基于物聯網技術的隧道監控系統設計

王 穎

（山西興路交通工程監理技術咨詢有限公司，山西 太原 030006）

近年來，車路協同、智慧交通技術逐步進入到實用階段，作為智慧交通核心技術之一的物聯網技術也漸漸為業內人士所熟知。技術的進步、社會的發展都表明，無線通信替代有線通信是大勢所趨，特別是在網絡的末梢——現場網絡環節，表現得尤為顯著。目前，國內隧道監控系統的現場設備普遍采用有線通信的方式接入網絡，投資大，靈活性、擴展性差，為此本文提出一種基于物聯網技術的隧道監控系統，實現隧道監控系統現場網絡的無線化，大幅節約光電纜數量，提升系統的靈活性、擴展性、可靠性和易用性。

1 隧道監控系統現狀及需求分析

目前，我國隧道監控系統普遍采用有線通信的方式解決隧道機電設備的測控，需要敷設大量的通信光纜和電纜，對于遠程骨干通信網絡，光纜無疑是合適的選擇，但是，對于隧道內部的設備，采用光電纜連接則有諸多的不便和問題，主要表現在以下幾個方面。

1.1 施工工作量大 復雜程度高

隨著隧道運營及安全管理要求的提高，隧道內設置的監控設備愈來愈多，把這些設備連接起來需要敷設大量的光纜電纜。現場經驗證明，施工隊伍用于敷設纜線的工時約占全部施工時間的一半，相比之下，用于設備安裝調試的時間反而少得多。另外，線纜的型號規格眾多，敷設要求各不相同，有的要預留預埋，有的要穿管保護，連接排線十分復雜。

1.2 系統的靈活性、開放性、擴展性比較差 難以與時俱進

隧道內設備的接口類型與通信協議各不相同，整個通信系統有固定的路由，一旦監控系統構建完成，即使簡單地增加設備或者移動設備的位置也十分困難，需要重新布線，甚至需要破壞隧道的物理結構，如在洞壁上開槽等。

1.3 可靠性不足 故障風險和代價較高

通信網絡的穩定可靠主要取決于通信線纜的通斷以及連接的品質。一旦線纜局部損壞或斷裂，極易造成周邊設備故障以及子系統的整體癱瘓，一個點的故障造成的往往是一片設備或一條線路上設備的失聯，其事故的風險和代價是比較高昂的。

1.4 資源消耗大 投資高昂

一項監控系統工程，不算骨干通信網絡，僅僅隧道洞內及洞口附近需要消耗的光電纜數量動輒幾十乃至上百公里，加上配套的橋架、鋼管、線槽等輔助材料，整個系統需要消耗大量的金屬材料，這些都來自不可再生的寶貴自然資源，與此對應的是項目投資的居高不下。以某新建工程隧道監控系統為例，整個監控標段的投資是1 190萬元，其中線纜、輔助材料如線槽、橋架、配線架、保護鋼管等的投資是418萬元，占總投資的35.2%.如果加上交換機、光端機、PLC等通信控制設備，那么監控系統中用于通信的投資超過了總投資的50%，無論絕對值還是百分比都是相當高的數值。

通過以上對現行監控系統局限性的分析和對客戶實際工作中困擾的了解以及需求調研，客戶和市場對于監控系統的需求或者期望有以下幾點：

a）一個高度智能且與時俱進的系統，具備良好的成長性和擴展性：系統應該能夠方便地升級，更換或者新增更高技術水準的設備而無需廢棄現有的基礎設施。

b）一個靈活的系統，具有良好的適應性：系統應當容易調整，具有很好的彈性，給使用者以較大的自由度，而不是一個僵硬的、固化的系統。

c）一個易用的系統，操作和維護都極為簡單明了，如同使用一部智能手機。

d）一個健壯的系統，具有極高的可靠性：不僅故障率要低，而且一旦出現故障，能把故障帶來的風險控制于故障點本身，而不至于影響到周邊的設備、子系統。

e）一個低成本的、資源節約型的系統，無論建設還是運營維護，其投資都遠遠低于現在的投資水平。

2 關鍵技術

2.1 物聯網技術

實現該系統的預期目標，其關鍵在于無線通信和網絡技術的選擇，現有的無線通信技術有很多種，且不止一種無線通信技術可以實現隧道機電設備的無線接入，但它必須是簡便的、廉價的和可靠的。Zigbee技術以其獨具一格的特點，成為實現隧道無線網絡通信的不二之選。

2004年，ZigBee技術和RFID技術被列入當今世界發展最快、市場前景最廣闊的十大最新技術之內，是物聯網應用最關鍵的技術之一。眾所周知，物聯網發展的關鍵在于解決網絡末梢海量信息終端的數據通訊問題，ZigBee就是解決“最后1 km、最后100 m、最后10 m”數據通信的理想技術。

ZigBee是個仿生學名詞，來源于蜂群中蜜蜂相互通訊時的螺旋形“Z”字舞蹈，使用免費的工業、科學、醫療專用頻段（2.4G-ISM），它是IEEE 802.15.4協議的代名詞，可以嵌入多種設備中，其主要特點可以概括為“三低兩高”[1]：

a）近距離 傳輸范圍一般在10～100 m之間，這指的是相鄰節點間的距離。通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離可以更遠。

b）低功耗 在低耗電待機模式下，紐扣電池就可支持1個節點工作6～24個月，甚至更長。

c）低成本 通過大幅簡化協議降低了通信控制器成本（不足藍牙的1/10），而且ZigBee的協議專利免費。

d）高容量 最多可組成65 000個節點的大網。

e）高可靠性 由于采用網狀網（mesh網絡）拓撲結構，自動路由，動態組網，直序擴頻（DSSS）的方式，因而抗干擾性強，能夠很好適應工業自動化控制現場的復雜狀況。

Zigbee技術最重要的特點之一就是支持mesh網絡。無線mesh網絡（無線網狀網）也稱為“多跳（multihop）”網絡，它是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。在傳統的無線局域網（WLAN）中，每個客戶端均通過一條與AP相連的無線鏈路來訪問網絡，這種網絡結構被稱為單跳網絡。而在無線mesh網絡中，任何無線網絡節點都可以同時作為AP和路由器，網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，每個節點都可以與一個或者多個對等節點進行直接通信。數據在網絡中自動尋找效率最高的傳輸路徑，直到到達目的地，沒有固定的路由。添加或移動設備時，網絡能夠自動發現拓撲變化，并自動調整通信路由，以獲取最有效的傳輸路徑。

圖1 mesh網絡的拓撲結構示意圖

基于上述分析，該項目選擇基于ZigBee技術的無線mesh網絡作為隧道監控系統的現場設備網絡平臺，并輔之以Wi-Fi網絡，以提供豐富的音視頻功能。

2.2 嵌入式一體化技術

高性能的智能基站和無線終端基于ARM架構，采用一體化嵌入式結構，實現軟硬件的高度集成化和智能化，設備結構簡單，外形小巧，安裝使用極為簡便[2]。

2.3 接入和集成標準化

無線終端內置多種通訊接口，覆蓋現有隧道機電設備的所有通訊接口模式。機電設備通過無線終端接入隧道監控系統，所有設備最終使用統一的無線通訊協議進行信息交換，實現接入和集成的標準化。

3 系統設計與實現

3.1 系統架構設計

監控系統主要包括3個部分：中央控制系統、中繼器、無線監控終端。

如圖2所示，所有的無線監控終端（TM）和中繼器（RPT）組成了一個無線網絡，構建起隧道監控系統前端設備的物聯網。隧道機電設備的工作狀態信息以及傳感器數據通過這個無線網絡傳遞給就近的中繼器，再由中繼器通過有線骨干網絡或4G/5G商用移動網絡傳送到設在隧道管理部門的中央控制系統進行數據處理；中央控制系統根據編程設定的控制方案把控制指令通過有線骨干網絡或4G/5G商用移動網絡發送到中繼器，中繼器再將控制指令通過無線網絡發送到對應的無線監控終端，從而實現對每臺隧道機電設備的控制。遠程管理中心可以通過Internet或專網訪問隧道管理站的中央控制系統，從而實現遠程監測和調度控制。

圖2 系統結構示意圖

3.2 中央控制系統設計

中央控制系統配置于隧道監控中心，包括計算機系統、數據庫系統、監控軟件、遠程網絡訪問系統和無線傳輸管理系統等子系統，主要有以下功能模塊：

a）信息顯示查詢模塊 顯示當前隧道機電設備的工作狀態和傳感器數值，用戶可以設定區域、設定時段、設定類別查詢。該模塊有3種顯示查詢方式，第一種是基于GIS地圖的顯示查詢方式，將隧道機電設備的位置和工作狀態信息等直接標注在隧道GIS地圖上，比較形象和直觀；第二種是基于表格的顯示查詢方式，信息容量大，便于統計分析；第三種是綜合顯示查詢方式，用戶可以設定查詢顯示條件，便于查詢顯示用戶最關心的信息。

b）控制方案管理模塊 用戶可以設定多種控制方案，根據需要調用。

c）人工控制模塊 用戶可以通過人工的方式干預正在執行的控制方案或者直接發出控制命令。

d）報警信息顯示查詢模塊 隧道機電設備的故障和警報信息會在中央控制系統工作站上報警顯示。

e）報表打印模塊和系統維護管理模塊 系統軟件的維護和管理。

3.3 中繼器設計

中繼器主要由連接有線網絡的TCP/IP接口、連接商用移動網絡的4G/5G接口、連接無線監控終端的無線通訊模塊和ARM控制系統組成。ARM控制器內部自帶256 K高速FLASH和64 K SRAM以提高系統的工作速度。在ARM控制器的控制下，由無線終端傳送來的監測信息，通過TCP/IP或4G/5G的方式上傳到中央控制系統；由中央控制系統下達的控制指令，通過TCP/IP或4G/5G的方式下傳到中繼器，再由中繼器的無線通訊模塊轉發到對應的無線監控終端，從而實現對每臺隧道機電設備的控制。中繼器的原理結構如圖3所示。

圖3 中繼器原理結構示意圖

3.4 無線監控終端設計

無線監控終端使用被控設備的電源供電。傳感器的輸出信號經數據處理模塊進行A/D變換后由無線通訊模塊通過網絡向中央控制系統報送；由中繼器轉發而來的控制指令經ARM系統處理后通過固態繼電器或PLC控制設備的動作，每個終端可以配接兩個傳感器、控制兩個機電設備的開停，還可以通過串行通信接口連接一臺PLC設備；終端內置的基于IEEE 802.15.4標準的無線通訊模塊，使得終端可以自動組網，信息在網絡內自動尋找路徑傳遞，沒有固定的傳輸路由，大大提高了通訊的可靠性。無線監控終端的原理結構如圖4所示。

圖4 無線監控終端原理結構示意圖

4 系統特點優勢

該項目的研究，旨在應用當前先進的物聯網技術，構建隧道內的無線網絡系統，隧道內的機電設備除攝像機以外全部接入無線網絡。無線網絡采取網狀網的形式，動態組網，自動路由，每個設備或者通信節點既是通信的終端節點也是路由器，可以接力和轉發其他設備的信息，構建更為開放、靈活、方便、可靠的監控系統。該系統的主要優點是：

a）取消絕大部分通信電纜，實現資源和投資的雙重節約。

b）大幅降低施工和維護檢修工作量和難度。

c）系統擴展或者調整極為靈活方便，可以根據需要隨意增加、減少設備或者調整設備的安裝位置而無需對系統進行改造調整。

d）具有健壯的可靠性，采用網狀網的組網方式，通信沒有固定路由，個別網絡節點的故障并不影響其他節點的通信，系統會自動規劃新的路由，繞開故障節點。系統采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接受方的確認信息，保證信息傳遞的準確可靠。

e）運營成本低廉，使用免費的2.4 GHz頻段，既無需繳費也不必辦理執照。

5 結語

本文設計和實現了一個基于物聯網技術的隧道監控系統，可以應用于所有的公路隧道監控，無論是新建隧道還是運營隧道，以替代現有的有線監控系統。目前，該項技術已經申請了國家實用新型專利并獲得批準，期待早日規?；逃茫沼谥腔劢煌?。