本發明涉及一種隧道結構遠程監測系統，尤其是涉及一種基于多種無線傳感器節點的隧道結構遠程監測系統。

背景技術：

隨著地鐵隧道的快速發展，地鐵隧道的安全監測已經刻不容緩。然而，地鐵隧道不同于其他監測對象，具體表現在：監測內容和體量龐大，隧道內部環境復雜，隧道隱患部位隱蔽性強等特點。因此，在地鐵隧道背景下，應用傳統的監測方式，費時費力，且極易受到時間等因素的限制，難以滿足全自動、全天候的實時監測需求。

近年來，隨著科學技術水平的不斷提升，無線傳感器網絡技術也不斷成熟，在不同工作環境實現了應用，并發揮著舉足輕重的作用。無線傳感器網絡是利用大量的傳感器對特定區域實現協同式感知，并以無線通信的方式將監測信息傳輸給監控者。

現有的隧道結構監測系統以傳統有線監測為主，導致隧道內線纜過于復雜。少部分隧道結構遠程監測系統雖然很大程度上克服了傳統監測方法的缺點，但是監測方式依然單一。為了克服前述并且其它缺陷，需要一種基于多種無線傳感器節點的隧道結構遠程監測系統。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于多種無線傳感器節點的隧道結構遠程監測系統及方法。無線傳感器網絡具有長生命周期、高可擴展性、高安全性等特點，特別是其傳感器節點具有其他監測手段所不具有的優點：低能耗、高集成度、小體積等。因此，應用無線傳感器網絡技術實現對地下環境的監測是一種非常有效的監測手段。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于多種無線傳感器節點的隧道結構遠程監測系統，所述系統包括無線傳感器、無線網關和遠程服務器，所述的無線網關通過ZigBee方式連接無線傳感器模塊，通過3G/4G方式連接遠程服務器，所述的無線傳感器包括無線傾角傳感器節點、無線滲漏水傳感器節點、無線接縫張開傳感器節點，無線網關通過ZigBee方式連接各傳感器節點，無線傾角傳感器節點周期性發送傾角數據至無線網關，無線滲漏水傳感器節點周期性發送滲漏水數據至無線網關，無線接縫張開傳感器節點周期性發送接縫張開數據至無線網關。

所述的無線網關安裝于隧道里的電箱中，同時配備了備用電池。

所述的無線傾角傳感器節點安裝于盾構隧道管片上，所述的無線滲漏水傳感器節點安裝于盾構隧道管片已發生或易發生滲漏水處，所述的無線接縫張開傳感器節點安裝于盾構隧道管片銜接處。

所述的無線傾角傳感器節點、無線滲漏水傳感器節點和無線接縫張開傳感器節點設有傳感器采集單元、電源單元、微處理器單元和無線通信單元，不同的無線傳感器節點內傳感器采集單元不同，不同的無線傳感器節點的電源單元、微處理器單元和無線通信單元相同。

所述的無線傾角傳感器節點中的傳感器采集單元采用雙軸傾角羅盤系列，選擇數字信號輸出；所述的無線滲漏水傳感器節點中的傳感器采集單元采用線狀滲漏水傳感器，均勻布置了6個銅片；所述的無線接縫張開傳感器節點中的傳感器采集單元采用差動變壓器式位移傳感器，其采樣精度是0.01毫米，測量范圍是5米。

所述的電源單元采用鋰電池供電，所述的電源單元包括對鋰電池的直流電壓降壓的第一降壓芯片，和對鋰電池的直流電壓進一步降壓的第二降壓芯片，其中第一降壓芯片輸出端連接傳感器采集單元和微處理器單元，第二降壓芯片輸出端接無線通信單元。

所述的微處理器單元中設有配以晶振的單片機，包括至少一個由I/O端口驅動的LED燈、一個與ZigBee無線通信模塊進行串口通信接口、一個與傾角傳感器芯片進行數字數據通信的接口、一個用來進行工作模式切換的中斷、一個實現調試器對芯片進行程序燒寫的燒錄接口、一個用來對微處理器系統進行復位的復位按鈕。

所述的微處理器單元內設有3個I/O端口分別驅動的3個顏色不同的LED燈。

所述的無線通信單元內芯片與微處理器單元內的單片機進行數據傳輸，通過內置的RF模塊進行數據的無線電傳輸。

所述的無線網關還包括匯聚模塊，該系統的網絡組網流程如下：

S1、無線網關中的匯聚模塊進行初始化；

S2、各個傳感器節點收到來自匯聚模塊的初始化信息后，向匯聚模塊發送“申請入網”的信息；

S3、匯聚模塊收到數據后會進行回傳數據判斷，如果是“申請入網”信息，則給予允許入網，并分配地址，之后傳感器節點開始進行數據采集與傳輸；

S4、匯聚模塊收到數據后會進行回傳數據判斷，如果是“監測數據”，則匯聚單元接收數據，通過串口發給3G/4G模塊，再通過3G/4G模塊傳輸至服務器，如果是其他信息則返回步驟S4。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1)本系統兼容多種傳感器節點，包括傾角傳感器節點、滲漏水傳感器節點、接縫張開傳感器節點等，全系統采用無線傳輸方式收集各類傳感器數據，實時發送至遠端服務器，實現遠程監控功能；根據兩種傾角傳感器位置實現兩種不同傾角方向測量，測量隧道軸向和徑向的管片傾斜度；

2)本系統適用于隧道結構健康監測，利用多種傳感器和多種無線通信方式，實現隧道結構遠程監控；

3)傳感器節點具有低能耗、高集成度、小體積等優點，無線傳感器網絡具有長生命周期、高可擴展性、高安全性等特點。

附圖說明

圖1為本發明一種基于多種無線傳感器節點的隧道結構遠程監測系統框架圖；

圖2為本發明的節點硬件框圖；

圖3為本發明的節點初始化程序流程圖；

圖4為本發明的節點喚醒程序流程圖；

圖5為本發明一種基于多種無線傳感器節點的隧道結構遠程監測網絡組網流程圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都應屬于本發明保護的范圍。

實施例

如圖1所示，一種基于多種無線傳感器節點的隧道結構遠程監測系統，所述系統包括無線傳感器模塊、無線網關和遠程服務器，所述無線傳感器模塊包括無線傾角傳感器節點、無線滲漏水傳感器節點和無線接縫張開傳感器節點。所述的無線傾角傳感器節點安裝于盾構隧道管片上，周期性發送傾角數據至無線網關。所述的無線滲漏水傳感器節點安裝于盾構隧道管片已發生或易發生滲漏水處，周期性發送滲漏水數據至無線網關。所述的無線接縫張開傳感器節點安裝于盾構隧道管片銜接處，周期性發送接縫張開數據至無線網關。所述的無線網關通過ZigBee方式連接無線傾角傳感器節點、無線滲漏水傳感器節點和無線接縫張開傳感器節點，通過3G方式連接遠程服務器。

所述的無線網關安裝于隧道里的電箱中，由220V交流電供電，同時配備了可充電備用鋰電池防止斷電。

如圖2所示，無線傾角傳感器節點、無線滲漏水傳感器節點和無線接縫張開傳感器節點具有相同的硬件架構，包括傳感器單元、處理器單元、無線通信單元和能源供應單元。

傳感器單元主要負責采集傳感器數據。傳感器單元主要由傳感器和ADC模擬數字轉換器/DAC數字模擬轉換器電路組成，每個節點具有相應的傳感器。所述的無線傾角傳感器節點中的傳感器采集單元采用VTI科技雙軸傾角羅盤系列SCA100T，選擇數字信號輸出。所述的無線滲漏水傳感器節點中的傳感器采集單元采用線狀滲漏水傳感器，均勻布置了6個銅片。所述的無線接縫張開傳感器節點中的傳感器采集單元采用差動變壓器式位移傳感器，其采樣精度是0.01毫米，測量范圍是5米。

處理器單元主要由處理器和存儲器組成，分別負責處理和存儲傳感器數據。處理器單元即微處理器單元采用Atmel公司的ATmega16A單片機，配以8M晶振，包含由3個I/O端口分別驅動的3個顏色不同的LED燈、一個與ZigBee無線通信模塊進行串口通信的USART口、一個與傾角傳感器芯片進行數字數據通信的SPI口、一個用來進行工作模式切換的中斷INT0、一個實現ICE JTAG調試器對芯片進行程序燒寫的JTAG燒錄接口、一個用來對微處理器系統進行復位的復位按鈕。

無線通信單元主要由網絡、MAC、收發器組成，進行節點間組網并傳輸傳感器數據。所述的無線通信單元采用TI公司的CC2530芯片，通過速率為9600bps的串口USART0與微處理器ATmega16A進行數據傳輸，通過內置的RF模塊進行數據的無線電傳輸。

能量供應單元為各個模塊提供能量，由電池供電。能源供應單元設有電源，所述的電源采用12V鋰電池供電，采用降壓芯片LM2596S-5V把鋰電池的12V直流電壓轉換為5V直流電壓，采用降壓芯片AMS1117-3.3進一步把5V直流電壓降壓到3.3V，其中5V直流電給傳感器采集單元和微處理器單元供電，3.3V直流電給無線通信單元供電。

如圖3、圖4所示，各個節點具有相同的程序流程圖。圖3為本發明的節點初始化程序流程圖，節點進行初始化，使能外部中斷和全局中斷，進入掉電模式，持續休眠節省能量消耗。圖4為本發明的節點喚醒程序流程圖，外部定時器達到預設時間后會觸發中斷，喚醒節點，進行傳感器采樣以采集數據，并進行數據處理，再把數據通過串口發送給CC2530。CC2530是ZigBee通信模塊，把傳感器數據通過ZigBee傳輸至無線網關中的匯聚單元。

如圖5所示，一種基于多種無線傳感器節點的隧道結構遠程監測系統的網絡組網流程。網絡組網由匯聚模塊發起，匯聚模塊進行初始化，廣播初始化信息建立無線網絡，開啟無線監聽。各個傳感器節點收到來自匯聚模塊的初始化信息后，會發送“申請入網”的信息。匯聚模塊收到數據后會進行回傳數據判斷，如果是“申請入網”信息，則給予允許入網，并分配地址。各個傳感器節點分配完網絡地址，則開始進行傳感器數據傳輸，每次采集到傳感器監測數據，實時地發送至匯聚模塊。匯聚模塊收到數據后會進行回傳數據判斷，如果是“監測數據”，接收數據，通過串口發給3G/4G單元，再通過3G單元傳輸至服務器，從而實現多種無線傳感器節點的隧道結構遠程監測。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應以權利要求的保護范圍為準。