基于無線自組網(wǎng)的巖土工程安全遠程監(jiān)測系統(tǒng)

馬欣，曹騰，張同澤

（天津工業(yè)大學 計算機科學與軟件學院，天津 300387）

0 引言

隨著我國的公路、大跨度橋梁、大壩等大型巖土工程數(shù)量越來越多，巖土工程的安全監(jiān)測變得日益迫切[1]。在巖土工程安全監(jiān)測領(lǐng)域，目前基于無線自組網(wǎng)的巖土工程安全監(jiān)測系統(tǒng)為巖土監(jiān)測提供了低成本，高可靠性能的方法。巖土工程監(jiān)測技術(shù)的進步和發(fā)展具體表現(xiàn)在以下二個方面:一是監(jiān)測方法的進步。二是監(jiān)測內(nèi)容的不斷擴大與完整。監(jiān)測用于施工,保證和控制了施工質(zhì)量,防止了事故(特別是災難性事故)的發(fā)生,保證了環(huán)境安全,使巖土工程設計施工整體水平提到新的高度。

1 系統(tǒng)研究的內(nèi)容

“基于無線自組網(wǎng)的巖土工程安全遠程監(jiān)測系統(tǒng)”是基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能化的超遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)代網(wǎng)絡技術(shù)研發(fā)，包括無線傳感器網(wǎng)絡、遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡和計算機數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)。

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡由傳感器、傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、傳感器網(wǎng)絡匯聚節(jié)點構(gòu)成，具有自動組網(wǎng)、數(shù)據(jù)即時采集、即時匯集和即時利用的功能，為巖土工程安全監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個嶄新的解決方案。

（1）傳感器

傳感器是感知溫度、壓力、位移、角度以及其它各種物理量變化的初始元件。傳感器的主要組件是敏感元件，配合電子電路，可以將感知的各種物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觥鞲衅鞯纳a(chǎn)技術(shù)保證了被測物理量的數(shù)值與傳感器電參數(shù)輸出的數(shù)值成比例變化。經(jīng)過率定的傳感器，確定了被測物理量數(shù)值和電參數(shù)輸出數(shù)值的比例值，通過測量傳感器電參數(shù)的輸出值，經(jīng)過計算即可準確獲得被測的物理量的值。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點包括了傳感器，以及信號調(diào)理電路、微處理器、存儲器、射頻無線模塊和電源模塊，電源模塊為微處理器供電，傳感器連接到信號調(diào)理電路的輸入端，信號調(diào)理電路的輸出端與微處理器的I/O接口相連接，微處理器還通過I/O接口與射頻無線模塊和存儲器相連接[2]。

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點依靠其嵌入式操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡運行管理程序和網(wǎng)絡通信協(xié)議工作，可自動測得或設定自己的坐標位置，運行網(wǎng)絡管理程序即可自動與其它網(wǎng)絡節(jié)點共同組成無線傳感器網(wǎng)絡，并自動運算、選擇跳轉(zhuǎn)通信路由[3]；進行數(shù)據(jù)采集時，首先對傳感器的輸出信號進行濾波、放大、整形等調(diào)理步驟后，再進行A/D轉(zhuǎn)換獲得數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行運算分析、存儲，所有數(shù)據(jù)都可以在無線傳感器網(wǎng)絡中流動和匯集。

（3）無線傳感器網(wǎng)絡匯聚節(jié)點

在無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點上增加數(shù)據(jù)傳輸模塊，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡匯聚節(jié)點。數(shù)據(jù)傳輸模塊與微處理器的I/O口連接。網(wǎng)絡匯聚節(jié)點除具備網(wǎng)絡節(jié)點的所有功能外，還可以通過數(shù)據(jù)傳輸模塊與遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡鏈接并雙向傳輸數(shù)據(jù)和指令[4]?？梢越尤氲臄?shù)據(jù)傳輸模塊為GPRS通信模塊、CDMA通信模塊、衛(wèi)星通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、現(xiàn)場總線通信模塊或無線電臺通信模塊。

（4）無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件

無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件嵌入在無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和匯聚節(jié)點中，系統(tǒng)軟件包括了傳感器路由協(xié)議與傳感器MAC協(xié)議[5]。無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件集成了無線傳感器網(wǎng)絡的運行管理、傳感器數(shù)據(jù)的采集管理、數(shù)據(jù)分析運算、外部設備控制管理以及與外部網(wǎng)絡通信管理等多項任務，是無線傳感器網(wǎng)絡的大腦和神經(jīng)中樞。適應不同工況要求、提高無線傳感器網(wǎng)絡智能化程度、保證網(wǎng)絡工作的可靠性、加強網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的保密性是無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)研發(fā)的重點工作。

（5）各節(jié)點的基本工作過程

各節(jié)點的數(shù)據(jù)采集與傳輸基本的典型流程為：指令/事件觸發(fā)喚醒某節(jié)點→采集監(jiān)測數(shù)據(jù)→放大、濾波、A/D、加密數(shù)據(jù)暫存→綁定（確定收發(fā)信息的目標地址）→入網(wǎng)通訊受阻？→改變路徑/擴、變射頻→再次申請入網(wǎng)→應答許可→傳遞數(shù)據(jù)→檢查通訊/數(shù)據(jù)接收質(zhì)量？/重發(fā)？→由匯聚點上傳數(shù)據(jù)管理中心→數(shù)據(jù)管理中心收集各節(jié)點數(shù)據(jù)/分析處理→通知某節(jié)點執(zhí)行控制→采集節(jié)點休眠[6]。整個工作過程在20～50ms內(nèi)完成，高效快捷保證了數(shù)據(jù)的即時采集、即時匯集、即時利用。當一個節(jié)點或部分節(jié)點失效時，剩余節(jié)點自動組成新的網(wǎng)絡，靜候指令/觸發(fā)工作……每個節(jié)點既是采集點，又是相鄰節(jié)點信息交互傳遞的“基站”，這種獨特的傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

各個節(jié)點具備采集數(shù)據(jù)的分析能力，分析結(jié)果和采集的原始數(shù)據(jù)都可以長期存儲在節(jié)點中，并依據(jù)指令，隨時將原始數(shù)據(jù)和分析結(jié)果傳輸?shù)街付ㄎ恢?。各個節(jié)點都具備接收及輸出設備控制指令的能力。

1.2 遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡

遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡是連接無線傳感器網(wǎng)絡和計算機數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的紐帶，是現(xiàn)場安全狀況自動遠程上報和系統(tǒng)工作指令遠程下達的重要環(huán)節(jié)。利用遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，可以將廣域分布的（跨地區(qū)、省市或跨國家的）許多個無線傳感器網(wǎng)絡、有線局域網(wǎng)絡與計算機數(shù)據(jù)中心連接，組成實用、高效的分布式超遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)超遠程的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)共享和超遠程設備控制，完成現(xiàn)場安全狀況的超遠程監(jiān)控[7]。

遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡可以利用現(xiàn)有的公用通信網(wǎng)絡，做到投資少效益高；也可以視情況建立自己的局部通信網(wǎng)絡，與公用通信網(wǎng)絡結(jié)合使用，填補公用通信網(wǎng)絡的覆蓋盲區(qū)；還可以建立自己的完整的遠程通信網(wǎng)絡。

可以利用的公用通信網(wǎng)和常用的自建數(shù)據(jù)網(wǎng)絡有：（1）有線電話網(wǎng)絡；（2）無線電話網(wǎng)絡（CDMA/GPRS網(wǎng)）；（3）微波和衛(wèi)星；（4）自建數(shù)傳電臺通信網(wǎng)絡；（5）自建電、光纜數(shù)據(jù)網(wǎng)絡。

利用公用通信網(wǎng)絡和建立自己的通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)與操控指令的傳輸，此過程中系統(tǒng)采用通用的網(wǎng)絡通信協(xié)議主要包括：（1）傳輸控制協(xié)議TCP（RFC793）；（2）網(wǎng)絡協(xié)議IP（RCF791）；（3）用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議 UDP（RFC768）；（4）X.25網(wǎng)絡網(wǎng)際協(xié)議 IP-X.25（RFC877）；（5）IEEE802網(wǎng)際協(xié)議 IP-IEEE（RFC948）。

利用網(wǎng)絡傳遞信息的保密性，通過制定特有的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)和運用加密手段來保證。

1.3 計算機數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)

計算機數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)是接入的所有無線傳感器網(wǎng)絡的集中控制中心、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲中心、各區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡運行參數(shù)和過程的記錄中心。

計算機數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的核心設備是：數(shù)據(jù)服務器、備份數(shù)據(jù)服務器、應用服務器、外圍設備、專用數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和冗余供電系統(tǒng)等；圍繞核心設備可以接入多個計算機局域網(wǎng)絡，擴展數(shù)據(jù)中心的工作能力[8]。計算機數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)和遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡鏈接，通過遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡獲取所有接入的無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，并通過遠程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡向無線傳感器網(wǎng)絡傳送運行參數(shù)和控制指令。

運行于計算機數(shù)據(jù)中心的分布式超遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是整套安全監(jiān)控設備的操作系統(tǒng)軟件，其主要任務是：（1）對計算機數(shù)據(jù)中心的所有設備進行運行管理；（2）對接入的所有無線傳感器網(wǎng)絡進行運行管理；（3）接收各個無線傳感器網(wǎng)絡的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場的運算成果數(shù)據(jù)；（4）支持人機對話，按照操作人員的意志對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)運行過程進行管理和控制；（5）長期有序存儲海量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析成果數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)；（6）依照提前設定的應對措施，自動對安全監(jiān)測分析成果數(shù)據(jù)進行判斷，并向相關(guān)單位、人員發(fā)布預警信息，操控現(xiàn)場相關(guān)設備；

作為安全監(jiān)測責任人員的系統(tǒng)操作平臺，特別是在危急情況下，直接發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令和設備操控指令，采集有關(guān)現(xiàn)場的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行深入再分析，根據(jù)需要，遠程操控現(xiàn)場設備避災減害；（1）對遠程客戶進行管理，進行登錄身份權(quán)限識別，提供安全監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)接入服務；（2）系統(tǒng)軟件支持多用戶遠程訪問數(shù)據(jù)庫，對安全監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、分析和下載；（3）系統(tǒng)支持多用戶遠程訪問系統(tǒng)操作平臺，完成數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場設備的操控。

2 研發(fā)和取得的成果

（1）無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和匯聚節(jié)點的硬件電路研發(fā)

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和匯聚節(jié)點硬件電路是網(wǎng)絡的基礎(chǔ)構(gòu)件，也是網(wǎng)絡各項優(yōu)異功能的載體，因此也是核心研發(fā)內(nèi)容。此項研發(fā)的基本要求是：體積小、能耗低、功能強、可靠性高、保密性好、造價低，需適合在各種苛刻環(huán)境下使用。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡嵌入式操作系統(tǒng)的研發(fā)

嵌入式操作系統(tǒng)的研發(fā)涉及了多項高新技術(shù)，主要是：網(wǎng)絡節(jié)點和匯聚節(jié)點的定位技術(shù)、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的自組織技術(shù)、各節(jié)點之間的通信技術(shù)、網(wǎng)絡跳轉(zhuǎn)通信的路由的優(yōu)選技術(shù)、網(wǎng)絡通信的保密技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡與外網(wǎng)和外部設備的鏈接技術(shù)等。

（3）無線傳感器網(wǎng)絡自動組網(wǎng)算法的研發(fā)

在無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點布設時，自組織網(wǎng)絡需要依靠數(shù)學模型運算確定網(wǎng)絡最佳結(jié)構(gòu)和各節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸路由，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的智能化自組織功能，這是自組織網(wǎng)絡的重要基礎(chǔ)。自動組網(wǎng)算法的研發(fā)涉及復雜的數(shù)學邏輯問題，是本系統(tǒng)研發(fā)的重要內(nèi)容。

（4）計算機數(shù)據(jù)中心的分布式超遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件的研發(fā)

安全遠程監(jiān)測系統(tǒng)軟件是本系統(tǒng)的核心軟件，涉及數(shù)據(jù)采集傳輸管理、數(shù)據(jù)分析利用管理、數(shù)據(jù)庫管理、客戶群管理、無線傳感器網(wǎng)絡運行管理、安全監(jiān)測的預警和防災減害措施管理等等。該系統(tǒng)軟件的研發(fā)是分布式超遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵工作。

3 結(jié)語

隨著在基本建設中對建設質(zhì)量和安全要求的不斷提高，市場對高端的安全監(jiān)測設施和設備的要求越來越普遍。在巖土工程安全監(jiān)測領(lǐng)域，目前基于無線傳感器網(wǎng)絡的安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究還處于啟蒙時期，特別是基于無線自組網(wǎng)的巖土工程安全遠程監(jiān)測系統(tǒng)還是空白。本項目的成功研發(fā)，一方面可以在多個行業(yè)中應用，另一方面價格競爭力強，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性佳、自動化程度高，可填補工程界在高危路段無法實現(xiàn)長期實時監(jiān)控的空白，因此極具市場競爭力，市場前景可觀。

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