基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系统要点

1、说 明 书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

2、预警，保障隧道交通的安全摘要附 图权 利 要 求 书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

3、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

4、：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。&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 CC2420芯片。2基于无线传感器网络的隧道安全快速检测系统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

5、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

6、，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

7、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

8、线传输方式与远端控制监控服务器相连。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 CC2420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

9、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

10、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。附图说明图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

11、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。具体实施方式下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细描述：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

12、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

13、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

14、米用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CC2420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

15、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

16、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

17、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

18、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100Hz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