专利名称：基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及隧道安全自动监测预警技术领域，特别是涉及一种基于无线传感 器网络的隧道安全快速检测系统。
背景技术：
随着工程建设和交通事业的发展，以及人类生产、生活的不断需求，世界各国所建 交通隧道的里程迅速增长。由于隧道的地质复杂，尤其是含有断层、岩溶水、突水、突泥、暗 沙等的不良地质，不仅给隧道的修建、维护带来较大困难，而且存在安全隐患，容易发生突 发事件。由于隧道的主体部分为隐蔽工程，因此工程的质量检测较为困难。发明人发现现有技术存在如下问题(1)目前国内绝大部分对隧道的监测都是采用传统非数字化设备进行周期性重复 测量，一般要求专人专职，需要较多的人力资源，数据处理难度大，同样也有监测不及时的 问题，尤其在强烈需要进行变形监测的大风大雨气象条件下，甚至无法开展工作，存在严重 的监测放空期。(2)远端监控中心不能及时获得检测信息，不能充分发挥后台的强大处理和分析 能力，对测量数据进行长期存储和科学分析，难以及时预警。(3)由于隧道区间一般较长，逐点的直接检测成本较高，并不实用。目前实际的检 测手段匮乏，仅依靠派员巡检的方式来发现漏水等异常现象，在恶劣天气和复杂气象条件 下可能会错失灾害预报机会，同时巡检人员本身的安全也存在很大的隐患。(4)受布线和电源的影响，不能快速布设测量点，并且测量点不能实现长期、稳定、 实时的测量。
实用新型内容本实用新型的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种结构简单、安装方 便、减少人力劳动、制造和维护成本较低、可靠性较高、受环境影响较小、传输速度较快、通 讯距离较远、抗干扰能力较强、自动化程度较高的基于无线传感器网络的隧道安全快速检 测系统，其能够实现对隧道安全指标数据进行自动采集、实时监测、快速分析并及时预警， 对隧道安全进行远距离监控，大大提高了整个隧道交通运营的安全性，可在隧道检测中广 泛应用。本实用新型提供的基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系统，它包括通信服 务器和远端监控服务器，它还包括布设在隧道内的多个配备无线传感器的测量节点和多个 网关节点，每个网关节点与至少一个测量节点之间以自组网方式组成无线传感器网络，测 量节点通过无线传输协议与处在同一个无线传感器网络内的网关节点相连；网关节点与通 信服务器相连，通信服务器与远端控制监控服务器相连。进一步，所述网关节点与通信服务器通过GPRS以无线传输方式相连，所述通信服 务器通过GPRS以无线传输方式或通过Modem以有线传输方式与远端控制监控服务器相连。[0011]进一步，所述测量节点包括电源供应模块、分别与电源供应模块相连的数据采集 模块、测量处理器、驱动电路和无线通信模块，其中，数据采集模块、驱动电路和无线通信模 块分别与测量处理器相连。更进一步，所述电源供应模块包括供电设备和低功耗电源管理电路，所述数据采 集模块包括感光传感器和信号处理电路，所述测量处理器采用MSP430系列芯片，所述无线 通信模块采用CCM20芯片。本实用新型中各测量节点采用微功耗无线传感器以自组网方式组成多个无线传 感器网络，测量节点采集数据并存储，通过无线传输协议将数据发送给相邻的测量节点，再 由相邻测量节点将数据发送给网关节点。网关节点和通信服务器之间以GPRS无线传输方 式进行双向通信，通信服务器再将数据发送给远端监控服务器，远端监控服务器对收到的 数据进行自动记录、自动计算，并在超出规定阈值后自动预警。测量节点和网关节点具有 拓扑结构、动态性强、自组织性以及网络分布式特性，对于分布在很广范围内的大量测量节 点，每个测量节点都是一个可以进行数据采集、数据处理和数据通信的智能单元，即使网络 中某些测量节点失效，整个网络仍然能够正常运行。测量节点采集隧道的状态信息，同时转 发其它测量节点的信息到网关节点，接受控制命令操作。网关节点收集各测量节点采集的 测量信息，并与通信服务器完成数据交换。通信服务器接受网关节点传输的测量信息，同时 向网关节点发送远端控制监控服务器的控制命令。远端监控服务器实现对分散的测量节点 信息进行统一管理，通过无线指令对测量节点实时监视和控制。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点结构简单、安装方便、减少人力劳动、制造和维护成本较低、可靠性较高、受环境影 响较小、传输速度较快、通讯距离较远、抗干扰能力较强、自动化程度较高，能够实现对隧道 安全指标数据进行自动采集、实时监测、快速分析并及时预警，对隧道安全进行远距离监 控，大大提高了整个隧道交通运营的安全性，可在隧道检测中广泛应用。
图1为本实用新型的结构框图；图2为本实用新型的测量节点框图；图3为本实用新型的网关节点框图；图4为网关节点中远程通信单元的结构框图；图5为测量节点的初始化流程图；图6为网关节点的初始化流程图；图7为测量节点的传感器插槽接口示意图；图8为隧道监测传感器类型示意图；图9为测量节点和网络节点的部署位置示意图图10为测量节点的数据采样工作的流程图；图11为远端监控服务器的软件功能框图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细描述[0028]参见图1所示，本实用新型提供的基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系 统，它包括通信服务器和远端监控服务器，它还包括布设在隧道内的多个配备无线传感器 的测量节点和多个网关节点，每个网关节点与处于通信距离内的至少一个测量节点之间以 自组网方式组成无线传感器网络，测量节点通过无线传输协议与处在同一个无线传感器网 络内的网关节点相连。测量节点实时监测自身以及周围测量节点的信息，将检测到的数据 通过监测范围内的无线传感器网络发送至网关节点，在数据的传输过程中，无线传感器网 络将自主对数据的传输路由进行寻优。网关节点通过GPRS以无线传输方式与通信服务器 进行信息交互。通信服务器接收到网络中所有测量节点的数据，并根据测量节点的位置和 测量数据对监控区域内的测量子信息作一个全局的分析，得出此时该监控区域内的安全状 态，并将此数据发送至远端监控服务器进行进一步的分析。通信服务器通过GPRS以无线传 输方式或通过Modem以有线传输方式与远端监控服务器相连。远端监控服务器接收到各个 监控的区域的测量信息，然后与当前各个区域的安全阈值要求值进行比照分析，最终计算 得出各个区域内节点的控制信息，并将此控制信息发送至通信服务器，通信服务器再通过 GPRS以无线传输方式将此控制信息发送至相应区域的网关节点，网关节点通过无线传感器 网络将控制信息发送至相应测量节点，控制区域内各个测量节点的工作状态，使其满足用 户的要求。参见图2所示，每个测量节点包括电源供应模块、分别与电源供应模块相连的数 据采集模块、测量处理器、驱动电路和无线通信模块，数据采集模块、驱动电路和无线通信 模块分别与测量处理器相连。电源供应模块包括供电设备和低功耗电源管理电路，在采用 2节1号AA电池或1节锂电池供电的情况下，测量节点可以工作1年。数据采集模块包括 感光传感器和信号处理电路。测量处理器采用低功耗高性能的MSP430系列芯片，芯片驱动 根据芯片类型和任务要求自行编写，控制测量节点开启或关闭，控制各部件协调有序工作。 无线通信模块采用TI公司的低功耗、基于802. 15. 4协议的CCM20芯片作为系统无线通信 的核心器件。参见图3所示，网关节点包括电源、分别与电源相连的无线通信单元、网关处理器 和远程通信单元，无线通信单元和远程通信单元分别与网关处理器相连。网关节点主要处 理其所在的无线传感器网络内测量节点之间以及与通信服务器之间的信息交互，无线通信 单元处理与测量节点之间的通信，处理器对数据信息进行融合和分析，远程通信单元通过 GPRS无线传输方式与远端监控服务端进行数据交互。参见图4所示，远程通信单元采用通 用的工业GPRS芯片模块，能够与现行GPRS网络进行交互通信和信息传输，可将测量节点的 分布等相关信息通过通信服务器实时传输至远程监控服务器，借助远程监控服务器后台的 强大处理和存储能力，对数据进行分析处理，采取更加合理的方式控制测量节点的采集效 果，及时发现失效的测量节点和存在安全隐患的区域。参见图5所示，测量节点的网络初始化过程其实就是测量节点自主组建网络，并 在网络内注册自身信息的过程。测量节点完成自身硬件的初始化后，便开启无线通信，搜寻 其通信范围内的同等测量节点的信息，一旦搜寻到其他测量节点，并与其建立通信链路并 交换彼此的路由信息和位置信息。测量节点不断通过与其相邻测量节点的信息交换，通过 多跳传输与网关节点建立通信链路，然后将自身信息发送至网关节点，在得到网关节点的 有效回复后，便可认为测量节点与网关节点通信正常，测量节点已经融入其所在的无线传感器网络。参见图6所示，网关节点的网络初始化过程就是其确定网络内各个测量节点的路 由信息和位置信息，并对整个网络内的测量节点相关信息进行统一管理和登记。硬件初始 化后，网关节点开启无线通信单元，搜寻其监控范围内的测量节点的信息，一旦有测量节点 发来请求信息，便将测量节点的信息进行登记，并对请求的测量节点进行回复。当对其所在 的无线传感器网络内的所有测量节点信息进行登记后，网关节点完成初始化。参见图7所示，测量节点上设有传感器插槽接口，具有可扩展性。测量节点上安装 有应变传感器和震动传感器，但是考虑到其它一些需要特殊传感器的场合，特意在设计过 程中留有扩展传感器的16Pin插槽，16Pin插槽具有丰富的接口，例如AD、I2C、UART以及数 字IO接口等，能够扩展大部分传感器。参见图8所示，根据实际需要，一般主要采用4种监测手段，分别为形变监测，主 要是大坝内部形变观测，监测仪器包括正垂线、倒垂线和裂缝计；渗压监测，主要对大坝内 部受到蓄水水库的渗透作用进行观测，由渗压计监测实现；应力应变监测，主要观测大坝内 部的受力情况，观测仪器包括应力计和应变计；温度监测，主要是对大坝坝体的温度监测， 由温度计监测实现。参见图9所示，网络节点的部署位置(图中黑色实心圆点)已知，在数据监测中， 配备无线传感器的测量节点(图中编号不为0的白色圆点)按照一定的距离部署于隧道内 部，且部署后位置不存在移动情况。每个测量节点或网络节点具有不同编号，从1开始编 号，编号随距离编号为0的白色圆点所代表位置的距离增加而递增。参见图10所示，配备无线传感器的测量节点在接收到网络启动命令后，以IOOHz 频率采样，并将采样数据存储到串行存储器中。考虑到数据采样频率较高且无实时性监测 要求，测量节点采样之后，先进行本地存储，在接收到网关节点发送的回传数据命令后，再 读取串行存储器中保存的数据并回传到网关节点。测量节点部署完毕上电后，绿色LED灯 亮，表明测量节点处于就绪状态，等待网关节点发出启动命令。当测量节点接收到启动命令 后，进入工作状态，此时蓝色LED灯亮，并以IOOHz频率开始采样，并将采样数据并写入到测 量节点自身的串行Flash存储器中保存。采集结束后，蓝色LED灯熄灭，测量节点进入休眠 状态；当测量节点收到网关节点的回传数据命令时，测量节点被唤醒并对命令中的目标测 量节点的编号进行判断，如果命令中的目标测量节点编号与该测量节点的编号一致，该测 量节点再次进入工作状态回传数据，此时蓝色LED灯闪烁，表明该测量节点正在回传数据。参见图11所示，远端监控服务器的软件负责发送网络控制命令，并对无线传感器 网络中传回的数据包格式进行解析、存储、历史数据查询，并实现对桥梁健康状况的评估。本实用新型是一个以隧道结构为平台，结合实时监测与人工定期检测的优势，应 用现代传感、通信和网络技术，以实现对隧道在未来运营过程中健康状况的实时动态监测， 及时发现和预警隧道潜在的危险，为隧道的安全运营、管理和养护维修提供科学的数据支 持。
权利要求1.一种基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系统，它包括通信服务器和远端监控 服务器，其特征在于它还包括布设在隧道内的多个配备无线传感器的测量节点和多个网 关节点，每个网关节点与至少一个测量节点之间以自组网方式组成无线传感器网络，测量 节点通过无线传输协议与处在同一个无线传感器网络内的网关节点相连；网关节点与通信 服务器相连，通信服务器与远端控制监控服务器相连。
2.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系统，其特征在于 所述网关节点与通信服务器通过GPRS以无线传输方式相连。
3.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系统，其特征在于 所述通信服务器通过GPRS以无线传输方式或通过Modem以有线传输方式与远端控制监控 服务器相连。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系统，其特 征在于所述测量节点包括电源供应模块、分别与电源供应模块相连的数据采集模块、测量 处理器、驱动电路和无线通信模块，其中，数据采集模块、驱动电路和无线通信模块分别与 测量处理器相连。
5.如权利要求4所述的基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系统，其特征在于 所述电源供应模块包括供电设备和低功耗电源管理电路。
6.如权利要求4所述的基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系统，其特征在于 所述数据采集模块包括感光传感器和信号处理电路。
7.如权利要求4所述的基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系统，其特征在于 所述处理器采用MSP430系列芯片。
8.如权利要求4所述的基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系统，其特征在于 所述无线通信模块采用CCM20芯片。
专利摘要本实用新型公开了一种基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系统，包括通信服务器和远端监控服务器，还包括布设在隧道内的多个配备无线传感器的测量节点和多个网关节点，每个网关节点与至少一个测量节点之间以自组网方式组成无线传感器网络，测量节点通过无线传输协议与处在同一个无线传感器网络内的网关节点相连；网关节点与通信服务器相连，通信服务器与远端控制监控服务器相连。本实用新型结构简单、安装方便、减少人力劳动、制造和维护成本较低、可靠性较高、受环境影响较小、传输速度较快、通讯距离较远、抗干扰能力较强、自动化程度较高，能够实现对隧道安全指标数据进行自动采集、实时监测、快速分析并及时预警，保障隧道交通的安全。
文档编号H04W84/18GK201839317SQ20102054576
公开日2011年5月18日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者刘卓, 唐旋来, 唐晓, 汤强, 熊炜, 郭乐江 申请人:刘卓, 郭乐江