CN202019459U

CN202019459U - 基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统

Info

Publication number: CN202019459U
Application number: CN2011201244895U
Authority: CN
Inventors: 何卫国; 杨斌
Original assignee: TIANJIN GUODA SURVEY TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: TIANJIN GUODA SURVEY TECHNOLOGY Co.,Ltd.; China Railway Design Corp
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2021-04-25

Abstract

本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统，其主要技术特点是：包括数据采集无线传感器网络、通信网络和数据管理中心，数据采集无线传感器网络通过通信网络与数据管理中心相连接，所述的数据采集无线传感器网络由传感器网络节点和传感器网络汇聚节点通过无线传感器网络连接构成。本实用新型设计合理，实现了安全监测数据即时采集、即时汇集和即时利用的功能，具有自动组网、可靠性高、监测准确、安装维护方便、运行费用低廉等特点，为安全监测提供了一个崭新的解决方案，具有十分广阔的应用前景。

Description

基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统

技术领域

本实用新型属于无线传感器网络领域，尤其是一种基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统。

背景技术

目前，岩土工程安全监测主要是通过仪器观测和巡视检查方式对铁路、公路及水利水电工程主体结构、两岸边坡、地基基础、土体位移和沉降等状况做出评估，判断工程的安全情况，为监管人员提供管理依据，或者做出危险预警，以防止灾害事故的发生。现有监测方法存在的主要问题是：1、传感器安装埋设施工过程复杂，传感器信号线缆用量多，线缆布设施工量大，费工费时；2、埋设大量线缆造成现场施工管理困难，在混凝土中埋设的大量线缆还会降低结构强度，带来安全隐患，一旦在施工建设中损坏线缆将造成安全监测设备无法正常工作；3、在传感器安装埋设后，将信号线缆引至MCU(数据采集设备)，MCU负责将模拟信号转换为数字信号，MCU与PC机连接获取数据进行分析，在无人值守的情况下，通常会定期派出技术人员携带数据传输及存储设备前往现场连接MCU获取数据，因此在数据的采集和利用方面存在信号传输层次多、数据利用滞后、响应速度缓慢的缺陷。虽然，近年来广泛通过CDMA/GPRS公众无线数据网络获取数据的方法，但是，由于在数据远程传输环节存在多种不确定因素，其可靠性也受到质疑。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统，该系统采用无线传感器网络进行传感器数据采集并通过通信网络传输到数据管理中心，解决了现场传感器安装埋设和信号线缆布设带来的问题，实现了安全监测数据即时采集、即时汇集和即时利用的功能。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统，包括数据采集无线传感器网络、通信网络和数据管理中心，数据采集无线传感器网络通过通信网络与数据管理中心相连接，所述的数据采集无线传感器网络由传感器网络节点和传感器网络汇聚节点通过无线传感器网络连接构成。

而且，所述的传感器网络节点包括传感器、信号调理电路、微处理器、存储器、射频无线模块和电源模块，电源模块为微处理器供电，传感器连接到信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端与微处理器的I/O接口相连接，该微处理器还通过I/O接口与射频无线模块和存储器相连接。

而且，所述的传感器网络汇聚节点包括传感器、信号调理电路、微处理器、存储器、射频无线模块、数据通信模块和电源模块，电源模块为微处理器供电，传感器连接到信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端与微处理器的I/O接口相连接，该微处理器还通过I/O接口与射频无线模块、存储器和数据传输模块相连接。

而且，所述的电源模块为锂电池。

而且，所述的数据传输模块为GPRS通信模块、CDMA通信模块、卫星通信模块、以太网通信模块、现场总线通信模块或无线电台通信模块。

而且，所述的通信网络为GPRS通信网、CDMA通信网、卫星通信网、以太网、现场总线网络或无线电台。

而且，所述的数据管理中心由数据库服务器、应用服务器及客户端通过局域网连接构成。

本实用新型的优点和积极效果是：

1、本系统采用无线传感器网络进行传感器数据采集并通过通信网络传输到数据管理中心，融合了传感器自动识别技术、传感器数据自动采集技术、传感器数据的无线网络化传输技术、传感器现场数据自动分析技术、现场设备的网络化指令传输和解析执行技术，实现了安全监测数据的即时采集、即时汇集和即时利用功能，解决了现场传感器安装埋设和信号线缆布设带来的问题。

2、本系统的传感器网络节点和传感器网络汇聚节点具备自组织能力，在无线信号所及范围内，无需调试即可依照给定结构自动组成传感器智能化无线网络，通过自组织功能自主进行动态配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动组成转发数据的多跳无线网络系统，各传感器无线网络节点之间可以自由传送信息。

3、本系统的数据采集无线传感器网络具备自愈合能力，即当部分节点失效时，传感器网络的自组织性可以重新配置运行逻辑，进行网络修复，恢复网络的正常运行使得工作更加安全可靠。

4、本系统根据安全监测项目区域的大小，可以密集布置多种传感器，而不用考虑线缆布设拥挤度，减少了监测盲区；通过传感器无线网络采集和处理大量的数据，提高监测的准确度。

5、本系统鲁棒性强，经济效益好，节省线缆并简化了传感器的埋设施工；同时利用先进的无线局域网络技术达到自动组网、数据自由流动和汇集分析处理的目的，节省了大量线缆和布设施工量，同时现场无需调试。

6、本系统传感器网络节点和传感器网络汇聚节点具有低功耗的特点，可由锂电池供电，亦可采用微型太阳能供电设备长期供电。

7、本系统最大限度地节约了现场传感器安装埋设和信号线缆布设的费用，也使设备的日常维护变得十分简单、运行费用低廉。

8、本实用新型设计合理，实现了安全监测数据即时采集、即时汇集和即时利用的功能，具有自动组网、可靠性高、监测准确、安装维护方便、运行费用低廉等特点，为安全监测提供了一个崭新的解决方案，具有十分广阔的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型的系统连接示意图；

图2是传感器网络节点的电路方框图；

图3是传感器网络汇聚节点的电路方框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例做进一步详述：

一种基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统，如图1所示，由数据采集无线传感器网络、通信网络和数据管理中心连接构成。数据采集无线传感器网络由传感器网络节点、传感器网络汇聚节点通过无线传感器网络连接构成，各个传感器网络节点和传感器网络汇聚节点部署在待监测点的地表位置负责监测数据的采集，由于无线传感器网络是一种自组织网络，一经部署即可自动组网，可以自主选择下一跳节点，从而使传感器网络节点采集的数据通过多个节点以多跳中继的方式上传到传感器网络汇聚节点上，然后通过通信网络传输到数据管理中心。通信网络可以采用GPRS网络、CDMA网络、卫星通信网、以太网、现场总线网络或无线电台等传输方式，如果待监测的区域距离数据管理中心较远，可以采用GPRS网络、CDMA网络、卫星通信网实现远程数据传输，如果待监测的区域距离数据管理中心距离较近，可以使用以太网、现场总线网络或无线电台等方式进行数据传输。数据管理中心是系统的管理中心，用于系统数据存储、管理、分析、显示、维护，主要包括数据库服务器、应用服务器及相关配套设施，负责对采集到的数据进行存储和管理。同时，数据管理中心还包括基于B/S模式的数据查询、显示系统，客户机可以通过Internet访问系统，为相关部门与人员随时查看和分析某个安全监测项目的安全状态提供访问手段。

如图2所示，传感器网络节点包括传感器、信号调理电路、微处理器、存储器、射频无线模块和电源模块。电源模块为微处理器供电，传感器连接到信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端与微处理器的I/O接口相连接，该微处理器还通过I/O接口与射频无线模块和存储器相连接。其中，电源模块采用可适应低温等恶略条件的锂电池组；传感器是能够为系统自动识别的多种类工作原理的传感器；信号调理电路将传感器输出的频率、电压、电流、电感信号等放大整形后转换为数字信号，进入微处理器；微处理器负责网络指令的执行、数据的采集、数据的分析处理、相邻网络节点通讯中转的控制；存储器用来存储传感器采集的数据、分析结果数据以及系统运行的数据。传感器网络节点设备内嵌有传感器路由协议与传感器MAC协议，使用随机寻址法，随机为各节点设备分配地址，并通过不断监控“管理”流量，将冲突挑选出来。这种寻址方法不仅受益于可靠性，而且不存在经常性的监控通信与处理地址冲突的流量开销。同时节点还提供了按需距离矢量路由协议(AODV)、网状路由、单播、广播和群组通信以及安全等特性。

如图3所示，传感器网络汇聚节点包括传感器、信号调理电路、微处理器、存储器、射频无线模块、数据通信模块和电源模块，传感器网络汇聚节点是在传感器网络节点的基础上，增加了与通信网络进行通信的数据传输模块，该数据传输模块为GPRS通信模块、CDMA通信模块、卫星通信模块、以太网通信模块、现场总线通信模块或无线电台通信模块可与相应的通信网络进行数据通信，传感器网络汇聚节点作为无线传感器网络的中心节点，负责无线传感器网络组织的发起、拓扑的形成与维护、网路数据的汇聚与处理以及与数据管理中心的通信及信息交互。

本实用新型的数据采集与传输基本流程为：指令/事件触发唤醒某节点→采集监测数据→放大、滤波、A/D、加密数据暂存→绑定(确定发、收信息目标地址)→入网通讯受阻？→改变路径/扩、变射频→再次申请入网→应答许可→传递数据→检查通讯/数据接收质量？/重发？→由汇聚点上传数据管理中心→数据管理中心收集各节点数据/分析处理→通知某节点执行控制→采集节点休眠。整个工作过程在20～50ms内完成，高效快捷保证了数据的即时采集、即时汇集、即时利用。当一个节点或部分节点失效时，剩余节点自动组成新的网络，静候指令/触发工作……每个节点既是采集点，又是相邻节点信息交互传递的“基站”，这种独特的传感器网络结构，确保了数据传输的可靠性。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本实用新型的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本实用新型保护的范围。

Claims

1.一种基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统，其特征在于：包括数据采集无线传感器网络、通信网络和数据管理中心，数据采集无线传感器网络通过通信网络与数据管理中心相连接，所述的数据采集无线传感器网络由传感器网络节点和传感器网络汇聚节点通过无线传感器网络连接构成。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统，其特征在于：所述的传感器网络节点包括传感器、信号调理电路、微处理器、存储器、射频无线模块和电源模块，电源模块为微处理器供电，传感器连接到信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端与微处理器的I/O接口相连接，该微处理器还通过I/O接口与射频无线模块和存储器相连接。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统，其特征在于：所述的传感器网络汇聚节点包括传感器、信号调理电路、微处理器、存储器、射频无线模块、数据通信模块和电源模块，电源模块为微处理器供电，传感器连接到信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端与微处理器的I/O接口相连接，该微处理器还通过I/O接口与射频无线模块、存储器和数据传输模块相连接。

4.根据权利要求2或3所述的基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统，其特征在于：所述的电源模块为锂电池。

5.根据权利要求3所述的基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统，其特征在于：所述的数据传输模块为GPRS通信模块、CDMA通信模块、卫星通信模块、以太网通信模块、现场总线通信模块或无线电台通信模块。

6.根据权利要求1至3任一项所述的基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统，其特征在于：所述的通信网络为GPRS通信网、CDMA通信网、卫星通信网、以太网、现场总线网络或无线电台。

7.根据权利要求1至3任一项所述的基于无线传感器网络的岩土工程安全监测系统，其特征在于：所述的数据管理中心由数据库服务器、应用服务器及客户端通过局域网连接构成。