基于物联网的隧道健康监测终端系统设计

基于物联网的隧道健康监测终端系统设计

童杨,张奕柯,蔡钱明,尤婷

关键词：基于物联网；感知节点；汇聚节点；无线传感器；隧道健康监测；自动化；

随着我国交通建设的进一步推进，在隧道施工和运营过程中，地质条件变化多端、结构性损伤，失稳和退化等影响因素众多，这给隧道安全带来了许多隐患。为了保障隧道工程安全、及时掌握隧道地质状况，本项目拟开发一种基于物联网的隧道健康监测终端系统，实现隧道健康监测的可靠性。

一、监测系统结构原理

本项目是基于物联网的隧道健康监测终端系统，布设无线传感器网络，通过传感器技术获得隧道的健康信息，通过感知节点对参量进行自动化的数据采集，借助无线网络技术借路由器节点将各种传感信息汇总到汇聚节点，再输送到上位监控平台处理，实现系统的要求功能。整个系统终端包括若干个感知节点、汇聚节点和上位监控平台等三个部分构成，如图1。

图1系统结构图

二、监测系统网络通信协议

Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。是实现隧道健康监测的核心所在，主要涉及物理层、数据链路层、网络层、应用层等。

（1）物理层

物理层主要负责感知信息的采集，将模拟信号进行数字化，由路由器节点传送至LCD屏幕上,通过软硬件的混合设计，建立一个完整的监测系统。

（2）数据链路层

负责媒体访问控制和建立节点之间可靠的通信链路。

（3）网络层

Zigbee网络层主要功能包括设备连接和断开网络里所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。

（4）应用层

主要负责把系统的应用映射到Zigbee网络，包括应用支持层、设备对象和应用对象。

三、传感器节点的硬件设计

（一）感知节点

感知节点采用CC2430芯片为核心，结构如图2所示，倾角、应变等模拟信号送入到芯片转换成数字量，再将信息发送至协调器，这些信息也可以在现场的LCD上显示出来。

图2感知节点结构

（二）汇聚节点

汇聚节点由无线模块、微处理芯片组成，位于感知节点之间的中心位置。

（三）上位监测平台

上位监测平台，由PC以及监测软件构成。监测平台pc机通过监测软件接收来自协调器节点的各个传感器节点的温度信息，对获得的温度数据信息、进行分析、处理、记录、显示。

四、技术路线流程

项目组通过各途径的调研，构建出相应的技术体系，再进行总体的方案定制，确定所需的硬件结构和软件结构，通过软件和硬件的混合设计，再进行各节点软件与网络管理软件编写与调试，硬件的制作，然后进行上位机软件编写与调试，最终对系统进行综合，再次进行系统整体调试，若功能实现，再对系统完善与测试，可项目结题、验收，反之重复检验。过程如图3。

图3项目技术研究路线图

五、结束语

基于物联网的隧道健康监测终端系统可有效、简单地保障隧道的工程安全，及时掌握隧道地质状况，能有效解决隧道监测的实时性和连续性，实现隧道健康监测的实时化，智能化，平台化，具有较高的实用价值。其缺陷是本项目从技术层面上，涵盖了硬件设计、网络协议设计等诸多内容，如果一个环节有问题则会导致项目失败。随着技术进步与研发工作的深入，隧道健康监测终端系统将日趋完善和优化，并发挥更大作用。

本项目由衢州学院电气与信息工程学院大学生创新项目资助。