本發(fā)明涉及一種隧道結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于多種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的隧道結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著地鐵隧道的快速發(fā)展，地鐵隧道的安全監(jiān)測(cè)已經(jīng)刻不容緩。然而，地鐵隧道不同于其他監(jiān)測(cè)對(duì)象，具體表現(xiàn)在：監(jiān)測(cè)內(nèi)容和體量龐大，隧道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，隧道隱患部位隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，在地鐵隧道背景下，應(yīng)用傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且極易受到時(shí)間等因素的限制，難以滿足全自動(dòng)、全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求。

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也不斷成熟，在不同工作環(huán)境實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，并發(fā)揮著舉足輕重的作用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是利用大量的傳感器對(duì)特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)協(xié)同式感知，并以無(wú)線通信的方式將監(jiān)測(cè)信息傳輸給監(jiān)控者。

現(xiàn)有的隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)為主，導(dǎo)致隧道內(nèi)線纜過(guò)于復(fù)雜。少部分隧道結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然很大程度上克服了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的缺點(diǎn)，但是監(jiān)測(cè)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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的隧道結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于多種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的隧道結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有長(zhǎng)生命周期、高可擴(kuò)展性、高安全性等特點(diǎn)，特別是其傳感器節(jié)點(diǎn)具有其他監(jiān)測(cè)手段所不具有的優(yōu)點(diǎn)：低能耗、高集成度、小體積等。因此，應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下環(huán)境的監(jiān)測(cè)是一種非常有效的監(jiān)測(cè)手段。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種基于多種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的隧道結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括無(wú)線傳感器、無(wú)線網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程服務(wù)器，所述的無(wú)線網(wǎng)關(guān)通過(guò)ZigBee方式連接無(wú)線傳感器模塊，通過(guò)3G/4G方式連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，所述的無(wú)線傳感器包括無(wú)線傾角傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線滲漏水傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線接縫張開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)通過(guò)ZigBee方式連接各傳感器節(jié)點(diǎn)，無(wú)線傾角傳感器節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送傾角數(shù)據(jù)至無(wú)線網(wǎng)關(guān)，無(wú)線滲漏水傳感器節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送滲漏水?dāng)?shù)據(jù)至無(wú)線網(wǎng)關(guān)，無(wú)線接縫張開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送接縫張開(kāi)數(shù)據(jù)至無(wú)線網(wǎng)關(guān)。

所述的無(wú)線網(wǎng)關(guān)安裝于隧道里的電箱中，同時(shí)配備了備用電池。

所述的無(wú)線傾角傳感器節(jié)點(diǎn)安裝于盾構(gòu)隧道管片上，所述的無(wú)線滲漏水傳感器節(jié)點(diǎn)安裝于盾構(gòu)隧道管片已發(fā)生或易發(fā)生滲漏水處，所述的無(wú)線接縫張開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)安裝于盾構(gòu)隧道管片銜接處。

所述的無(wú)線傾角傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線滲漏水傳感器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線接縫張開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)有傳感器采集單元、電源單元、微處理器單元和無(wú)線通信單元，不同的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)傳感器采集單元不同，不同的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的電源單元、微處理器單元和無(wú)線通信單元相同。

所述的無(wú)線傾角傳感器節(jié)點(diǎn)中的傳感器采集單元采用雙軸傾角羅盤(pán)系列，選擇數(shù)字信號(hào)輸出；所述的無(wú)線滲漏水傳感器節(jié)點(diǎn)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(gè)銅片；所述的無(wú)線接縫張開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)中的傳感器采集單元采用差動(dòng)變壓器式位移傳感器，其采樣精度是0.01毫米，測(cè)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(duì)鋰電池的直流電壓降壓的第一降壓芯片，和對(duì)鋰電池的直流電壓進(jìn)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(wú)線通信單元。

所述的微處理器單元中設(shè)有配以晶振的單片機(jī)，包括至少一個(gè)由I/O端口驅(qū)動(dòng)的LED燈、一個(gè)與ZigBee無(wú)線通信模塊進(jìn)行串口通信接口、一個(gè)與傾角傳感器芯片進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信的接口、一個(gè)用來(lái)進(jìn)行工作模式切換的中斷、一個(gè)實(shí)現(xiàn)調(diào)試器對(duì)芯片進(jìn)行程序燒寫(xiě)的燒錄接口、一個(gè)用來(lái)對(duì)微處理器系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位的復(fù)位按鈕。

所述的微處理器單元內(nèi)設(shè)有3個(gè)I/O端口分別驅(qū)動(dòng)的3個(gè)顏色不同的LED燈。

所述的無(wú)線通信單元內(nèi)芯片與微處理器單元內(nèi)的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)內(nèi)置的RF模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線電傳輸。

所述的無(wú)線網(wǎng)關(guān)還包括匯聚模塊，該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程如下：

S1、無(wú)線網(wǎng)關(guān)中的匯聚模塊進(jìn)行初始化；

S2、各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自匯聚模塊的初始化信息后，向匯聚模塊發(fā)送“申請(qǐng)入網(wǎng)”的信息；

S3、匯聚模塊收到數(shù)據(jù)后會(huì)進(jìn)行回傳數(shù)據(jù)判斷，如果是“申請(qǐng)入網(wǎng)”信息，則給予允許入網(wǎng)，并分配地址，之后傳感器節(jié)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸；

S4、匯聚模塊收到數(shù)據(jù)后會(huì)進(jìn)行回傳數(shù)據(jù)判斷，如果是“監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)”，則匯聚單元接收數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)給3G/4G模塊，再通過(guò)3G/4G模塊傳輸至服務(wù)器，如果是其他信息則返回步驟S4。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本系統(tǒng)兼容多種傳感器節(jié)點(diǎn)，包括傾角傳感器節(jié)點(diǎn)、滲漏水傳感器節(jié)點(diǎn)、接縫張開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)等，全系統(tǒng)采用無(wú)線傳輸方式收集各類傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)發(fā)送至遠(yuǎn)端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能；根據(jù)兩種傾角傳感器位置實(shí)現(xiàn)兩種不同傾角方向測(cè)量，測(cè)量隧道軸向和徑向的管片傾斜度；

2)本系統(tǒng)適用于隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，利用多種傳感器和多種無(wú)線通信方式，實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)控；

3)傳感器節(jié)點(diǎn)具有低能耗、高集成度、小體積等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有長(zhǎng)生命周期、高可擴(kuò)展性、高安全性等特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一種基于多種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的隧道結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖；

圖2為本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)硬件框圖；

圖3為本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)初始化程序流程圖；

圖4為本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)喚醒程序流程圖；

圖5為本發(fā)明一種基于多種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的隧道結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例

如圖1所示，一種基于多種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的隧道結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括無(wú)線傳感器模塊、無(wú)線網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程服務(wù)器，所述無(wú)線傳感器模塊包括無(wú)線傾角傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線滲漏水傳感器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線接縫張開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)。所述的無(wú)線傾角傳感器節(jié)點(diǎn)安裝于盾構(gòu)隧道管片上，周期性發(fā)送傾角數(shù)據(jù)至無(wú)線網(wǎng)關(guān)。所述的無(wú)線滲漏水傳感器節(jié)點(diǎn)安裝于盾構(gòu)隧道管片已發(fā)生或易發(fā)生滲漏水處，周期性發(fā)送滲漏水?dāng)?shù)據(jù)至無(wú)線網(wǎng)關(guān)。所述的無(wú)線接縫張開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)安裝于盾構(gòu)隧道管片銜接處，周期性發(fā)送接縫張開(kāi)數(shù)據(jù)至無(wú)線網(wǎng)關(guān)。所述的無(wú)線網(wǎng)關(guān)通過(guò)ZigBee方式連接無(wú)線傾角傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線滲漏水傳感器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線接縫張開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)3G方式連接遠(yuǎn)程服務(wù)器。

所述的無(wú)線網(wǎng)關(guān)安裝于隧道里的電箱中，由220V交流電供電，同時(shí)配備了可充電備用鋰電池防止斷電。

如圖2所示，無(wú)線傾角傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線滲漏水傳感器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線接縫張開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)具有相同的硬件架構(gòu)，包括傳感器單元、處理器單元、無(wú)線通信單元和能源供應(yīng)單元。

傳感器單元主要負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)。傳感器單元主要由傳感器和ADC模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器/DAC數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器電路組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相應(yīng)的傳感器。所述的無(wú)線傾角傳感器節(jié)點(diǎn)中的傳感器采集單元采用VTI科技雙軸傾角羅盤(pán)系列SCA100T，選擇數(shù)字信號(hào)輸出。所述的無(wú)線滲漏水傳感器節(jié)點(diǎn)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(gè)銅片。所述的無(wú)線接縫張開(kāi)傳感器節(jié)點(diǎn)中的傳感器采集單元采用差動(dòng)變壓器式位移傳感器，其采樣精度是0.01毫米，測(cè)量范圍是5米。

處理器單元主要由處理器和存儲(chǔ)器組成，分別負(fù)責(zé)處理和存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)。處理器單元即微處理器單元采用Atmel公司的ATmega16A單片機(jī)，配以8M晶振，包含由3個(gè)I/O端口分別驅(qū)動(dòng)的3個(gè)顏色不同的LED燈、一個(gè)與ZigBee無(wú)線通信模塊進(jìn)行串口通信的USART口、一個(gè)與傾角傳感器芯片進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信的SPI口、一個(gè)用來(lái)進(jìn)行工作模式切換的中斷INT0、一個(gè)實(shí)現(xiàn)ICE JTAG調(diào)試器對(duì)芯片進(jìn)行程序燒寫(xiě)的JTAG燒錄接口、一個(gè)用來(lái)對(duì)微處理器系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位的復(fù)位按鈕。

無(wú)線通信單元主要由網(wǎng)絡(luò)、MAC、收發(fā)器組成，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間組網(wǎng)并傳輸傳感器數(shù)據(jù)。所述的無(wú)線通信單元采用TI公司的CC2530芯片，通過(guò)速率為9600bps的串口USART0與微處理器ATmega16A進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)內(nèi)置的RF模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線電傳輸。

能量供應(yīng)單元為各個(gè)模塊提供能量，由電池供電。能源供應(yīng)單元設(shè)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(zhuǎn)換為5V直流電壓，采用降壓芯片AMS1117-3.3進(jìn)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(wú)線通信單元供電。

如圖3、圖4所示，各個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的程序流程圖。圖3為本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)初始化程序流程圖，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，使能外部中斷和全局中斷，進(jìn)入掉電模式，持續(xù)休眠節(jié)省能量消耗。圖4為本發(fā)明的節(jié)點(diǎn)喚醒程序流程圖，外部定時(shí)器達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間后會(huì)觸發(fā)中斷，喚醒節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行傳感器采樣以采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再把數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給CC2530。CC2530是ZigBee通信模塊，把傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee傳輸至無(wú)線網(wǎng)關(guān)中的匯聚單元。

如圖5所示，一種基于多種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的隧道結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程。網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)由匯聚模塊發(fā)起，匯聚模塊進(jìn)行初始化，廣播初始化信息建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)啟無(wú)線監(jiān)聽(tīng)。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自匯聚模塊的初始化信息后，會(huì)發(fā)送“申請(qǐng)入網(wǎng)”的信息。匯聚模塊收到數(shù)據(jù)后會(huì)進(jìn)行回傳數(shù)據(jù)判斷，如果是“申請(qǐng)入網(wǎng)”信息，則給予允許入網(wǎng)，并分配地址。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)分配完網(wǎng)絡(luò)地址，則開(kāi)始進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)傳輸，每次采集到傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地發(fā)送至匯聚模塊。匯聚模塊收到數(shù)據(jù)后會(huì)進(jìn)行回傳數(shù)據(jù)判斷，如果是“監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)”，接收數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)給3G/4G單元，再通過(guò)3G單元傳輸至服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)多種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的隧道結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。