基于Wifi 和Zigbee 的地下隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳鵬杰 唐曉城 劉登躍 何 斌

同濟(jì)大學(xué)控制科學(xué)與工程系

設(shè)計(jì)了適用于城市軌道交通的地下隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，融合了高速的Wifi 網(wǎng)絡(luò)和低速的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)。首先根據(jù)隧道的環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。然后針對(duì)不同的環(huán)境數(shù)據(jù)，給出了傳感器節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)方案。最后，設(shè)計(jì)了基于PC 端和Android 端的監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面具有良好的性能。

引言

近些年來(lái)，我國(guó)的軌道交通正在迅猛發(fā)展，但因缺乏有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)與預(yù)警系統(tǒng)，地下隧道結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的事故頻發(fā)。地下隧道系統(tǒng)本身和周邊環(huán)境的變化都會(huì)導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性能的劣化，包括施工期對(duì)周圍土層的擾動(dòng)、底層土體的不均勻沉降、隧道上方地表加卸荷載和列車振動(dòng)等因素。地下結(jié)構(gòu)因其空間狹小、環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)已經(jīng)成為目前無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用熱點(diǎn)。

地下隧道環(huán)境的特殊性導(dǎo)致無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)需要測(cè)量的數(shù)據(jù)種類繁多，按照傳感器信號(hào)的特點(diǎn)可以分為緩變信號(hào)和劇變信號(hào)。緩變信號(hào)包括位移、傾斜角、溫濕度等參數(shù)，此類信號(hào)的變化較慢，相對(duì)穩(wěn)定，因此所需的采樣頻率較低，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，多使用Zigbee 或GPRS 等低速的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。振動(dòng)信號(hào)屬于典型的劇變信號(hào)，采樣頻率需要幾十至上百赫茲，傳統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)難以傳輸如此大量的數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計(jì)了一種Wifi 和Zigbee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合的地下隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)兼容了用于緩變信號(hào)采集的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)和用于劇變信號(hào)采集的Wifi 網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)開發(fā)一套無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)PC 端和手機(jī)端對(duì)地下隧道環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)總體概述

該地下隧道檢測(cè)系統(tǒng)由無(wú)線路由器、無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)終端組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。無(wú)線路由器是系統(tǒng)的核心，將無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)終端連接至同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，并通過(guò)局域網(wǎng)把節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)終端。無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)包括緩變信號(hào)節(jié)點(diǎn)和劇變信號(hào)節(jié)點(diǎn)。緩變信號(hào)節(jié)點(diǎn)采集傾斜角、裂縫、溫濕度等低速傳感器信號(hào)，通過(guò)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)先傳輸至劇變信號(hào)節(jié)點(diǎn)。劇變信號(hào)節(jié)點(diǎn)融合了高速的Wifi 網(wǎng)絡(luò)和低速的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，既可以作為Zigbee 和Wifi 的雙模網(wǎng)關(guān)，也可以作為高速采樣節(jié)點(diǎn)。當(dāng)其工作在Wifi-Zigbee 模式下時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)將緩變信號(hào)節(jié)點(diǎn)的Zigbee 數(shù)據(jù)通過(guò)Wifi 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至局域網(wǎng)內(nèi)。當(dāng)其工作在Wifi-Adc 模式下時(shí)，節(jié)點(diǎn)高速采樣振動(dòng)傳感器的電壓值，并將大量數(shù)據(jù)通過(guò)路由器發(fā)送至監(jiān)測(cè)終端。在該系統(tǒng)中，Android 手機(jī)、筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)均可作為監(jiān)測(cè)終端對(duì)地下環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和保存。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

緩變信號(hào)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

緩變信號(hào)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集傾斜角、溫度、位移等傳感器的電壓數(shù)據(jù)，對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件性能和網(wǎng)絡(luò)速度要求較低，使用STM8 系列單片機(jī)作為MCU，并使用支持透明傳輸?shù)拇谵D(zhuǎn)Zigbee 模塊接入無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，定時(shí)觸發(fā)STM8 內(nèi)部的AD 采樣電壓值并發(fā)送至劇變信號(hào)節(jié)點(diǎn)。

劇變信號(hào)節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

劇變信號(hào)節(jié)點(diǎn)由電源模塊、處理器MCU 模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、Zigbee 模塊和Wifi 模塊組成，節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。電源模塊使用外部5V 電源適配器給整個(gè)節(jié)點(diǎn)供電，該模塊具有過(guò)流保護(hù)功能。

圖3 Web 服務(wù)器

圖4 程序流程圖

圖5 PC 端無(wú)線傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)軟件

圖6 手機(jī)端無(wú)線傳感網(wǎng)監(jiān)測(cè)軟件

處理器MCU 選用意法半導(dǎo)體公司的32 位單片機(jī)STM32F103VET6，它是專為微控制系統(tǒng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)控制系統(tǒng)等對(duì)成本和功耗敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的。本系統(tǒng)放棄了傳統(tǒng)的ARM 芯片配合Linux 嵌入式系統(tǒng)的Wifi 網(wǎng)絡(luò)搭建方案，通過(guò)單片機(jī)編寫簡(jiǎn)易的裸機(jī)程序直接驅(qū)動(dòng)Wifi 芯片來(lái)構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，最大程度的簡(jiǎn)化了硬件的結(jié)構(gòu)，減小了節(jié)點(diǎn)的體積與成本。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊使用德州儀器的超小型16 位AD 芯片——ADS1115，該芯片具有集成PGA、比較器以及4 通道輸入MUX，最高采樣頻率860sps，滿足地下隧道振動(dòng)傳感器性能要求。

Zigbee 模塊使用深圳鼎泰克電子的UART 轉(zhuǎn)Zigbee 無(wú)線透明傳輸模塊DRF1607H，該模塊主芯片為TI 公司Zigbee SOC 芯片CC2530，通過(guò)串口進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置，就可以與緩變信號(hào)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。

88W8686 是Marvell 提供的一個(gè)綜合成本較低的系統(tǒng)解決方案。芯片集成度高，設(shè)計(jì)難度低、成本低是它的優(yōu)點(diǎn)。該方案支持最高速54Mbps 的IEEE802.11a/g協(xié)議，MAC層支持Ad-hoc和Infrastructure兩種模式。

節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

由于劇變信號(hào)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有使用嵌入式操作系統(tǒng)，因此需要裸機(jī)程序驅(qū)動(dòng)88W8686 并構(gòu)建Wifi 網(wǎng)絡(luò)。底層通過(guò)將Marvell 提供的WINCE 驅(qū)動(dòng)程序移植至STM32，實(shí)現(xiàn)MCU 與Wifi 模塊之間的通訊。網(wǎng)絡(luò)層使用uIP 協(xié)議棧，uIP 協(xié)議棧是專為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)的小型TCP/IP 協(xié)議棧，包含了IP 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、ARP 解析協(xié)議、ICMP 報(bào)文協(xié)議以及TCP/UDP 傳輸協(xié)議。節(jié)點(diǎn)具有獨(dú)立的IP 地址，監(jiān)測(cè)終端根據(jù)數(shù)據(jù)IP 地址判斷其節(jié)點(diǎn)編號(hào)。

為便于對(duì)節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行修改，在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議，開發(fā)Web 服務(wù)器，見(jiàn)圖3。在監(jiān)測(cè)終端瀏覽器中輸入節(jié)點(diǎn)的IP 地址，就可以對(duì)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、工作模式、連接的路由器名稱和密碼進(jìn)行設(shè)置。

劇變信號(hào)節(jié)點(diǎn)的工作模式由上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)置。節(jié)點(diǎn)工作在Wifi-Zigbee 模式時(shí)，等待串口接收緩變信號(hào)的Zigbee 數(shù)據(jù)并發(fā)送至上位機(jī)；節(jié)點(diǎn)工作在Wifi-Adc 模式時(shí)，先判斷上位機(jī)的類型，若上位機(jī)為PC 端則進(jìn)行高速采樣，若為手機(jī)端則進(jìn)行低速采樣。采樣結(jié)束后將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測(cè)終端。程序流程圖如圖4 所示。數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)內(nèi)以廣播報(bào)文的形式傳輸，不同的節(jié)點(diǎn)使用相同的本地端口和不同的遠(yuǎn)端端口。

監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

圖7 測(cè)量波形圖

PC 端和手機(jī)端的監(jiān)測(cè)終端軟件分別采用Visual Basic 6.0 和Java 開發(fā)，基于Socket 的通信模塊完成數(shù)據(jù)接收，軟件能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)模式選擇、數(shù)據(jù)顯示與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能。由于數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)中廣播，上位機(jī)只需要監(jiān)聽不同的端口就可以得到不同節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)。當(dāng)上位機(jī)為PC 端時(shí)，節(jié)點(diǎn)的采樣速率在180Hz 左右。PC 端的監(jiān)測(cè)軟件可以同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)節(jié)點(diǎn)并對(duì)數(shù)據(jù)的記錄和處理，具有記錄采樣時(shí)間、計(jì)算丟包率等功能。Android 手機(jī)用于實(shí)地的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，受限于手機(jī)的顯示界面和處理器性能，手機(jī)端的上位機(jī)軟件只監(jiān)測(cè)單節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)采樣頻率為1Hz。PC 端和手機(jī)端的監(jiān)測(cè)軟件界面見(jiàn)圖5 和圖6。

測(cè)試實(shí)驗(yàn)

利用信號(hào)發(fā)生器模擬一個(gè)頻率20Hz、峰峰值4V、偏置量2V 的調(diào)幅波作為振動(dòng)信號(hào)，分別使用示波器和該系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣，得到波形見(jiàn)圖7。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)較好的還原了原始的振動(dòng)波形，采樣范圍和精度滿足地下隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)地下隧道環(huán)境，設(shè)計(jì)一種基于Wifi 和Zigbee 的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)無(wú)線傳感網(wǎng)傳輸速率慢、數(shù)據(jù)量小的缺點(diǎn)，兼容了低速的緩變信號(hào)和高速的劇變信號(hào)。無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)使用Stm32 作為MCU 構(gòu)建Wifi 網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本。監(jiān)測(cè)終端開發(fā)了Windows 和Android 系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)多平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。