基于物聯網的地鐵隧道斷面監測系統的設計

曾熙鴻 李富年 顏永逸

摘 要： 為了滿足地鐵隧道安全信息監測的需要，設計一種遠程地鐵隧道斷面監測與預警系統。系統主要由分布在隧道斷面上的監測點和云服務器監控中心兩部分組成。監測點以CC2530芯片為核心，使用智能傾角傳感器采集斷面傾角變化數據，并結合ZigBee無線傳感技術和GPRS通信技術將數據上傳至云服務器監控中心。通過定制通信協議實現傾角數據的收發存儲和查詢功能。實踐證明，系統結構穩定可靠，具有一定的先進性和推廣性，為準確預測地鐵隧道的安全情況提供參考。

關鍵詞： 地鐵隧道； 斷面監測； ZigBee； GPRS； 云服務器； CC2530

中圖分類號： TN931+.3?34； TP274+.2 文獻標識碼： 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

隨著城市化進程的加快，城市規模的不斷擴大以及機動車數量不斷增加，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。地鐵隧道在建設運營過程中，很多因素如地質條件、地下水、地面建筑物開發及隧道自身負荷能力等，都將會對隧道結構產生影響。而對于那些變形嚴重或對變形監測要求高的地段，如果不能對其進行自動的、連續的、長期的變形監測，則很難及時發現險情，將會對隧道安全造成嚴重的威脅[1?3]。傳統的人工監測方法存在觀測周期長、投入人力物力多、影響既有地鐵運營等諸多問題[4?6]。由此考慮到實際地鐵隧道傾斜、開裂的漸變性和長期性，設計基于無線傳感器網絡（WSN）和GPRS的隧道形變自動化監測系統，避免了有線傳輸的復雜線路，實現了監測數據的自動采集、實時傳送，預警信息通過手機客戶端自動發送短信至管理者和操作者，形成監測數據自動采集、管理、預報一體化的信息網絡，為地鐵安全運營提供了重要的參考依據。

1 監測系統總體方案和架構

為了在不中斷運營條件下，對隧道實施實時監測，同時盡可能減少對地鐵隧道的影響，數據傳輸采用安裝簡單靈活的無線傳輸方式。根據實際勘察情況，監測區域位于隧道較深處，公用無線信號較為微弱，同時為了減小傳輸費用，本文通過在隧道內部構建ZigBee無線網絡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）網絡作為遠距離通信方式，形成了基于ZigBee + GPRS的地鐵遠程監測系統如圖1所示。系統從邏輯結構上分為現場測量儀器數據層、遠距離數據傳輸網絡層和監測中心應用管理層三個層次[7]。

1） 現場測量儀器數據層。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據，通過自組無線網絡將數據傳輸到ZigBee/GPRS網關。

2） 遠距離數據傳輸網絡層。ZigBee/GPRS網關通過公用無線網絡將接收到的數據發送至云服務器中心。

3） 監測中心應用管理系統。監測中心應用管理系統是數據分析和顯示的核心。系統從數據采集系統中獲得原始傾斜等測量數據，將其存入存儲器，并按照監測的要求，將這些數據準確實時地顯示給相關管理人員，為他們提供所需要的信息。

2 ZigBee終端和ZigBee/GPRS網關設計

由于監測區域位于隧道較深處，為了減少傳輸費用，系統采用ZigBee + GPRS相結合的無線傳輸方案。多個隧道斷面傾角數據經終端采集后通過ZigBee網絡發送到協調器，ZigBee協調器將數據封裝為GPRS數據包通過公用移動網絡發送到云端。整個系統硬件結構如圖2所示。ZigBee終端和ZigBee/GPRS網關均采用Z?stack協議棧作為Zigbee 的通信協議，可實現底層數據通信。

ZigBee終端節點采用由美國德州儀器的CC2530。CC2530芯片上集成有ZigBee射頻收發器核心和8051控制器，只需要很少外圍部件配合就能完成信號收發。傾角傳感器采用的是長沙金碼JMQJ?7330X的智能傾角傳感器，其內置A/D轉換器可將測量傾角值轉化成電壓信號，使其輸出為數字量，可以直接被CC2530讀取，方便系統設計。

ZigBee/GPRS網關硬件組成主要包括ZigBee協調器模塊、數據處理模塊、GPRS通信模塊等，如圖3所示。其中協調器模塊采用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通過接收處理器發出的配置撥號上網的AT指令，獲取IP地址，再主動連接云中心服務器的IP地址和云服務器虛擬的服務端口號，建立TCP/IP網絡連接進行遠程數據傳輸。

3 數據通信協議設計

由于在隧道的實際運作中，斷面的形變隨著時間變化較為緩慢，形變的量也不明顯，故除了測量儀器的精確性外，在數據的傳輸中也需盡可能保持數據的準確 [9]。為保證數據傳輸的準確性，同時兼顧控制指令，需要設計適合傾角數據傳輸的通信數據格式。

3.1 通信數據格式

本文設計的通信方式采用主從式，即監測中心上位機發送測量指令幀，采集模塊再測量傳感器的實時數據。通信協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位引導碼“#”（0x23）；8位采集模塊節點編號；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位校驗碼；最后1位為結束碼，以“！”（0x21）結束。在上位機發送指令后，采集模塊返回的數據幀中，數據的格式如圖4b）所示。返回的數據中，包括1位引導碼“$”（0x24）；數據部分的編碼格式為一個數據對應一個校驗碼，不同的發送指令，返回的數據個數也不同；最后以一位結束碼“！”（0x21）結束。

3.2 數據采集程序的設計

根據制定的通信方式和通信協議，在云端的數據采集程序編程中主要實現的功能有：模塊的自檢、定時采集傾角數據等功能。程序框圖如圖5所示。

采集程序的設計基于C#提供的串口SerialPort類，通過設置串行端口的名稱、傳輸速率、奇偶校驗位、數據位的長度及停止位的長度5個參數來創建一個串口連接對象。這5個參數是使用串行端口進行通信控制時必須給予的基本參數[10]。連接串口后，先發送模塊自檢指令，通過返回的數據判斷傳感器的工作狀態是否異常；若出現異常狀態，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；當有傳感器正常工作時，可以向下位機發送傾角數據采集指令，接收數據后可以將數據根據通信協議解析并存儲到數據庫供Web服務器使用。

3.3 監測中心Web服務的設計

監測中心應用管理系統是數據分析和顯示的核心。系統采用基于B/S（瀏覽器/服務器結構）模式，利用開源的MVC框架Struts2強大的功能，可同時供PC端和手機端訪問。監控中心系統功能主要包括日志管理、數據監控、數據分析和數據報表等功能模塊。Web服務設計功能結構如圖6所示。

上位機采集的數據存放在服務器端的數據庫中，采用HTTP協議傳輸移動端所需要的信息，通過網絡傳輸的軟件網絡拓撲結構如圖7所示。

當用戶需要查詢實時或者歷史數據時，需要向Web服務器（本系統使用Tomcat作為Web服務器）發送一個HTTP請求。請求字符串中包含查詢傳感器編號、時間區間等參數。這些參數是以JSON字符串的形式發送給Web服務器。Web服務器在接收到請求信息后，對請求字符串進行解析，提取出有效參數，進行邏輯處理后從數據庫中查詢相關數據；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數據后同樣要進行JSON解析，然后將數據渲染到相關頁面中供移動端用戶查閱。

4 系統安裝與調試

本系統成功安裝在武漢地鐵3號線宗關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據采集中心即ZigBee和GPRS傳輸模塊。

硬件設備安裝完成后，上位機設置每隔10 min定時發送采集指令，根據存儲至數據庫的數據每隔一天進行一次丟包統計，測量一周后的實驗情況如表1所示。經計算，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間每天上午8點所測量的數據。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的固有偏差，在該段時間內，其所處位置的傾角變化X方向和Y方向實際波動范圍在0～0.001°，數據精確度較高并且較為穩定。

在采集工作正常工作時，用戶可通過Web端或移動端遠程訪問，PC端和移動端數據監測如圖9所示。其中圖9a）和圖9b）為分別為PC端和移動端的實時曲線展示，在實時顯示的界面可以查看當前傳感器的傾角變化，并設置有報警閾值。當X或Y方向的傾角變化達到設置的閾值或異常時，系統會發出警告，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間段，可直觀地顯示該傳感器在選擇的時間段傾角變化趨勢。

5 結 語

本文研究地鐵隧道斷面監測系統，在數據采集和傳輸過程中，通過自定義的通信協議保證數據的精確性，采用云服務器技術作為監測中心，可實現全天候監控，比傳統的人工測量和現場基站測量更為方便。整個系統程序簡潔，可擴展性強，且能長期穩定運行，為Web服務提供可靠的基礎數據，能準確預警地鐵隧道的安全情況。

參考文獻

[1] 于來法.地下鐵道建設的第三方環境變形監測[J].測繪通報，2004（11）：48?51.

YU Laifa. Deformation monitoring of thirdly environment in metro building [J]. Bulletin of surveying and mapping， 2004（11）： 48?51.

[2] 凌邦富.地鐵隧道變形監測技術及分析預報方法研究[J].中小企業管理與科技，2015（26）：85?86.

LING Bangfu. Research of subway tunnel deformation monitoring technology and analysis prediction method [J]. Management & technology of SME， 2015（26）： 85?86.

[3] CUI Z D， TAN J. Analysis of long?term settlements of Shanghai Subway Line 1 based on the in situ monitoring data [J]. Natural hazards， 2015， 75（1）： 465?472.

[4] 喬煒.基于光纖傳感的地鐵隧道沉降安全預測[J].交通科技，2015（4）：98?101.

QIAO Wei. Subway tunnel settlement safety prediction base on optical fiber sensing technology [J]. Transportation science & technology， 2015（4）： 98?101.

[5] 王海君，許捍衛.從點云中提取斷面輪廓在隧道監測中的應用[J].地理空間信息，2016，14（3）：102?103.

WANG Haijun， XU Hanwei. Application of section contour extraction from point cloud in tunnel monitoring [J]. Geospatial Information， 2016， 14（3）： 102?103.

[6] HE G Z， YANG J. Deformation monitoring for subway tunnels based on TLS [J]. Advanced materials research， 2014， 864?867： 2744?2749.

[7] 張振海，黨建武，閔永智.基于無線傳感網的鐵路隧道環境無線監測系統設計[J].蘭州交通大學學報，2014，33（4）：40?44.

ZHANG Zhenhai， DANG Jianwu， MIN Yongzhi. Design of wireless monitoring system for railway tunnel environment based on wireless sensor network [J]. Journal of Lanzhou Jiaotong University， 2014， 33（4）： 40?44.

[8] 韓進，馬雙.基于SIM800C的GPRS數據傳輸系統設計[J].電子產品世界，2016，23（11）：39?42.

HAN Jin， MA Shuang. Design of GPRS data transmission system based on SIM800C [J]. Outlook of electronic technology， 2016， 23（11）： 39?42.

[9] 周奇才，江勝男，費紅偉.地鐵隧道形變監測系統數據通信研究[J].科技導報，2010，28（9）：37?41.

ZHOU Qicai， JIANG Shengnan， FEI Hongwei. Data communication research of subway tunnel deformation monitoring system [J]. Science & technology review， 2010， 28（9）： 37?41.

[10] 黃一鳴.基于C#的模擬串口通信的研究與應用[J].信息與電腦，2016（16）：168?169.

HUANG Yiming. Research and application of analog serial communication based on C# [J]. China computer & communication， 2016（16）： 168?169.