基于ZigBee的隧道結構安全實時監測系統設計

廖凱 吳劍 王剛

摘? ?要：為避免隧道在施工過程中發生事故，針對隧道結構安全監測設計了一套完整的監測方案。該方案基于ZigBee無線通信方式，結合施工隧道特定的場景，設計了隧道結構安全監測的傳感器節點、中繼節點以及網關節點，并提出一種新的隧道監測數據傳輸策略。該系統在實驗室環境下進行測試，實驗結果顯示，設計的監測方案各項指標能夠適應在建隧道結構安全監測的需求。

關鍵詞：隧道;結構安全;監測系統;ZigBee

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：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利用的重要方面。隧道在施工和運營過程中，因地質條件變化、結構失穩及退化等問題可能會引起安全隱患，因此隧道的結構安全監測尤為重要。

當前，針對地鐵隧道和公路隧道建設和運營期的結構安全監測系統在國內外已有很多研究和應用[1-3]，然而專門針對施工隧道結構安全無線監測方面的研究工作還相對滯后，缺乏可靠的保護指標與有效的監控手段[4-5]。因此對施工隧道的無線監測進行專門研究，在此基礎上建立施工隧道結構安全監測系統具有重要的研究意義。

通常在人工測量的基礎上對隧道進行監測，例如內部空間位移等。然而這種人工測量不能實時反映隧道的結構安全狀況。另一方面，對于一些復雜裝置（光波距離測量儀器、激光測距儀等）的自動監測需要大量的工作，人工的維護也需要高額的成本[6]。因此，提出了利用ZigBee無線傳感器網絡來實現對施工隧道結構安全進行實時監測，提高了施工隧道結構安全監測數據的實時性。

1? ?隧道結構安全監測系統

本方案結合隧道、基坑、橋梁等應用環境的特點，計劃采用ZigBee技術作為核心，對監測系統的整體方案進行設計，包括：系統的體系結構、系統的技術方案，確定傳感器的節點設計，保證網絡設備能被系統正常識別，完成數據的收發工作，對隧道不同需求數據進行檢測，確認采集數據的準確性。圖1為本方案隧道監測系統的架構設計圖。

隧道監測控制系統基于ZigBee無線通信協議，在保證ZigBee網絡覆蓋范圍內，部署多個路由節點從而組成一個多跳的到達匯聚節點的無線個域網（Wireless Personal Area Network，WPAN），最后由匯聚節點通過3G/4G等無線通信方式將隧道的各種監測信息傳輸給遠程監控中心，以實現對隧道的實時監測與管理[5-7]。

2? ?隧道結構安全監測硬件設計

所設計的隧道結構安全監測硬件主要包括傳感器節點、中繼節點以及網關節點。

傳感器節點：利用振弦傳感器對施工隧道內的斷面進行數據采集。

中繼節點：完成通訊鏈路中繼，傳感器節點接入。通訊鏈路中所有中繼節點均可接入傳感器節點。

匯聚節點：承擔網絡協調、數據中轉、數據計算、警報及存儲。包括4G全網通模塊與WiFi模塊（用于連接手機）。

2.1? ?傳感器節點

ZigBee傳感器節點采用標準接口設置，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行拉/壓力數據檢測。

本方案采用振弦傳感器讀數模塊與ZigBee傳感器節點進行連接，實現數據采集與傳輸。由于振弦傳感器模塊讀數時需要產生高壓脈沖，所以振弦傳感器與讀數模塊之間需要建立雙向通路，一般的多路復用器無法滿足，且常規的多路復用器不能承受高壓脈沖信號，所以對于多路傳感器本方案采用的是4路繼電器。振弦傳感器節點硬件結構圖如圖2所示。

2.2? ?中繼節點

由于中繼節點僅負責數據的接收與轉發，所以功能相對于傳感器節點、顯示節點以及網關節點要少得多，本方案中考慮到成本與功耗等問題，擬采用基于CC2530片上系統的最小系統實現，并結合LED指示燈、電源管理模塊以及按鍵等外圍電路進行設計。中繼節點硬件結構如圖3所示。

2.3? ?匯聚節點

匯聚節點對傳感器節點的上傳數據進行匯集并進行存儲，再通過3G/4G模塊將感知數據利用TCP/UDP方式上傳到指定服務器，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為匯聚節點硬件結構圖。

3? ?低功耗關鍵技術設計

3.1? ?低功耗設計

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。

本方案為了減少節點能耗，感知節點采用PM2休眠喚醒模式，休眠喚醒策略采用非信標方式進行處理。喚醒過程如圖5所示。

接收節點的喚醒狀態時間為tatv=50 ms，休眠狀態時間為tslp=1950 ms;發送節點的喚醒周期為Tpls =2 000 ms，發送節點的接收時間為trcv=1 000 ms。

為了延長節點工作時長，降低空閑偵聽功耗，采集網絡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點、中繼節點向網關節點發送心跳包，此外還可以用來實現時鐘同步，由于心跳模式周期短，可以用于突發模式的網絡喚醒。

b. 采樣模式：由于本課題的采樣頻率很低，數據可靠性要求高，所以在心跳模式的基礎上實現大周期采樣，該模式的特點為整個休眠喚醒周期較長，一個周期內喚醒時間相對心跳模式的喚醒時間長，目的是為了保證數據可以在喚醒時間內可靠到達匯聚節點。

c. 突發模式：突發模式用于突發情況，需要工作人員攜帶其他外接傳感器與傳感器節點接口進行連接，進行數據采樣上傳的工作模式。在該模式下，要求對網絡進行喚醒，考慮到干擾與同步偏離的情況，在硬件上設置喚醒開關，在軟喚醒無法保證的情況下，通過手動硬件喚醒的方式，實現突發情況下的網絡喚醒。

3.2? ?自組織動態網絡協議

本系統擬采用Z-Stack協議棧作為基礎進行網絡開發與應用。Z-Stack協議棧采用操作系統的思想來構建，采用事件輪循機制。CC2530上電工作，事件輪循機制立即運轉，當有采集、發送、接收、顯示等任務時進行執行動作。當各層初始化之后，系統進入低功耗模式，當事件發生時，喚醒系統，開始進入中斷處理事件，結束后繼續進入低功耗模式[8，9]。如果同時有幾個事件發生，判斷優先級，逐次處理事件。這種軟件構架的優勢是可以極大地降低系統功耗。

鑒于測點一般根據隧道施工進度按斷面布設，感知節點數據到網關節點的傳輸距離是根據施工進度不斷改變的，單跳傳輸在隧道這種復雜環境下很難保證數據可靠傳輸[10-13]。所以需要根據隧道施工進度借助多個中繼節點進行數據的轉發。所以中繼節點的自組織性能是系統設計的重點。

圖6是本方案計劃設計的隧道推進新增中繼節點添加位置方案，最前端的中繼節點與傳感器節點作為一個整體向前推進，新增節點添加在倒數第二個中繼節點的位置，并設置節點編號為k+1（設倒數第三個節點編號為k）。新增中繼節點加入網絡流程如圖7所示：

新增中繼節點放置在最前端中繼節點RN_e節點后，這樣設置的原因是讓最前端中繼節點RN_e具有喚醒整個網絡的特殊權限，為了是在突發模式情況下，工作人員可以在隧道里通過最前端中繼節點RN_e節點喚醒整個網絡，使得可以在整個網絡喚醒情況下執行相應的任務。

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

除了突發模式通過最前端中繼節點RN_e節點喚醒整個網絡外，后端管理軟件也需要對網絡進行休眠/喚醒的配置權限，而圖8中的最前端中繼節點RN_e節點睡眠或喚醒命令不能滿足整個系統的需求，所以本方案中還設計了網關節點的權限，與最前端中繼節點RN_e節點睡眠或喚醒命令的逆流方式相反的是，網關端的睡眠或喚醒命令采用順流的方式，此時睡眠或喚醒命令就像一股水流，只能水平或向下流動，而不會向上游流動[14]。圖9則是網關節點睡眠或喚醒命令的流向圖。

4? ?隧道結構安全監測系統測試

4.1? ?節點喚醒延遲測試

節點模擬隧道環境，采用直線型網絡結構進行節點喚醒，測試不同跳數下的喚醒延遲。表1為不同節點跳數下的喚醒延遲測試。

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

4.2? ?功耗測試

節點功耗是影響隧道網絡穩定性和持久性的重要因素，節點的能耗主要損失在射頻模塊?？紤]到瞬時電流測試不具有代表性，本文將對提出的低功耗策略與正常工作的節點功耗進行實際工作對比，測試節點均處于相同網絡任務的條件下。表2為不同節點工作模式下的功耗測試。

注：表格中的電壓值是通過CC2530SoC芯片內部AD轉換所采集的數據

通過測試可以發現，采用提出的低功耗策略節點在電量耗盡前平均持續工作時間為2128小時，遠大于正常模式工作下的節點68小時持續工作時間。

設計的網關節點、中繼節點以及傳感器節點實物圖如圖10所示：

本系統設計的無線振弦傳感器模塊采集到的數據與手持振弦讀數儀數據進行對比，對比結果如圖11所示。由對比實驗可以看出，設計的無線振弦傳感器模塊與手持讀數儀的數據基本一致，存在0.3 Hz左右的系統誤差，在系統精度要求范圍內，且可通過標定降低系統誤差。

經過系統測試，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構安全監測的性能與指標需求。所以可以采用基于ZigBee的施工隧道結構安全監測系統，對施工隧道結構安全監測信息進行采集與傳輸，進而為施工隧道的安全作業提供技術保障。

5? ?結? ?論

基于ZigBee的施工隧道結構安全實時監測系統可以實時有效地對隧道斷面進行信息采集、傳輸、顯示與數據分析，實現了施工隧道信息化管理。與傳統的隧道監測方式相比，基于ZigBee的施工隧道結構安全實時監測系統能實時、準確地提供施工隧道的相關監測數據，對隧道的結構安全監測進行分析與預警，為隧道的安全施工提供技術保障。

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