高分簇的紧凑性和网络运行的可靠度，且使得距离汇聚节点更近的区域簇头更多，从而使得无线传感器网络中监测节点的能量消耗更加均衡，有益于延长环境数据采集的工作周期，保障城市轨道交通土建设施智能监测系统有效运作。

在一个实施例中，所述的汇聚节点根据接收到的簇头担任请求消息确定最终的簇头，具体包括：

(1)汇聚节点根据接收到的簇头担任请求消息确定临时簇头，按序将临时簇头归入临时簇头列表，并计算临时簇头列表中所有临时簇头的簇头竞争半径；

其中，设Q_c表示临时簇头c的簇头竞争半径，Q_c的计算公式为：

式中，Q_max为预设的簇头竞争半径最大值，L(r,sink)为传感监测装置中第r个监测节点到汇聚节点的距离，M为传感监测装置具有的监测节点个数，γ为预设的调节系数，用于控制簇头竞争半径的取值范围；

(3)判断任意两个临时簇头的簇头竞争半径是否大于该两个临时簇头之间的距离，若存在两个临时簇头，它们的簇头竞争半径皆大于它们之间的距离，则将当前剩余能量较小的临时簇头剔除出临时簇头列表；

(4)判断结束后，将临时簇头列表中的所有临时簇头选为最终的簇头，并向所有监测节点广播消息。

本实施例中，汇聚节点根据接收到的簇头担任请求消息确定最终的簇头时，采用簇头竞争的方式，对临时簇头进行进一步筛选，当存在两个临时簇头，它们的簇头竞争半径皆大于它们之间的距离，则将当前剩余能量较小的临时簇头剔除出临时簇头列表，通过对临时簇头的筛选，可以有效避免了簇头过密情况的发生，使得无线传感器网络的分簇拓扑更加合理，而且始终选择剩余能量最多的监测节点担当簇头，有利于平衡无线传感器网络的能量，从而延长环境数据采集的工作周期。

在一个实施例中，簇头在满足下列簇头轮换条件时，在其簇内监测节点中选择当前剩余能量最多的监测节点为新的簇头：

式中，W_g表示簇头g的当前剩余能量，W_k为簇头g所在簇内第k个监测节点的当前剩余能量，N_g为簇头g所在簇内的监测节点个数。

本实施例提出了簇头的轮换机制，该机制中，簇头只有在满足簇头轮换条件时重新选择簇头，这样能够减少轮流选取簇头所消耗的能量，且在簇头的轮换中始终选择当前剩余能量最多的监测节点作为新的簇头，有利于均衡无线传感器网络的能量，提高无线传感器网络的生存周期。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (7)

1.城市轨道交通土建设施智能监测系统，其特征是，包括环境监控平台以及由监测节点和汇聚节点组成的无线传感器网络，其中所述的监测节点包括电源电路、数据采集电路、数据处理电路和无线通信电路；所述的汇聚节点包括电源电路和无线通信电路，所述的监测节点负责对环境数据进行采集和处理并通过无线通信电路传输给汇聚节点，汇聚节点通过无线通信电路接收到数据后，定时将环境数据通过串口传递给环境监控平台，环境监控平台将收到的相关信息进行处理。

2.根据权利要求1所述的城市轨道交通土建设施智能监测系统，其特征是，所述的数据处理电路是监测节点的核心，包括节点的处理单元和存储单元，也是与外围芯片及传感器的接口。

3.根据权利要求2所述的城市轨道交通土建设施智能监测系统，其特征是，所述的传感器包括温度传感器、湿度传感器、光电传感器、电流传感器、电压传感器。

4.根据权利要求1所述的城市轨道交通土建设施智能监测系统，其特征是，多个监测节点被任意分布在城市轨道交通土建设施的被检测区域。

5.根据权利要求1-4任一项所述的城市轨道交通土建设施智能监测系统，其特征是，环境监控平台包括数据分析模块和预警模块，所述的数据分析模块对收集到的环境数据进行分析处理，确定环境数据异常的被检测区域，并通过预警模块向设定的用户终端发出预警信号。

6.根据权利要求1所述的城市轨道交通土建设施智能监测系统，其特征是，无线传感器网络采用分簇网络模型进行环境数据的采集和传输，监测节点在网络启动时刻进行分簇，从而确定多个监测节点作为簇头，其余的监测节点归属于与其距离最短的簇头；监测节点将采集的环境数据发送至所归属的簇头，簇头用于对簇内监测节点发送的环境数据进行融合后发送至汇聚节点。

7.根据权利要求6所述的城市轨道交通土建设施智能监测系统，其特征是，簇头在满足下列簇头轮换条件时，在其簇内监测节点中选择当前剩余能量最多的监测节点为新的簇头：

式中，W_g表示簇头g的当前剩余能量，W_k为簇头g所在簇内第k个监测节点的当前剩余能量，N_g为簇头g所在簇内的监测节点个数。