基于无线自组网的岩土工程安全远程监测系统

马欣，曹腾，张同泽

（天津工业大学 计算机科学与软件学院，天津 300387）

0 引言

随着我国的公路、大跨度桥梁、大坝等大型岩土工程数量越来越多，岩土工程的安全监测变得日益迫切[1]。在岩土工程安全监测领域，目前基于无线自组网的岩土工程安全监测系统为岩土监测提供了低成本，高可靠性能的方法。岩土工程监测技术的进步和发展具体表现在以下二个方面:一是监测方法的进步。二是监测内容的不断扩大与完整。监测用于施工,保证和控制了施工质量,防止了事故(特别是灾难性事故)的发生,保证了环境安全,使岩土工程设计施工整体水平提到新的高度。

1 系统研究的内容

“基于无线自组网的岩土工程安全远程监测系统”是基于无线传感器网络的智能化的超远程安全监控系统。系统依据现代网络技术研发，包括无线传感器网络、远程数据传输网络和计算机数据中心系统。

1.1 无线传感器网络

无线传感器网络由传感器、传感器网络节点、传感器网络汇聚节点构成，具有自动组网、数据即时采集、即时汇集和即时利用的功能，为岩土工程安全监控系统提供了一个崭新的解决方案。

（1）传感器

传感器是感知温度、压力、位移、角度以及其它各种物理量变化的初始元件。传感器的主要组件是敏感元件，配合电子电路，可以将感知的各种物理量转变为电信号输出。传感器的生产技术保证了被测物理量的数值与传感器电参数输出的数值成比例变化。经过率定的传感器，确定了被测物理量数值和电参数输出数值的比例值，通过测量传感器电参数的输出值，经过计算即可准确获得被测的物理量的值。

（2）无线传感器网络节点

无线传感器网络节点包括了传感器，以及信号调理电路、微处理器、存储器、射频无线模块和电源模块，电源模块为微处理器供电，传感器连接到信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端与微处理器的I/O接口相连接，微处理器还通过I/O接口与射频无线模块和存储器相连接[2]。

无线传感器网络节点依靠其嵌入式操作系统的网络运行管理程序和网络通信协议工作，可自动测得或设定自己的坐标位置，运行网络管理程序即可自动与其它网络节点共同组成无线传感器网络，并自动运算、选择跳转通信路由[3]；进行数据采集时，首先对传感器的输出信号进行滤波、放大、整形等调理步骤后，再进行A/D转换获得数据，并对数据进行运算分析、存储，所有数据都可以在无线传感器网络中流动和汇集。

（3）无线传感器网络汇聚节点

在无线传感器网络节点上增加数据传输模块，构成无线传感器网络汇聚节点。数据传输模块与微处理器的I/O口连接。网络汇聚节点除具备网络节点的所有功能外，还可以通过数据传输模块与远程数据传输网络链接并双向传输数据和指令[4]。可以接入的数据传输模块为GPRS通信模块、CDMA通信模块、卫星通信模块、以太网通信模块、现场总线通信模块或无线电台通信模块。

（4）无线传感器网络系统软件

无线传感器网络系统软件嵌入在无线传感器网络节点和汇聚节点中，系统软件包括了传感器路由协议与传感器MAC协议[5]。无线传感器网络系统软件集成了无线传感器网络的运行管理、传感器数据的采集管理、数据分析运算、外部设备控制管理以及与外部网络通信管理等多项任务，是无线传感器网络的大脑和神经中枢。适应不同工况要求、提高无线传感器网络智能化程度、保证网络工作的可靠性、加强网络数据的保密性是无线传感器网络系统研发的重点工作。

（5）各节点的基本工作过程

各节点的数据采集与传输基本的典型流程为：指令/事件触发唤醒某节点→采集监测数据→放大、滤波、A/D、加密数据暂存→绑定（确定收发信息的目标地址）→入网通讯受阻？→改变路径/扩、变射频→再次申请入网→应答许可→传递数据→检查通讯/数据接收质量？/重发？→由汇聚点上传数据管理中心→数据管理中心收集各节点数据/分析处理→通知某节点执行控制→采集节点休眠[6]。整个工作过程在20～50ms内完成，高效快捷保证了数据的即时采集、即时汇集、即时利用。当一个节点或部分节点失效时，剩余节点自动组成新的网络，静候指令/触发工作……每个节点既是采集点，又是相邻节点信息交互传递的“基站”，这种独特的传感器网络结构，确保了数据传输的可靠性。

各个节点具备采集数据的分析能力，分析结果和采集的原始数据都可以长期存储在节点中，并依据指令，随时将原始数据和分析结果传输到指定位置。各个节点都具备接收及输出设备控制指令的能力。

1.2 远程数据传输网络

远程数据传输网络是连接无线传感器网络和计算机数据中心系统的纽带，是现场安全状况自动远程上报和系统工作指令远程下达的重要环节。利用远程数据传输网络，可以将广域分布的（跨地区、省市或跨国家的）许多个无线传感器网络、有线局域网络与计算机数据中心连接，组成实用、高效的分布式超远程安全监控系统，实现超远程的安全监测数据共享和超远程设备控制，完成现场安全状况的超远程监控[7]。

远程数据传输网络可以利用现有的公用通信网络，做到投资少效益高；也可以视情况建立自己的局部通信网络，与公用通信网络结合使用，填补公用通信网络的覆盖盲区；还可以建立自己的完整的远程通信网络。

可以利用的公用通信网和常用的自建数据网络有：（1）有线电话网络；（2）无线电话网络（CDMA/GPRS网）；（3）微波和卫星；（4）自建数传电台通信网络；（5）自建电、光缆数据网络。

利用公用通信网络和建立自己的通信网络进行数据与操控指令的传输，此过程中系统采用通用的网络通信协议主要包括：（1）传输控制协议TCP（RFC793）；（2）网络协议IP（RCF791）；（3）用户数据报协议 UDP（RFC768）；（4）X.25网络网际协议 IP-X.25（RFC877）；（5）IEEE802网际协议 IP-IEEE（RFC948）。

利用网络传递信息的保密性，通过制定特有的数据传输结构和运用加密手段来保证。

1.3 计算机数据中心系统

计算机数据中心系统是接入的所有无线传感器网络的集中控制中心、安全监测数据存储中心、各区域无线传感器网络运行参数和过程的记录中心。

计算机数据中心系统的核心设备是：数据服务器、备份数据服务器、应用服务器、外围设备、专用数据存储系统、供电系统和冗余供电系统等；围绕核心设备可以接入多个计算机局域网络，扩展数据中心的工作能力[8]。计算机数据中心系统和远程数据传输网络链接，通过远程数据传输网络获取所有接入的无线传感器网络的数据，并通过远程数据传输网络向无线传感器网络传送运行参数和控制指令。

运行于计算机数据中心的分布式超远程安全监控系统软件，是整套安全监控设备的操作系统软件，其主要任务是：（1）对计算机数据中心的所有设备进行运行管理；（2）对接入的所有无线传感器网络进行运行管理；（3）接收各个无线传感器网络的安全监测数据和现场的运算成果数据；（4）支持人机对话，按照操作人员的意志对数据采集、数据分析、数据传输等系统运行过程进行管理和控制；（5）长期有序存储海量安全监测数据、分析成果数据、系统运行数据；（6）依照提前设定的应对措施，自动对安全监测分析成果数据进行判断，并向相关单位、人员发布预警信息，操控现场相关设备；

作为安全监测责任人员的系统操作平台，特别是在危急情况下，直接发出数据采集指令和设备操控指令，采集有关现场的安全监测数据，进行深入再分析，根据需要，远程操控现场设备避灾减害；（1）对远程客户进行管理，进行登录身份权限识别，提供安全监测数据系统接入服务；（2）系统软件支持多用户远程访问数据库，对安全监测数据查询、分析和下载；（3）系统支持多用户远程访问系统操作平台，完成数据采集和现场设备的操控。

2 研发和取得的成果

（1）无线传感器网络节点和汇聚节点的硬件电路研发

无线传感器网络节点和汇聚节点硬件电路是网络的基础构件，也是网络各项优异功能的载体，因此也是核心研发内容。此项研发的基本要求是：体积小、能耗低、功能强、可靠性高、保密性好、造价低，需适合在各种苛刻环境下使用。

（2）无线传感器网络嵌入式操作系统的研发

嵌入式操作系统的研发涉及了多项高新技术，主要是：网络节点和汇聚节点的定位技术、网络结构的自组织技术、各节点之间的通信技术、网络跳转通信的路由的优选技术、网络通信的保密技术、无线传感器网络与外网和外部设备的链接技术等。

（3）无线传感器网络自动组网算法的研发

在无线传感器网络节点布设时，自组织网络需要依靠数学模型运算确定网络最佳结构和各节点间数据传输路由，实现无线传感器网络的智能化自组织功能，这是自组织网络的重要基础。自动组网算法的研发涉及复杂的数学逻辑问题，是本系统研发的重要内容。

（4）计算机数据中心的分布式超远程安全监控系统软件的研发

安全远程监测系统软件是本系统的核心软件，涉及数据采集传输管理、数据分析利用管理、数据库管理、客户群管理、无线传感器网络运行管理、安全监测的预警和防灾减害措施管理等等。该系统软件的研发是分布式超远程安全监控系统的关键工作。

3 结语

随着在基本建设中对建设质量和安全要求的不断提高，市场对高端的安全监测设施和设备的要求越来越普遍。在岩土工程安全监测领域，目前基于无线传感器网络的安全监测系统的研究还处于启蒙时期，特别是基于无线自组网的岩土工程安全远程监测系统还是空白。本项目的成功研发，一方面可以在多个行业中应用，另一方面价格竞争力强，产品质量稳定性佳、自动化程度高，可填补工程界在高危路段无法实现长期实时监控的空白，因此极具市场竞争力，市场前景可观。

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