基于ZigBee的隧道結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖凱 吳劍 王剛

摘? ?要：為避免隧道在施工過程中發(fā)生事故，針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測設(shè)計(jì)了一套完整的監(jiān)測方案。該方案基于ZigBee無線通信方式，結(jié)合施工隧道特定的場景，設(shè)計(jì)了隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并提出一種新的隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸策略。該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的監(jiān)測方案各項(xiàng)指標(biāo)能夠適應(yīng)在建隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的需求。

關(guān)鍵詞：隧道;結(jié)構(gòu)安全;監(jiān)測系統(tǒng);ZigBee

中圖分類號(hào)：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003—6199（2020）02—0012—05

Abstract：In order to avoid accidents during the construction of the tunnel，a complete monitoring plan was designed for the safety monitoring of the tunnel structure. Based on the ZigBee wireless communication method and the specific scene of the construction tunnel，the scheme designed the sensor nodes，relay nodes and gateway nodes for tunnel structure security monitoring，and proposed a new tunnel monitoring data transmission strategy. The system is tested in a laboratory environment. The test results show that the indicators of the designed monitoring program can meet the needs of the safety monitoring of the tunnel structure under construction.

Key words：tunnel;structural safety;monitoring system;ZigBee

隧道工程是地下空間開發(fā)利用的重要方面。隧道在施工和運(yùn)營過程中，因地質(zhì)條件變化、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及退化等問題可能會(huì)引起安全隱患，因此隧道的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測尤為重要。

當(dāng)前，針對(duì)地鐵隧道和公路隧道建設(shè)和運(yùn)營期的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)外已有很多研究和應(yīng)用[1-3]，然而專門針對(duì)施工隧道結(jié)構(gòu)安全無線監(jiān)測方面的研究工作還相對(duì)滯后，缺乏可靠的保護(hù)指標(biāo)與有效的監(jiān)控手段[4-5]。因此對(duì)施工隧道的無線監(jiān)測進(jìn)行專門研究，在此基礎(chǔ)上建立施工隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的研究意義。

通常在人工測量的基礎(chǔ)上對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)測，例如內(nèi)部空間位移等。然而這種人工測量不能實(shí)時(shí)反映隧道的結(jié)構(gòu)安全狀況。另一方面，對(duì)于一些復(fù)雜裝置（光波距離測量儀器、激光測距儀等）的自動(dòng)監(jiān)測需要大量的工作，人工的維護(hù)也需要高額的成本[6]。因此，提出了利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)對(duì)施工隧道結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，提高了施工隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

1? ?隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)

本方案結(jié)合隧道、基坑、橋梁等應(yīng)用環(huán)境的特點(diǎn)，計(jì)劃采用ZigBee技術(shù)作為核心，對(duì)監(jiān)測系統(tǒng)的整體方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括：系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的技術(shù)方案，確定傳感器的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能被系統(tǒng)正常識(shí)別，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)工作，對(duì)隧道不同需求數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，確認(rèn)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。圖1為本方案隧道監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

隧道監(jiān)測控制系統(tǒng)基于ZigBee無線通信協(xié)議，在保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，部署多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)從而組成一個(gè)多跳的到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的無線個(gè)域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network，WPAN），最后由匯聚節(jié)點(diǎn)通過3G/4G等無線通信方式將隧道的各種監(jiān)測信息傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)測與管理[5-7]。

2? ?隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測硬件設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測硬件主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

傳感器節(jié)點(diǎn)：利用振弦傳感器對(duì)施工隧道內(nèi)的斷面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

中繼節(jié)點(diǎn)：完成通訊鏈路中繼，傳感器節(jié)點(diǎn)接入。通訊鏈路中所有中繼節(jié)點(diǎn)均可接入傳感器節(jié)點(diǎn)。

匯聚節(jié)點(diǎn)：承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)計(jì)算、警報(bào)及存儲(chǔ)。包括4G全網(wǎng)通模塊與WiFi模塊（用于連接手機(jī)）。

2.1? ?傳感器節(jié)點(diǎn)

ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)采用標(biāo)準(zhǔn)接口設(shè)置，提供IO口與UART方式的TTL電平接口，可以通過繼電器多路切換振弦式傳感器進(jìn)行拉/壓力數(shù)據(jù)檢測。

本方案采用振弦傳感器讀數(shù)模塊與ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸。由于振弦傳感器模塊讀數(shù)時(shí)需要產(chǎn)生高壓脈沖，所以振弦傳感器與讀數(shù)模塊之間需要建立雙向通路，一般的多路復(fù)用器無法滿足，且常規(guī)的多路復(fù)用器不能承受高壓脈沖信號(hào)，所以對(duì)于多路傳感器本方案采用的是4路繼電器。振弦傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2? ?中繼節(jié)點(diǎn)

由于中繼節(jié)點(diǎn)僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)，所以功能相對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)、顯示節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)要少得多，本方案中考慮到成本與功耗等問題，擬采用基于CC2530片上系統(tǒng)的最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合LED指示燈、電源管理模塊以及按鍵等外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。中繼節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3? ?匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集并進(jìn)行存儲(chǔ)，再通過3G/4G模塊將感知數(shù)據(jù)利用TCP/UDP方式上傳到指定服務(wù)器，2G/3G/4G通信模塊采用USR-LTE-7S4模塊，WIFI模塊采用的是AR9331芯片。圖4為匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖。

3? ?低功耗關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

3.1? ?低功耗設(shè)計(jì)

CC2530有五種工作模式。分別為Active mode、idle mode、PM1、PM2、PM3，PM2模式比較省功耗而且可以被定時(shí)喚醒;PM3模式最省電但是只能被外部中斷喚醒。

本方案為了減少節(jié)點(diǎn)能耗，感知節(jié)點(diǎn)采用PM2休眠喚醒模式，休眠喚醒策略采用非信標(biāo)方式進(jìn)行處理。喚醒過程如圖5所示。

接收節(jié)點(diǎn)的喚醒狀態(tài)時(shí)間為tatv=50 ms，休眠狀態(tài)時(shí)間為tslp=1950 ms;發(fā)送節(jié)點(diǎn)的喚醒周期為Tpls =2 000 ms，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的接收時(shí)間為trcv=1 000 ms。

為了延長節(jié)點(diǎn)工作時(shí)長，降低空閑偵聽功耗，采集網(wǎng)絡(luò)將采取周期性休眠喚醒工作模式，主要包括：

a. 心跳模式：心跳模式用于傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送心跳包，此外還可以用來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，由于心跳模式周期短，可以用于突發(fā)模式的網(wǎng)絡(luò)喚醒。

b. 采樣模式：由于本課題的采樣頻率很低，數(shù)據(jù)可靠性要求高，所以在心跳模式的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)大周期采樣，該模式的特點(diǎn)為整個(gè)休眠喚醒周期較長，一個(gè)周期內(nèi)喚醒時(shí)間相對(duì)心跳模式的喚醒時(shí)間長，目的是為了保證數(shù)據(jù)可以在喚醒時(shí)間內(nèi)可靠到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)。

c. 突發(fā)模式：突發(fā)模式用于突發(fā)情況，需要工作人員攜帶其他外接傳感器與傳感器節(jié)點(diǎn)接口進(jìn)行連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣上傳的工作模式。在該模式下，要求對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行喚醒，考慮到干擾與同步偏離的情況，在硬件上設(shè)置喚醒開關(guān)，在軟喚醒無法保證的情況下，通過手動(dòng)硬件喚醒的方式，實(shí)現(xiàn)突發(fā)情況下的網(wǎng)絡(luò)喚醒。

3.2? ?自組織動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

本系統(tǒng)擬采用Z-Stack協(xié)議棧作為基礎(chǔ)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)開發(fā)與應(yīng)用。Z-Stack協(xié)議棧采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪循機(jī)制。CC2530上電工作，事件輪循機(jī)制立即運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)有采集、發(fā)送、接收、顯示等任務(wù)時(shí)進(jìn)行執(zhí)行動(dòng)作。當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式[8，9]。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級(jí)，逐次處理事件。這種軟件構(gòu)架的優(yōu)勢是可以極大地降低系統(tǒng)功耗。

鑒于測點(diǎn)一般根據(jù)隧道施工進(jìn)度按斷面布設(shè)，感知節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離是根據(jù)施工進(jìn)度不斷改變的，單跳傳輸在隧道這種復(fù)雜環(huán)境下很難保證數(shù)據(jù)可靠傳輸[10-13]。所以需要根據(jù)隧道施工進(jìn)度借助多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。所以中繼節(jié)點(diǎn)的自組織性能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

圖6是本方案計(jì)劃設(shè)計(jì)的隧道推進(jìn)新增中繼節(jié)點(diǎn)添加位置方案，最前端的中繼節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)整體向前推進(jìn)，新增節(jié)點(diǎn)添加在倒數(shù)第二個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的位置，并設(shè)置節(jié)點(diǎn)編號(hào)為k+1（設(shè)倒數(shù)第三個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)為k）。新增中繼節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)流程如圖7所示：

新增中繼節(jié)點(diǎn)放置在最前端中繼節(jié)點(diǎn)RN_e節(jié)點(diǎn)后，這樣設(shè)置的原因是讓最前端中繼節(jié)點(diǎn)RN_e具有喚醒整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特殊權(quán)限，為了是在突發(fā)模式情況下，工作人員可以在隧道里通過最前端中繼節(jié)點(diǎn)RN_e節(jié)點(diǎn)喚醒整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，使得可以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)喚醒情況下執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。

睡眠或喚醒命令就像逆流，僅在水平或上游流動(dòng)，而不是向下游流動(dòng)（本方案中定義傳感器節(jié)點(diǎn)與最前端中繼節(jié)點(diǎn)RN_e節(jié)點(diǎn)屬于同游/水平節(jié)點(diǎn)）。最前端中繼節(jié)點(diǎn)RN_e節(jié)點(diǎn)睡眠或喚醒命令如圖8所示。

除了突發(fā)模式通過最前端中繼節(jié)點(diǎn)RN_e節(jié)點(diǎn)喚醒整個(gè)網(wǎng)絡(luò)外，后端管理軟件也需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行休眠/喚醒的配置權(quán)限，而圖8中的最前端中繼節(jié)點(diǎn)RN_e節(jié)點(diǎn)睡眠或喚醒命令不能滿足整個(gè)系統(tǒng)的需求，所以本方案中還設(shè)計(jì)了網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的權(quán)限，與最前端中繼節(jié)點(diǎn)RN_e節(jié)點(diǎn)睡眠或喚醒命令的逆流方式相反的是，網(wǎng)關(guān)端的睡眠或喚醒命令采用順流的方式，此時(shí)睡眠或喚醒命令就像一股水流，只能水平或向下流動(dòng)，而不會(huì)向上游流動(dòng)[14]。圖9則是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)睡眠或喚醒命令的流向圖。

4? ?隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)測試

4.1? ?節(jié)點(diǎn)喚醒延遲測試

節(jié)點(diǎn)模擬隧道環(huán)境，采用直線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)喚醒，測試不同跳數(shù)下的喚醒延遲。表1為不同節(jié)點(diǎn)跳數(shù)下的喚醒延遲測試。

表1通過不同跳數(shù)下的50次喚醒測試可知，隨著跳數(shù)增多，喚醒延遲所需要的最小時(shí)間與平均延遲越來越大。由于本文的隧道網(wǎng)絡(luò)屬于單鏈路路由，存在的信道競爭與干擾相對(duì)較少，所以測試延遲均在可接受范圍以內(nèi)。

4.2? ?功耗測試

節(jié)點(diǎn)功耗是影響隧道網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和持久性的重要因素，節(jié)點(diǎn)的能耗主要損失在射頻模塊。考慮到瞬時(shí)電流測試不具有代表性，本文將對(duì)提出的低功耗策略與正常工作的節(jié)點(diǎn)功耗進(jìn)行實(shí)際工作對(duì)比，測試節(jié)點(diǎn)均處于相同網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的條件下。表2為不同節(jié)點(diǎn)工作模式下的功耗測試。

注：表格中的電壓值是通過CC2530SoC芯片內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換所采集的數(shù)據(jù)

通過測試可以發(fā)現(xiàn)，采用提出的低功耗策略節(jié)點(diǎn)在電量耗盡前平均持續(xù)工作時(shí)間為2128小時(shí)，遠(yuǎn)大于正常模式工作下的節(jié)點(diǎn)68小時(shí)持續(xù)工作時(shí)間。

設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)以及傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖如圖10所示：

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線振弦傳感器模塊采集到的數(shù)據(jù)與手持振弦讀數(shù)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖11所示。由對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，設(shè)計(jì)的無線振弦傳感器模塊與手持讀數(shù)儀的數(shù)據(jù)基本一致，存在0.3 Hz左右的系統(tǒng)誤差，在系統(tǒng)精度要求范圍內(nèi)，且可通過標(biāo)定降低系統(tǒng)誤差。

經(jīng)過系統(tǒng)測試，提出的低功耗策略以及振弦傳感器采集模塊均滿足施工隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測的性能與指標(biāo)需求。所以可以采用基于ZigBee的施工隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)，對(duì)施工隧道結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測信息進(jìn)行采集與傳輸，進(jìn)而為施工隧道的安全作業(yè)提供技術(shù)保障。

5? ?結(jié)? ?論

基于ZigBee的施工隧道結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)有效地對(duì)隧道斷面進(jìn)行信息采集、傳輸、顯示與數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)了施工隧道信息化管理。與傳統(tǒng)的隧道監(jiān)測方式相比，基于ZigBee的施工隧道結(jié)構(gòu)安全實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地提供施工隧道的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測進(jìn)行分析與預(yù)警，為隧道的安全施工提供技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

[1]? ? 張國柱，童立元，劉松玉，等.? 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)，2013，9（s2）：2006-2010.

[2]? ? 包明浩，夏華林，于超. 國內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測新技術(shù)的研究[J].? 四川水泥，2016（7）：11-11.

[3]? ? 王大濤，滕德貴，李超. 基于低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 測繪通報(bào)，2018（1）：273-277.

[4]? ? 巴進(jìn)明，王燁，陳輝，等.? 施工隧道監(jiān)控WSN跨層應(yīng)急通信協(xié)議研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2011，47（33）：101-105.

[5]? ? 楊怡婷，歐陽名三. 基于ZigBee技術(shù)和CC2530模塊的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019（2）：40-43.

[6]? ? 許點(diǎn)紅，邰士強(qiáng)，唐利敏，等.? 地鐵隧道無線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)布置及優(yōu)化[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（3）：98-99.

[7]? ? 基于無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)的隧道監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 西安：長安大學(xué)，2013.

[8]? ? 馮雷. 電力隧道實(shí)時(shí)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)測分析[J].? 城市道橋與防洪，2017（8）：194-198.

[9]? ? 張婧，韋煒. 基于Ad-Hoc的交通隧道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸研究[J].? 傳感器與微系統(tǒng)，2015（8）：67-69.

[10]? CAMMARANO A ，SPENZA D ，PETRIOLI C . Energy-harvesting WSNs for structural health monitoring of underground train tunnels[C]// IEEE Infocom. IEEE，2013.

[11]? CHANG D T T，TSAI Y S，LEE H C，et al. Wireless sensor network （WSN） using in tunnel environmental monitoring for disaster prevention[J].? Advanced Materials Research，2011，291-294：3401-3404.

[12]? HAO J，CHEN L，JING W，et al. A reliable and high-bandwidth multi-hop wireless sensor network for mine tunnel monitoring[J].? IEEE Sensors Journal，2009，9（11）：1511-1517.

[13]? ZAHAR M M，ARIFFIN S H S，F(xiàn)AUZI M H M，et al. Implementation of social insect model in tunnel wireless sensor network （TWSN）[C]// IEEE International Conference on Circuits & Systems，2012.

[14]? WU Xiang-cheng，MAO Wu-xing. Design and implementation of environmental detection system based on ZigBee[J].? Atlantis Press，2019，56（6）.