基于WSN的长大隧道环境监测系统设计与实现

雷 旭，李 阳，李思慧

（长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安710064）

0 引 言

隧道路段是一个相对封闭的特殊路段，由于其车速高、流量大、光线较差、空气质量低、环境噪声大，比一般路段发生交通事故的几率高［1］。而长大隧道迂回空间有限，一旦发生事故，处理困难，导致交通长时间中断，且可能引起火灾，从而造成灾难性的后果［2］。为了有效改善隧道洞内环境、保证其运营安全、预防火灾和交通事故，为突发事件提供保障条件，需要建设长大隧道环境监测系统。目前，国内对长大隧道环境的监测一般依托于隧道监控系统，从传感器的布设、信息的采集、数据的传输和处理等各方面看，其发挥的作用都很弱，不能真实有效的反应长大隧道内环境的动态变化信息；另一方面，所依托的隧道监控系统基本以PLC为核心控制设备，当需要广泛布设采集点时，会增加PLC的接入点需求，从而增加系统的设计和施工成本，造成性能过剩［3］。针对上述问题，结合微电子技术、计算机技术和信息传输技术，提出了一种基于无线传感器网络的长大隧道环境监测系统设计，通过在长大隧道内架设多个低成本的无线传感器网络，实现环境信息的实时监测与预警。

1 系统设计

监测系统实现对隧道内三类信息的实时采集：①行车安全信息，这些信息关系到隧道内车辆的行驶安全，如照度、能见度等；②人身安全信息，这些数据的正常与否影响隧道内驾乘人员的身体安全，如CO浓度、NO2浓度、烟雾浓度等；③运营安全信息，如风速、风向等的自然环境信息关系到隧道机电设备的运营和控制。系统包括无线传感器网络和数据服务中心系统两部分。系统构成如图1所示。

图1 长大隧道环境信息监测系统构成

无线传感器网络由智能传感器节点、路由节点和汇聚节点组成［4］，传感器节点实现对长大隧道内各种环境信息的监测；路由节点作为中间路由器，完成对某些分布较远的传感器数据的转发；汇聚节点作为协调器，完成信息数据的协议转换，接入隧道光纤通信线路向监控中心传输数据。其中，传感器节点和路由节点采用电池供电，根据功能可以在隧道任意位置布设；汇聚节点采用固定电源供电，随机电系统安装在配电柜内。

数据服务中心实现对现场数据的处理和实时显示，提供数据异常处理策略并与其他机电系统通信。系统软件采用B／S模式，客户端通过网页浏览器对隧道各个布设点的环境信息实时监控，出现违反策略的异常时通过电话、短信、邮件等方式自动向管理员报警。

2 无线传感器网络

2.1 无线传感器网络构建

由于长大隧道的长度很长，为保证行车安全、人身安全和运营安全，需要对其环境信息全面、及时和有效的监测。在这样的需求背景下，利用无线传感器网络可以在隧道内广泛布设低成本的传感器智能节点，实现若干个自组网的传感器监测网络。然而，由于各节点初始能量和能量耗散速度不尽相同，各种被测信息数据处理也不尽相同，导致无线传感器网络具有很强的异构特性，影响无线传感器网络的寿命和数据监测的效果。

系统采用基于簇的能量高效路由算法，以均衡网络能耗［5］。算法运行的流程图如图2所示。将网络节点分为簇首和普通节点，进而将网络划分为以簇首为中心的多个簇。簇成员节点采集到的信息并不直接发送给汇聚节点，而是首先发送给自己的簇首，簇首将簇内所有成员的信息融合后再发给汇聚节点。簇首的选举依据节点的剩余能量和邻节点个数，优先选取剩余能量多和邻节点多的节点作为簇首。簇首并不直接将信息传送给汇聚节点，而是依据各簇首间的距离和簇首的剩余能量，寻找各簇首到汇聚节点最小能耗系数的路由。普通节点加入簇的算法，依据其到簇首的距离和簇首转发消息的能耗系数，选择综合能耗成本最小的簇加入。

图2 无线传感器网络构建算法流程

分簇完成后，网络节点开始数据采集和传输过程。数据传输分为簇内传输和簇间传输。簇内传输过程中，非簇首节点采用一跳的传输方式直接将采集到的信息以最小功率发送至簇首。为了最大程度节约能量，簇首为每个成员分配一个时间槽，当且仅当簇成员节点在自己的时间槽内才启动数据采集和传输，否则进入睡眠状态。簇间的传输过程中，簇首将簇内信息融合后传输给下一跳节点，下一跳节点再对信息融合传输至下一跳节点，如此接力直至汇聚节点。

2.2 网络节点设计

网络节点在无线传感器网络中的作用取决于所在网络某一时段的路由算法，其功能根据所监测的信息不同而不同。但是各节点的硬件和软件的设计原理是相同的。设计一般分为数据采集单元、数据处理与传输单元和供电单元3个部分［6］，如图3所示。

图3 网络节点结构

数据采集单元包含传感器和信号转换电路，传感器将感知的环境信息转换成电信号，经过信号转换电路变换成各种接口标准的数字信号，传送给数据处理与传输单元。例如，照度传感器选用Rohm公司BH1721FVC，可以检测0～65528lx的照度并转换成I2C总线形式数据；CO传感器选用FIGARO公司的TGS－5042，可以检测0～10000ppm的CO含量并转换成0～24μA的电流信号；风速传感器选用LVFSC－12，可以检测0～70m／s的风速并转换成RS485形式的数据。

数据处理与传输单元是网络节点的硬件核心，采用意法半导体 （简称ST）公司的STM32W108无线射频WSN／ZigBee超低功耗微控制器。该芯片基于32位ARM Cortex－M3处理器核心集成了符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz收发器，是专门用于无线传感器网络应用的片上系统［7］。利用芯片集成的I2C、SPI和UART等数字信号接口，可以连接各种数字信号形式的传感器和外部设备；芯片还集成了12bit高精度ADC，与信号调理电路组成网络节点的AI通道，连接各种模拟信号形式的传感器。芯片还具备功率放大器和电源管理功能，节约了系统的尺寸，降低了系统的运行功耗。选用超低功耗的铁电存储器存储节点脱机数据和配置信息。

网络节点是无线传感器网络的终端节点，起信息收集的作用，要求硬件系统应具备尽可能低的功耗性能以延长其节点寿命。根据其硬件系统各组成部分的功能分块设计供电单元，对功耗较大的芯片单独选取电源管理芯片供电。独立的供电单元均由STM32W108的GPIO引脚控制，仅当需要该部分电路工作时，才由处理器控制接通电源。

网络节点软件基于ST公司提供的Ember ZigBee Pro协议栈，结合基于簇的能量高效路由算法进行改进；设计软件开关机策略，对RTC进行管理实现系统定时唤醒；设计文件块 （FileBlock），有效组织外接串行Flash存储空间。

2.3 汇聚节点设计

汇聚节点作为网关连接无线传感器网络和隧道光纤通信网络。在无线传感器网络中，汇聚节点是所有节点信息汇聚的终点，同时还承担组网和路由等任务［8］；在光纤网络中，汇聚节点是信息终端，将数据整理上传，同时还接收监控中心命令执行远程操作。因此汇聚节点在设计上重点强调稳定性和可靠性。设计分为ZigBee通信单元、核心处理单元和网络接口单元。

ZigBee通信单元的设计与网络节点的数据处理与传输单元一致，其作用是为汇聚节点提供与无线传感器网络通信的接口，接收经过路由转发的各节点上传的监测数据［9，10］。

核心处理单元采用ST公司的STM32F107VX网络控制器构建最小系统，芯片内部集成256KB的Flash和64KB的RAM，一个硬件支持IEEE1588精确时间协议的以太网MAC （media access controller）接口和5个 UART 接口等其他通用外设。因此，只需一块芯片就能设计整合所有接口实现核心处理单元的功能。此外，为了使汇聚节点具备脱机存储能力，设计了SD卡扩展电路。

网络接口单元的设计是为了实现系统的外部扩展PHY（physical interface device）连 接 物 理 层 网 络［11］。 选 用 美 国国家半导体公司的DP83848C芯片作为物理层接口芯片，该芯片是10／100Mb／s单路低功耗物理层接口器件。

核心处理单元分别通过工业标准MII（media－independent interface）接 口 和 UART （universal asynchronous receiver／transmitter）与网络接口单元和ZigBee通信单元相接，如图4所示。

图4 汇聚节点结构

汇聚节点软件应用ARM公司的RL－ARM中间组件系统，实现了多任务实时处理、网络通信应用层程序和大容量文件系 统。硬 件 接 口 芯 片 （PHY）DP83848和STM32F107VC内部集成的网络控制器 （MAC）分别实现了网络传输模型的物理层和数据链路层，通过RL－ARM中间组件系统提供的TCP／IP协议栈实现了传输层的TCP、UDP通信协议以及 HTTP （hypertext transfer protocol）服务；通过RL－RTX实时多任务操作系统实现系统任务的实时运行与任务间通信；利用RL－ARM中间组件系统提供的文件系统模块，建立SD卡文件系统，兼容Fat32格式文件，支持TFTP服务对文件的存取，可以将网络异常时的数据以文件格式保存，供网络恢复时或由操作员现场读取。

信息的上传基于TCP／IP协议，其中汇聚节点上报数据和报警状态为了保证传输的稳定可靠，采用面向连接的TCP传输协议；监控中心向汇聚节点的查询命令为了保证传输效率，采用简单、轻量级的UDP传输协议。网络协议的设置有效保证了提高数据传输的稳定性和网络的使用效率之间的平衡，降低了主干网的负担。另外，针对汇聚节点在隧道内布设分散、无人值守的特点，专门设计了基于WebServer的远程配置服务，管理员可以直接通过网络使用Web浏览器远程访问各个汇聚节点，远程配置系统参数并监控系统状态。网络实时通信的软件实现依托RL－ARM中间件系统提供的Sockets底层库，基于传输层协议TCP和UDP，实现自定义网络数据帧通信协议的发送和接收。

3 数据服务中心系统软件设计

3.1 系统软件架构

系统软件采用三层结构设计：通信服务、数据库服务和策略服务［12］。系统软件是整个监控系统的核心，完成配置管理、用户管理、监测信息的分析和处理、历史信息的存储和查询、报表打印、实时报警等功能。这样的架构设计在部署方式上具备较高的灵活性，使系统可以充分适应实际应用的需求。软件层次结构图如图5所示。

图5 系统软件层次结构

3.2 通信服务设计

通信服务负责收集报警信息与实时数据信息。由于系统底层终端数量庞大，且实时信息数据量大，要求通信服务程序具备足够的并发处理能力，以保证数据接收与处理的可靠性。

通信服务由汇聚节点监听线程、服务中心指令处理线程和系统同步处理线程组成。3个线程独立运行，可以提高系统的并行处理能力。远程信息终端监听线程完成对远程信息终端系统的信息 （包括报警信息和通道信息）监听、接收和比对，经过分析后确定是否需要报送到数据库服务程序；服务中心指令处理线程根据策略服务程序发送的指令完成添加、删除、报警配置信息修改等操作；系统同步处理线程用于保持通信服务程序与其他服务器系统信息的同步。

远程信息终端报警信息和通道信息通过各自不同的端口与通信服务进行通信，从而保证了系统报警信息的独立通信通道，使报警状态迅速上传到策略服务并及时发布报警信息。

3.3 数据库设计

系统采用MySQL作为数据库管理软件。在整个软件系统中，数据库服务程序起着核心的作用，各服务的正常运转均依赖于数据库服务程序的稳定运行。数据库服务器完成通信服务和策略服务有关的实时信息存储、修改和查询等功能，通信服务器和策略服务器之间的信息交互都是以数据库服务为桥梁来完成。

系统运行后，来自于通信服务和策略服务的信息数据量较大，因此要求数据库服务程序具备强大的数据处理能力，保证整个系统运行的可靠性。数据库服务分为两部分：通信指令数据库存储过程和系统同步处理线程。通信指令数据库存储过程依托MySQL，根据策略服务程序和通信服务程序对数据库操作的需求，设计若干添加、删除、修改和查询等操作的存储过程；系统同步处理线程用于保持数据库服务程序与其他服务器系统信息的同步。

3.4 策略服务设计

策略服务提供基于浏览器访问的软件界面，用户可以使用浏览器对系统各信息采集点执行实时监控、设置以及配置等操作。策略服务程序分为监控服务主进程和Web服务进程，采用Sockets技术实现进程间通信。

监控服务主进程划分为客户机／数据库信息处理线程和系统信息同步处理线程。监控服务主进程创建共享内存表，用于存储频繁使用的数据，从而缓解多用户同时访问数据库对网络的拥堵。同时，该进程还用来处理数据库服务发送过来的状态信息和各个客户端的操作请求，根据用户的配置采用短信、邮件或语音方式及时向管理者发送报警信息和系统故障信息。监控服务主进程使用多线程技术，不但实现了对多个客户并发操作的支持，也实现了数据的截取和数据处理的并发操作。这一方面提高了系统的资源利用率，也是实现系统实时性和交互性的必然要求。

Web服务进程运用ASP.NET技术采用B／S模式设计，用于为远程用户提供基于浏览器访问的界面，如图6所示。Web服务由4个模块构成，分别是：隧道环境、监控管理、系统管理和数据分析。其中，隧道环境实现直观显示长大隧道内各节点环境信息的状态、设备的地理分布等信息，运用JavaScript脚本语言以及Ajax技术实现了环境信息的实时显示，提高了系统的实时性；监控管理实现对各节点的报警规则、报警用户等信息的配置；系统管理模块实现用户权限管理、系统设置等功能；数据分析模块提供历史环境信息的分类查询、统计和数据分析等功能。

图6 系统软件界面

4 结束语

基于无线传感器网络实现的独立于传统隧道机电系统运行的环境监测系统，可以有效实时监测隧道内环境信息，网络节点安装布设方便。监控中心软件基于分层设计思想，部署方式灵活；运用ASP.NET技术构建B／S模式软件，监控界面数据动态更新，具有高可靠性和安全性。经过现场运行测试，系统整体运行稳定，终端节点数据采集、无线网络数据传输和系统软件等功能达到了设计的要求。系统为长大隧道环境动态信息的实时获取提供了有效手段，与传统系统相比，具有成本低廉、安装方便、易于维护的特点，并且能够加强对长大隧道环境信息的监测力度，保证了长大隧道的安全运营和高效管理。通过调整传感器的选型，系统还可以适用于需要对环境信息进行动态监控的其他场合，具有一定的推广意义。

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