基于Wifi 和Zigbee 的地下隧道环境监测系统设计

陈鹏杰 唐晓城 刘登跃 何 斌

同济大学控制科学与工程系

设计了适用于城市轨道交通的地下隧道环境监测系统，融合了高速的Wifi 网络和低速的Zigbee 网络。首先根据隧道的环境特点，结合不同的无线网络技术，提出系统的总体结构。然后针对不同的环境数据，给出了传感器节点软硬件设计方案。最后，设计了基于PC 端和Android 端的监测软件，实现对隧道环境的实时监测。实验结果表明，系统在振动监测方面具有良好的性能。

引言

近些年来，我国的轨道交通正在迅猛发展，但因缺乏有效的监测技术与预警系统，地下隧道结构变形导致的事故频发。地下隧道系统本身和周边环境的变化都会导致其结构性能的劣化，包括施工期对周围土层的扰动、底层土体的不均匀沉降、隧道上方地表加卸荷载和列车振动等因素。地下结构因其空间狭小、环境复杂的特点已经成为目前无线传感网络的应用热点。

地下隧道环境的特殊性导致无线传感网络需要测量的数据种类繁多，按照传感器信号的特点可以分为缓变信号和剧变信号。缓变信号包括位移、倾斜角、温湿度等参数，此类信号的变化较慢，相对稳定，因此所需的采样频率较低，无线传感网络传输的数据量较小，多使用Zigbee 或GPRS 等低速的网络技术。振动信号属于典型的剧变信号，采样频率需要几十至上百赫兹，传统的无线传感网络难以传输如此大量的数据。

本文设计了一种Wifi 和Zigbee 无线网络融合的地下隧道环境监测系统。该系统兼容了用于缓变信号采集的Zigbee 网络和用于剧变信号采集的Wifi 网络，同时开发一套无线传感网络监测软件，实现PC 端和手机端对地下隧道环境的实时监测。

系统总体概述

该地下隧道检测系统由无线路由器、无线传感网节点和监测终端组成，系统结构图如图1 所示。无线路由器是系统的核心，将无线传感网节点和监测终端连接至同一个局域网内，并通过局域网把节点监测的环境数据传输至监测终端。无线传感网节点包括缓变信号节点和剧变信号节点。缓变信号节点采集倾斜角、裂缝、温湿度等低速传感器信号，通过Zigbee 网络将数据先传输至剧变信号节点。剧变信号节点融合了高速的Wifi 网络和低速的Zigbee 网络，既可以作为Zigbee 和Wifi 的双模网关，也可以作为高速采样节点。当其工作在Wifi-Zigbee 模式下时，节点会将缓变信号节点的Zigbee 数据通过Wifi 网络转发至局域网内。当其工作在Wifi-Adc 模式下时，节点高速采样振动传感器的电压值，并将大量数据通过路由器发送至监测终端。在该系统中，Android 手机、笔记本电脑和台式机均可作为监测终端对地下环境参数进行实时的监测和保存。

图1 系统结构图

图2 节点硬件结构图

缓变信号节点设计

缓变信号节点负责采集倾斜角、温度、位移等传感器的电压数据，对节点的硬件性能和网络速度要求较低，使用STM8 系列单片机作为MCU，并使用支持透明传输的串口转Zigbee 模块接入无线传感网络，定时触发STM8 内部的AD 采样电压值并发送至剧变信号节点。

剧变信号节点

节点硬件设计

剧变信号节点由电源模块、处理器MCU 模块、模数转换模块、Zigbee 模块和Wifi 模块组成，节点硬件结构图见图2。电源模块使用外部5V 电源适配器给整个节点供电，该模块具有过流保护功能。

图3 Web 服务器

图4 程序流程图

图5 PC 端无线传感网监测软件

图6 手机端无线传感网监测软件

处理器MCU 选用意法半导体公司的32 位单片机STM32F103VET6，它是专为微控制系统、无线网络和工业控制系统等对成本和功耗敏感的嵌入式应用领域而设计的。本系统放弃了传统的ARM 芯片配合Linux 嵌入式系统的Wifi 网络搭建方案，通过单片机编写简易的裸机程序直接驱动Wifi 芯片来构建无线网络，最大程度的简化了硬件的结构，减小了节点的体积与成本。

模数转换模块使用德州仪器的超小型16 位AD 芯片——ADS1115，该芯片具有集成PGA、比较器以及4 通道输入MUX，最高采样频率860sps，满足地下隧道振动传感器性能要求。

Zigbee 模块使用深圳鼎泰克电子的UART 转Zigbee 无线透明传输模块DRF1607H，该模块主芯片为TI 公司Zigbee SOC 芯片CC2530，通过串口进行简单的配置，就可以与缓变信号节点组网。

88W8686 是Marvell 提供的一个综合成本较低的系统解决方案。芯片集成度高，设计难度低、成本低是它的优点。该方案支持最高速54Mbps 的IEEE802.11a/g协议，MAC层支持Ad-hoc和Infrastructure两种模式。

节点软件设计

由于剧变信号节点没有使用嵌入式操作系统，因此需要裸机程序驱动88W8686 并构建Wifi 网络。底层通过将Marvell 提供的WINCE 驱动程序移植至STM32，实现MCU 与Wifi 模块之间的通讯。网络层使用uIP 协议栈，uIP 协议栈是专为嵌入式微处理器设计的小型TCP/IP 协议栈，包含了IP 网络协议、ARP 解析协议、ICMP 报文协议以及TCP/UDP 传输协议。节点具有独立的IP 地址，监测终端根据数据IP 地址判断其节点编号。

为便于对节点参数进行修改，在应用层实现HTTP协议，开发Web 服务器，见图3。在监测终端浏览器中输入节点的IP 地址，就可以对节点的编号、工作模式、连接的路由器名称和密码进行设置。

剧变信号节点的工作模式由上位机监测软件设置。节点工作在Wifi-Zigbee 模式时，等待串口接收缓变信号的Zigbee 数据并发送至上位机；节点工作在Wifi-Adc 模式时，先判断上位机的类型，若上位机为PC 端则进行高速采样，若为手机端则进行低速采样。采样结束后将数据传输至监测终端。程序流程图如图4 所示。数据在局域网内以广播报文的形式传输，不同的节点使用相同的本地端口和不同的远端端口。

监测终端软件设计

图7 测量波形图

PC 端和手机端的监测终端软件分别采用Visual Basic 6.0 和Java 开发，基于Socket 的通信模块完成数据接收，软件能够实现节点模式选择、数据显示与数据存储的功能。由于数据在局域网中广播，上位机只需要监听不同的端口就可以得到不同节点的环境参数。当上位机为PC 端时，节点的采样速率在180Hz 左右。PC 端的监测软件可以同时监测多个节点并对数据的记录和处理，具有记录采样时间、计算丢包率等功能。Android 手机用于实地的实时监测，受限于手机的显示界面和处理器性能，手机端的上位机软件只监测单节点的环境数据，节点采样频率为1Hz。PC 端和手机端的监测软件界面见图5 和图6。

测试实验

利用信号发生器模拟一个频率20Hz、峰峰值4V、偏置量2V 的调幅波作为振动信号，分别使用示波器和该系统对振动信号进行采样，得到波形见图7。通过实验发现，系统较好的还原了原始的振动波形，采样范围和精度满足地下隧道环境监测的需求。

结语

针对地下隧道环境，设计一种基于Wifi 和Zigbee 的无线监测系统，解决了传统无线传感网传输速率慢、数据量小的缺点，兼容了低速的缓变信号和高速的剧变信号。无线传感网节点使用Stm32 作为MCU 构建Wifi 网络，简化了节点结构，降低了系统成本。监测终端开发了Windows 和Android 系统的监测软件，实现多点多平台的实时监控。