基于ZigBee的隧道结构安全实时监测系统设计

廖凯 吴剑 王刚

摘   要：为避免隧道在施工过程中发生事故，针对隧道结构安全监测设计了一套完整的监测方案。该方案基于ZigBee无线通信方式，结合施工隧道特定的场景，设计了隧道结构安全监测的传感器节点、中继节点以及网关节点，并提出一种新的隧道监测数据传输策略。该系统在实验室环境下进行测试，实验结果显示，设计的监测方案各项指标能够适应在建隧道结构安全监测的需求。

关键词：隧道;结构安全;监测系统;ZigBee

中图分类号：TP273                                               文献标识码：A

文章编号：1003—6199（2020）02—0012—05

Abstract：In order to avoid accidents during the construction of the tunnel，a complete monitoring plan was designed for the safety monitoring of the tunnel structure. Based on the ZigBee wireless communication method and the specific scene of the construction tunnel，the scheme designed the sensor nodes，relay nodes and gateway nodes for tunnel structure security monitoring，and proposed a new tunnel monitoring data transmission strategy. The system is tested in a laboratory environment. The test results show that the indicators of the designed monitoring program can meet the needs of the safety monitoring of the tunnel structure under construction.

Key words：tunnel;structural safety;monitoring system;ZigBee

隧道工程是地下空间开发利用的重要方面。隧道在施工和运营过程中，因地质条件变化、结构失稳及退化等问题可能会引起安全隐患，因此隧道的结构安全监测尤为重要。

当前，针对地铁隧道和公路隧道建设和运营期的结构安全监测系统在国内外已有很多研究和应用[1-3]，然而专门针对施工隧道结构安全无线监测方面的研究工作还相对滞后，缺乏可靠的保护指标与有效的监控手段[4-5]。因此对施工隧道的无线监测进行专门研究，在此基础上建立施工隧道结构安全监测系统具有重要的研究意义。

通常在人工测量的基础上对隧道进行监测，例如内部空间位移等。然而这种人工测量不能实时反映隧道的结构安全状况。另一方面，对于一些复杂装置（光波距离测量仪器、激光测距仪等）的自动监测需要大量的工作，人工的维护也需要高额的成本[6]。因此，提出了利用ZigBee无线传感器网络来实现对施工隧道结构安全进行实时监测，提高了施工隧道结构安全监测数据的实时性。

1   隧道结构安全监测系统

本方案结合隧道、基坑、桥梁等应用环境的特点，计划采用ZigBee技术作为核心，对监测系统的整体方案进行设计，包括：系统的体系结构、系统的技术方案，确定传感器的节点设计，保证网络设备能被系统正常识别，完成数据的收发工作，对隧道不同需求数据进行检测，确认采集数据的准确性。图1为本方案隧道监测系统的架构设计图。

隧道监测控制系统基于ZigBee无线通信协议，在保证ZigBee网络覆盖范围内，部署多个路由节点从而组成一个多跳的到达汇聚节点的无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN），最后由汇聚节点通过3G/4G等无线通信方式将隧道的各种监测信息传输给远程监控中心，以实现对隧道的实时监测与管理[5-7]。

2   隧道結构安全监测硬件设计

所设计的隧道结构安全监测硬件主要包括传感器节点、中继节点以及网关节点。

传感器节点：利用振弦传感器对施工隧道内的断面进行数据采集。

中继节点：完成通讯链路中继，传感器节点接入。通讯链路中所有中继节点均可接入传感器节点。

汇聚节点：承担网络协调、数据中转、数据计算、警报及存储。包括4G全网通模块与WiFi模块（用于连接手机）。

2.1   传感器节点

ZigBee传感器节点采用标准接口设置，提供IO口与UART方式的TTL电平接口，可以通过继电器多路切换振弦式传感器进行拉/压力数据检测。

本方案采用振弦传感器读数模块与ZigBee传感器节点进行连接，实现数据采集与传输。由于振弦传感器模块读数时需要产生高压脉冲，所以振弦传感器与读数模块之间需要建立双向通路，一般的多路复用器无法满足，且常规的多路复用器不能承受高压脉冲信号，所以对于多路传感器本方案采用的是4路继电器。振弦传感器节点硬件结构图如图2所示。

2.2   中继节点

由于中继节点仅负责数据的接收与转发，所以功能相对于传感器节点、显示节点以及网关节点要少得多，本方案中考虑到成本与功耗等问题，拟采用基于CC2530片上系统的最小系统实现，并结合LED指示灯、电源管理模块以及按键等外围电路进行设计。中继节点硬件结构如图3所示。

2.3   汇聚节点

汇聚节点对传感器节点的上传数据进行汇集并进行存储，再通过3G/4G模块将感知数据利用TCP/UDP方式上传到指定服务器，2G/3G/4G通信模块采用USR-LTE-7S4模块，WIFI模块采用的是AR9331芯片。图4为汇聚节点硬件结构图。

3   低功耗关键技术设计

3.1   低功耗设计

CC2530有五种工作模式。分别为Active mode、idle mode、PM1、PM2、PM3，PM2模式比较省功耗而且可以被定时唤醒;PM3模式最省电但是只能被外部中断唤醒。

本方案为了减少节点能耗，感知节点采用PM2休眠唤醒模式，休眠唤醒策略采用非信标方式进行处理。唤醒过程如图5所示。

接收节点的唤醒状态时间为tatv=50 ms，休眠状态时间为tslp=1950 ms;发送节点的唤醒周期为Tpls =2 000 ms，发送节点的接收时间为trcv=1 000 ms。

为了延长节点工作时长，降低空闲侦听功耗，采集网络将采取周期性休眠唤醒工作模式，主要包括：

a. 心跳模式：心跳模式用于传感器节点、中继节点向网关节点发送心跳包，此外还可以用来实现时钟同步，由于心跳模式周期短，可以用于突发模式的网络唤醒。

b. 采样模式：由于本课题的采样频率很低，数据可靠性要求高，所以在心跳模式的基础上实现大周期采样，该模式的特点为整个休眠唤醒周期较长，一个周期内唤醒时间相对心跳模式的唤醒时间长，目的是为了保证数据可以在唤醒时间内可靠到达汇聚节点。

c. 突发模式：突发模式用于突发情况，需要工作人员携带其他外接传感器与传感器节点接口进行连接，进行数据采样上传的工作模式。在该模式下，要求对网络进行唤醒，考虑到干扰与同步偏离的情况，在硬件上设置唤醒开关，在软唤醒无法保证的情况下，通过手动硬件唤醒的方式，实现突发情况下的网络唤醒。

3.2   自组织动态网络协议

本系统拟采用Z-Stack协议栈作为基础进行网络开发与应用。Z-Stack协议栈采用操作系统的思想来构建，采用事件轮循机制。CC2530上电工作，事件轮循机制立即运转，当有采集、发送、接收、显示等任务时进行执行动作。当各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式[8，9]。如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。这种软件构架的优势是可以极大地降低系统功耗。

鉴于测点一般根据隧道施工进度按断面布设，感知节点数据到网关节点的传输距离是根据施工进度不断改变的，单跳传输在隧道这种复杂环境下很难保证数据可靠传输[10-13]。所以需要根据隧道施工进度借助多个中继节点进行数据的转发。所以中继节点的自组织性能是系统设计的重点。

图6是本方案计划设计的隧道推进新增中继节点添加位置方案，最前端的中继节点与传感器节点作为一个整体向前推进，新增节点添加在倒数第二个中继节点的位置，并设置节点编号为k+1（设倒数第三个节点编号为k）。新增中继节点加入网络流程如图7所示：

新增中繼节点放置在最前端中继节点RN_e节点后，这样设置的原因是让最前端中继节点RN_e具有唤醒整个网络的特殊权限，为了是在突发模式情况下，工作人员可以在隧道里通过最前端中继节点RN_e节点唤醒整个网络，使得可以在整个网络唤醒情况下执行相应的任务。

睡眠或唤醒命令就像逆流，仅在水平或上游流动，而不是向下游流动（本方案中定义传感器节点与最前端中继节点RN_e节点属于同游/水平节点）。最前端中继节点RN_e节点睡眠或唤醒命令如图8所示。

除了突发模式通过最前端中继节点RN_e节点唤醒整个网络外，后端管理软件也需要对网络进行休眠/唤醒的配置权限，而图8中的最前端中继节点RN_e节点睡眠或唤醒命令不能满足整个系统的需求，所以本方案中还设计了网关节点的权限，与最前端中继节点RN_e节点睡眠或唤醒命令的逆流方式相反的是，网关端的睡眠或唤醒命令采用顺流的方式，此时睡眠或唤醒命令就像一股水流，只能水平或向下流动，而不会向上游流动[14]。图9则是网关节点睡眠或唤醒命令的流向图。

4   隧道结构安全监测系统测试

4.1   节点唤醒延迟测试

节点模拟隧道环境，采用直线型网络结构进行节点唤醒，测试不同跳数下的唤醒延迟。表1为不同节点跳数下的唤醒延迟测试。

表1通过不同跳数下的50次唤醒测试可知，随着跳数增多，唤醒延迟所需要的最小时间与平均延迟越来越大。由于本文的隧道网络属于单链路路由，存在的信道竞争与干扰相对较少，所以测试延迟均在可接受范围以内。

4.2   功耗测试

节点功耗是影响隧道网络稳定性和持久性的重要因素，节点的能耗主要损失在射频模块。考虑到瞬时电流测试不具有代表性，本文将对提出的低功耗策略与正常工作的节点功耗进行实际工作对比，测试节点均处于相同网络任务的条件下。表2为不同节点工作模式下的功耗测试。

注：表格中的电压值是通过CC2530SoC芯片内部AD转换所采集的数据

通過测试可以发现，采用提出的低功耗策略节点在电量耗尽前平均持续工作时间为2128小时，远大于正常模式工作下的节点68小时持续工作时间。

设计的网关节点、中继节点以及传感器节点实物图如图10所示：

本系统设计的无线振弦传感器模块采集到的数据与手持振弦读数仪数据进行对比，对比结果如图11所示。由对比实验可以看出，设计的无线振弦传感器模块与手持读数仪的数据基本一致，存在0.3 Hz左右的系统误差，在系统精度要求范围内，且可通过标定降低系统误差。

经过系统测试，提出的低功耗策略以及振弦传感器采集模块均满足施工隧道结构安全监测的性能与指标需求。所以可以采用基于ZigBee的施工隧道结构安全监测系统，对施工隧道结构安全监测信息进行采集与传输，进而为施工隧道的安全作业提供技术保障。

5   结   论

基于ZigBee的施工隧道结构安全实时监测系统可以实时有效地对隧道断面进行信息采集、传输、显示与数据分析，实现了施工隧道信息化管理。与传统的隧道监测方式相比，基于ZigBee的施工隧道结构安全实时监测系统能实时、准确地提供施工隧道的相关监测数据，对隧道的结构安全监测进行分析与预警，为隧道的安全施工提供技术保障。

参考文献

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