基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵隧道斷面監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

曾熙鴻 李富年 顏永逸

摘 要： 為了滿足地鐵隧道安全信息監(jiān)測的需要，設(shè)計(jì)一種遠(yuǎn)程地鐵隧道斷面監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由分布在隧道斷面上的監(jiān)測點(diǎn)和云服務(wù)器監(jiān)控中心兩部分組成。監(jiān)測點(diǎn)以CC2530芯片為核心，使用智能傾角傳感器采集斷面傾角變化數(shù)據(jù)，并結(jié)合ZigBee無線傳感技術(shù)和GPRS通信技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器監(jiān)控中心。通過定制通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)傾角數(shù)據(jù)的收發(fā)存儲和查詢功能。實(shí)踐證明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，具有一定的先進(jìn)性和推廣性，為準(zhǔn)確預(yù)測地鐵隧道的安全情況提供參考。

關(guān)鍵詞： 地鐵隧道； 斷面監(jiān)測； ZigBee； GPRS； 云服務(wù)器； CC2530

中圖分類號： TN931+.3?34； TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）18?0182?05

Design of cross?section monitoring system based on IoT for subway tunnel

ZENG Xihong1， LI Funian1， YAN Yongyi2

（1. School of Information Science and Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China；

2. School of Civil Engineering and Mechanics， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China）

Abstract： A remote cross?section monitoring and early?warning system is designed for the subway tunnel to meet the need of monitoring the security information of the subway tunnel. The system is composed of monitoring points distributed on the cross?section of the tunnel and the monitoring center of the cloud server. In monitoring points with the CC2530 chip as the core， the tilt angle variation data of the cross?section is collected by using the intelligent tilt angle sensor， and uploaded to the monitoring center of the cloud server by combining with the ZigBee wireless sensing technology and GPRS communication technology. The customized communication protocol is used to realize the functions of sending， reception， storage， and query of tilt angle data. The practical results show that the system has a stable and reliable structure， and a certain advancement and popularization， which can provide a reference for accurate security situation prediction of the subway tunnel.

Keywords： subway tunnel； cross?section monitoring； ZigBee； GPRS； cloud server； CC2530

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及機(jī)動車數(shù)量不斷增加，為了解決城市交通緊張的問題，許多城市都在修建地下鐵道和輕軌交通。地鐵隧道在建設(shè)運(yùn)營過程中，很多因素如地質(zhì)條件、地下水、地面建筑物開發(fā)及隧道自身負(fù)荷能力等，都將會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。而對于那些變形嚴(yán)重或?qū)ψ冃伪O(jiān)測要求高的地段，如果不能對其進(jìn)行自動的、連續(xù)的、長期的變形監(jiān)測，則很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，將會對隧道安全造成嚴(yán)重的威脅[1?3]。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方法存在觀測周期長、投入人力物力多、影響既有地鐵運(yùn)營等諸多問題[4?6]。由此考慮到實(shí)際地鐵隧道傾斜、開裂的漸變性和長期性，設(shè)計(jì)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和GPRS的隧道形變自動化監(jiān)測系統(tǒng)，避免了有線傳輸?shù)膹?fù)雜線路，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、實(shí)時(shí)傳送，預(yù)警信息通過手機(jī)客戶端自動發(fā)送短信至管理者和操作者，形成監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集、管理、預(yù)報(bào)一體化的信息網(wǎng)絡(luò)，為地鐵安全運(yùn)營提供了重要的參考依據(jù)。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案和架構(gòu)

為了在不中斷運(yùn)營條件下，對隧道實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)盡可能減少對地鐵隧道的影響，數(shù)據(jù)傳輸采用安裝簡單靈活的無線傳輸方式。根據(jù)實(shí)際勘察情況，監(jiān)測區(qū)域位于隧道較深處，公用無線信號較為微弱，同時(shí)為了減小傳輸費(fèi)用，本文通過在隧道內(nèi)部構(gòu)建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)作為近距離通信方式和靠近地鐵站處通過連接GPRS（General Packet Radio Service）網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)距離通信方式，形成了基于ZigBee + GPRS的地鐵遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)從邏輯結(jié)構(gòu)上分為現(xiàn)場測量儀器數(shù)據(jù)層、遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層和監(jiān)測中心應(yīng)用管理層三個(gè)層次[7]。

1） 現(xiàn)場測量儀器數(shù)據(jù)層。由ZigBee模塊和傾角傳感器組成，其主要作用是采集斷面傾角的數(shù)據(jù)，通過自組無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee/GPRS網(wǎng)關(guān)。

2） 遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層。ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)通過公用無線網(wǎng)絡(luò)將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器中心。

3） 監(jiān)測中心應(yīng)用管理系統(tǒng)。監(jiān)測中心應(yīng)用管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)分析和顯示的核心。系統(tǒng)從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中獲得原始傾斜等測量數(shù)據(jù)，將其存入存儲器，并按照監(jiān)測的要求，將這些數(shù)據(jù)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地顯示給相關(guān)管理人員，為他們提供所需要的信息。

2 ZigBee終端和ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

由于監(jiān)測區(qū)域位于隧道較深處，為了減少傳輸費(fèi)用，系統(tǒng)采用ZigBee + GPRS相結(jié)合的無線傳輸方案。多個(gè)隧道斷面傾角數(shù)據(jù)經(jīng)終端采集后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)封裝為GPRS數(shù)據(jù)包通過公用移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云端。整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。ZigBee終端和ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)均采用Z?stack協(xié)議棧作為Zigbee 的通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)通信。

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采用由美國德州儀器的CC2530。CC2530芯片上集成有ZigBee射頻收發(fā)器核心和8051控制器，只需要很少外圍部件配合就能完成信號收發(fā)。傾角傳感器采用的是長沙金碼JMQJ?7330X的智能傾角傳感器，其內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器可將測量傾角值轉(zhuǎn)化成電壓信號，使其輸出為數(shù)字量，可以直接被CC2530讀取，方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

ZigBee/GPRS網(wǎng)關(guān)硬件組成主要包括ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、GPRS通信模塊等，如圖3所示。其中協(xié)調(diào)器模塊采用CC2530，處理器采用32位ARM7的微處理器LPC2210，GPRS模塊采用SIMCom公司推出的雙頻GSM/GPRS模塊SIM800A[8]。LPC2210與CC2530通過SPI接口連接，與SIM800A通過URAT串口連接。SIM800A通過接收處理器發(fā)出的配置撥號上網(wǎng)的AT指令，獲取IP地址，再主動連接云中心服務(wù)器的IP地址和云服務(wù)器虛擬的服務(wù)端口號，建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

由于在隧道的實(shí)際運(yùn)作中，斷面的形變隨著時(shí)間變化較為緩慢，形變的量也不明顯，故除了測量儀器的精確性外，在數(shù)據(jù)的傳輸中也需盡可能保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確 [9]。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，同時(shí)兼顧控制指令，需要設(shè)計(jì)適合傾角數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)格式。

3.1 通信數(shù)據(jù)格式

本文設(shè)計(jì)的通信方式采用主從式，即監(jiān)測中心上位機(jī)發(fā)送測量指令幀，采集模塊再測量傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通信協(xié)議主要分為命令和返回兩種格式，其中命令格式的請求幀如圖4a）所示。

在請求幀中，共13～15位編碼。其中包括1位引導(dǎo)碼“#”（0x23）；8位采集模塊節(jié)點(diǎn)編號；1位命令碼，由大寫字母A～Z表示；1位附加碼，沒有命令碼的該值可以為空；1位校驗(yàn)碼；最后1位為結(jié)束碼，以“！”（0x21）結(jié)束。在上位機(jī)發(fā)送指令后，采集模塊返回的數(shù)據(jù)幀中，數(shù)據(jù)的格式如圖4b）所示。返回的數(shù)據(jù)中，包括1位引導(dǎo)碼“$”（0x24）；數(shù)據(jù)部分的編碼格式為一個(gè)數(shù)據(jù)對應(yīng)一個(gè)校驗(yàn)碼，不同的發(fā)送指令，返回的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)也不同；最后以一位結(jié)束碼“！”（0x21）結(jié)束。

3.2 數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)制定的通信方式和通信協(xié)議，在云端的數(shù)據(jù)采集程序編程中主要實(shí)現(xiàn)的功能有：模塊的自檢、定時(shí)采集傾角數(shù)據(jù)等功能。程序框圖如圖5所示。

采集程序的設(shè)計(jì)基于C#提供的串口SerialPort類，通過設(shè)置串行端口的名稱、傳輸速率、奇偶校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位的長度及停止位的長度5個(gè)參數(shù)來創(chuàng)建一個(gè)串口連接對象。這5個(gè)參數(shù)是使用串行端口進(jìn)行通信控制時(shí)必須給予的基本參數(shù)[10]。連接串口后，先發(fā)送模塊自檢指令，通過返回的數(shù)據(jù)判斷傳感器的工作狀態(tài)是否異常；若出現(xiàn)異常狀態(tài)，記錄異常的傳感器編號，并判斷是否有傳感器可以正常工作；當(dāng)有傳感器正常工作時(shí)，可以向下位機(jī)發(fā)送傾角數(shù)據(jù)采集指令，接收數(shù)據(jù)后可以將數(shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議解析并存儲到數(shù)據(jù)庫供Web服務(wù)器使用。

3.3 監(jiān)測中心Web服務(wù)的設(shè)計(jì)

監(jiān)測中心應(yīng)用管理系統(tǒng)是數(shù)據(jù)分析和顯示的核心。系統(tǒng)采用基于B/S（瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)）模式，利用開源的MVC框架Struts2強(qiáng)大的功能，可同時(shí)供PC端和手機(jī)端訪問。監(jiān)控中心系統(tǒng)功能主要包括日志管理、數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)報(bào)表等功能模塊。Web服務(wù)設(shè)計(jì)功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。

上位機(jī)采集的數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中，采用HTTP協(xié)議傳輸移動端所需要的信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)能浖W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

當(dāng)用戶需要查詢實(shí)時(shí)或者歷史數(shù)據(jù)時(shí)，需要向Web服務(wù)器（本系統(tǒng)使用Tomcat作為Web服務(wù)器）發(fā)送一個(gè)HTTP請求。請求字符串中包含查詢傳感器編號、時(shí)間區(qū)間等參數(shù)。這些參數(shù)是以JSON字符串的形式發(fā)送給Web服務(wù)器。Web服務(wù)器在接收到請求信息后，對請求字符串進(jìn)行解析，提取出有效參數(shù)，進(jìn)行邏輯處理后從數(shù)據(jù)庫中查詢相關(guān)數(shù)據(jù)；同樣，也是以JSON字符串的形式返回給移動端。移動端接收到JSON數(shù)據(jù)后同樣要進(jìn)行JSON解析，然后將數(shù)據(jù)渲染到相關(guān)頁面中供移動端用戶查閱。

4 系統(tǒng)安裝與調(diào)試

本系統(tǒng)成功安裝在武漢地鐵3號線宗關(guān)站至王家灣站路段如圖8所示，圖8a）、圖8b）分別為傳感器模塊和數(shù)據(jù)采集中心即ZigBee和GPRS傳輸模塊。

硬件設(shè)備安裝完成后，上位機(jī)設(shè)置每隔10 min定時(shí)發(fā)送采集指令，根據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)每隔一天進(jìn)行一次丟包統(tǒng)計(jì)，測量一周后的實(shí)驗(yàn)情況如表1所示。經(jīng)計(jì)算，平均丟包率為0.34%，符合1%的丟包允許范圍。表2為某傾角傳感器一周時(shí)間每天上午8點(diǎn)所測量的數(shù)據(jù)。傳感器X方向的波動范圍在3.711°和3.710°之間，Y方向的范圍在2.447°和2.448°之間，考慮到安裝傾角傳感器時(shí)的固有偏差，在該段時(shí)間內(nèi)，其所處位置的傾角變化X方向和Y方向?qū)嶋H波動范圍在0～0.001°，數(shù)據(jù)精確度較高并且較為穩(wěn)定。

在采集工作正常工作時(shí)，用戶可通過Web端或移動端遠(yuǎn)程訪問，PC端和移動端數(shù)據(jù)監(jiān)測如圖9所示。其中圖9a）和圖9b）為分別為PC端和移動端的實(shí)時(shí)曲線展示，在實(shí)時(shí)顯示的界面可以查看當(dāng)前傳感器的傾角變化，并設(shè)置有報(bào)警閾值。當(dāng)X或Y方向的傾角變化達(dá)到設(shè)置的閾值或異常時(shí)，系統(tǒng)會發(fā)出警告，并將信息存儲。圖9c）為PC端的歷史曲線展示，通過選擇傳感器的編號以及需要查詢的時(shí)間段，可直觀地顯示該傳感器在選擇的時(shí)間段傾角變化趨勢。

5 結(jié) 語

本文研究地鐵隧道斷面監(jiān)測系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中，通過自定義的通信協(xié)議保證數(shù)據(jù)的精確性，采用云服務(wù)器技術(shù)作為監(jiān)測中心，可實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)控，比傳統(tǒng)的人工測量和現(xiàn)場基站測量更為方便。整個(gè)系統(tǒng)程序簡潔，可擴(kuò)展性強(qiáng)，且能長期穩(wěn)定運(yùn)行，為Web服務(wù)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能準(zhǔn)確預(yù)警地鐵隧道的安全情況。

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