基于物联网技术的隧道监控系统设计

王 颖

（山西兴路交通工程监理技术咨询有限公司，山西 太原 030006）

近年来，车路协同、智慧交通技术逐步进入到实用阶段，作为智慧交通核心技术之一的物联网技术也渐渐为业内人士所熟知。技术的进步、社会的发展都表明，无线通信替代有线通信是大势所趋，特别是在网络的末梢——现场网络环节，表现得尤为显著。目前，国内隧道监控系统的现场设备普遍采用有线通信的方式接入网络，投资大，灵活性、扩展性差，为此本文提出一种基于物联网技术的隧道监控系统，实现隧道监控系统现场网络的无线化，大幅节约光电缆数量，提升系统的灵活性、扩展性、可靠性和易用性。

1 隧道监控系统现状及需求分析

目前，我国隧道监控系统普遍采用有线通信的方式解决隧道机电设备的测控，需要敷设大量的通信光缆和电缆，对于远程骨干通信网络，光缆无疑是合适的选择，但是，对于隧道内部的设备，采用光电缆连接则有诸多的不便和问题，主要表现在以下几个方面。

1.1 施工工作量大 复杂程度高

随着隧道运营及安全管理要求的提高，隧道内设置的监控设备愈来愈多，把这些设备连接起来需要敷设大量的光缆电缆。现场经验证明，施工队伍用于敷设缆线的工时约占全部施工时间的一半，相比之下，用于设备安装调试的时间反而少得多。另外，线缆的型号规格众多，敷设要求各不相同，有的要预留预埋，有的要穿管保护，连接排线十分复杂。

1.2 系统的灵活性、开放性、扩展性比较差 难以与时俱进

隧道内设备的接口类型与通信协议各不相同，整个通信系统有固定的路由，一旦监控系统构建完成，即使简单地增加设备或者移动设备的位置也十分困难，需要重新布线，甚至需要破坏隧道的物理结构，如在洞壁上开槽等。

1.3 可靠性不足 故障风险和代价较高

通信网络的稳定可靠主要取决于通信线缆的通断以及连接的品质。一旦线缆局部损坏或断裂，极易造成周边设备故障以及子系统的整体瘫痪，一个点的故障造成的往往是一片设备或一条线路上设备的失联，其事故的风险和代价是比较高昂的。

1.4 资源消耗大 投资高昂

一项监控系统工程，不算骨干通信网络，仅仅隧道洞内及洞口附近需要消耗的光电缆数量动辄几十乃至上百公里，加上配套的桥架、钢管、线槽等辅助材料，整个系统需要消耗大量的金属材料，这些都来自不可再生的宝贵自然资源，与此对应的是项目投资的居高不下。以某新建工程隧道监控系统为例，整个监控标段的投资是1 190万元，其中线缆、辅助材料如线槽、桥架、配线架、保护钢管等的投资是418万元，占总投资的35.2%.如果加上交换机、光端机、PLC等通信控制设备，那么监控系统中用于通信的投资超过了总投资的50%，无论绝对值还是百分比都是相当高的数值。

通过以上对现行监控系统局限性的分析和对客户实际工作中困扰的了解以及需求调研，客户和市场对于监控系统的需求或者期望有以下几点：

a）一个高度智能且与时俱进的系统，具备良好的成长性和扩展性：系统应该能够方便地升级，更换或者新增更高技术水准的设备而无需废弃现有的基础设施。

b）一个灵活的系统，具有良好的适应性：系统应当容易调整，具有很好的弹性，给使用者以较大的自由度，而不是一个僵硬的、固化的系统。

c）一个易用的系统，操作和维护都极为简单明了，如同使用一部智能手机。

d）一个健壮的系统，具有极高的可靠性：不仅故障率要低，而且一旦出现故障，能把故障带来的风险控制于故障点本身，而不至于影响到周边的设备、子系统。

e）一个低成本的、资源节约型的系统，无论建设还是运营维护，其投资都远远低于现在的投资水平。

2 关键技术

2.1 物联网技术

实现该系统的预期目标，其关键在于无线通信和网络技术的选择，现有的无线通信技术有很多种，且不止一种无线通信技术可以实现隧道机电设备的无线接入，但它必须是简便的、廉价的和可靠的。Zigbee技术以其独具一格的特点，成为实现隧道无线网络通信的不二之选。

2004年，ZigBee技术和RFID技术被列入当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大最新技术之内，是物联网应用最关键的技术之一。众所周知，物联网发展的关键在于解决网络末梢海量信息终端的数据通讯问题，ZigBee就是解决“最后1 km、最后100 m、最后10 m”数据通信的理想技术。

ZigBee是个仿生学名词，来源于蜂群中蜜蜂相互通讯时的螺旋形“Z”字舞蹈，使用免费的工业、科学、医疗专用频段（2.4G-ISM），它是IEEE 802.15.4协议的代名词，可以嵌入多种设备中，其主要特点可以概括为“三低两高”[1]：

a）近距离 传输范围一般在10～100 m之间，这指的是相邻节点间的距离。通过路由和节点间通信的接力，传输距离可以更远。

b）低功耗 在低耗电待机模式下，纽扣电池就可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。

c）低成本 通过大幅简化协议降低了通信控制器成本（不足蓝牙的1/10），而且ZigBee的协议专利免费。

d）高容量 最多可组成65 000个节点的大网。

e）高可靠性 由于采用网状网（mesh网络）拓扑结构，自动路由，动态组网，直序扩频（DSSS）的方式，因而抗干扰性强，能够很好适应工业自动化控制现场的复杂状况。

Zigbee技术最重要的特点之一就是支持mesh网络。无线mesh网络（无线网状网）也称为“多跳（multihop）”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在传统的无线局域网（WLAN）中，每个客户端均通过一条与AP相连的无线链路来访问网络，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线mesh网络中，任何无线网络节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。数据在网络中自动寻找效率最高的传输路径，直到到达目的地，没有固定的路由。添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。

图1 mesh网络的拓扑结构示意图

基于上述分析，该项目选择基于ZigBee技术的无线mesh网络作为隧道监控系统的现场设备网络平台，并辅之以Wi-Fi网络，以提供丰富的音视频功能。

2.2 嵌入式一体化技术

高性能的智能基站和无线终端基于ARM架构，采用一体化嵌入式结构，实现软硬件的高度集成化和智能化，设备结构简单，外形小巧，安装使用极为简便[2]。

2.3 接入和集成标准化

无线终端内置多种通讯接口，覆盖现有隧道机电设备的所有通讯接口模式。机电设备通过无线终端接入隧道监控系统，所有设备最终使用统一的无线通讯协议进行信息交换，实现接入和集成的标准化。

3 系统设计与实现

3.1 系统架构设计

监控系统主要包括3个部分：中央控制系统、中继器、无线监控终端。

如图2所示，所有的无线监控终端（TM）和中继器（RPT）组成了一个无线网络，构建起隧道监控系统前端设备的物联网。隧道机电设备的工作状态信息以及传感器数据通过这个无线网络传递给就近的中继器，再由中继器通过有线骨干网络或4G/5G商用移动网络传送到设在隧道管理部门的中央控制系统进行数据处理；中央控制系统根据编程设定的控制方案把控制指令通过有线骨干网络或4G/5G商用移动网络发送到中继器，中继器再将控制指令通过无线网络发送到对应的无线监控终端，从而实现对每台隧道机电设备的控制。远程管理中心可以通过Internet或专网访问隧道管理站的中央控制系统，从而实现远程监测和调度控制。

图2 系统结构示意图

3.2 中央控制系统设计

中央控制系统配置于隧道监控中心，包括计算机系统、数据库系统、监控软件、远程网络访问系统和无线传输管理系统等子系统，主要有以下功能模块：

a）信息显示查询模块 显示当前隧道机电设备的工作状态和传感器数值，用户可以设定区域、设定时段、设定类别查询。该模块有3种显示查询方式，第一种是基于GIS地图的显示查询方式，将隧道机电设备的位置和工作状态信息等直接标注在隧道GIS地图上，比较形象和直观；第二种是基于表格的显示查询方式，信息容量大，便于统计分析；第三种是综合显示查询方式，用户可以设定查询显示条件，便于查询显示用户最关心的信息。

b）控制方案管理模块 用户可以设定多种控制方案，根据需要调用。

c）人工控制模块 用户可以通过人工的方式干预正在执行的控制方案或者直接发出控制命令。

d）报警信息显示查询模块 隧道机电设备的故障和警报信息会在中央控制系统工作站上报警显示。

e）报表打印模块和系统维护管理模块 系统软件的维护和管理。

3.3 中继器设计

中继器主要由连接有线网络的TCP/IP接口、连接商用移动网络的4G/5G接口、连接无线监控终端的无线通讯模块和ARM控制系统组成。ARM控制器内部自带256 K高速FLASH和64 K SRAM以提高系统的工作速度。在ARM控制器的控制下，由无线终端传送来的监测信息，通过TCP/IP或4G/5G的方式上传到中央控制系统；由中央控制系统下达的控制指令，通过TCP/IP或4G/5G的方式下传到中继器，再由中继器的无线通讯模块转发到对应的无线监控终端，从而实现对每台隧道机电设备的控制。中继器的原理结构如图3所示。

图3 中继器原理结构示意图

3.4 无线监控终端设计

无线监控终端使用被控设备的电源供电。传感器的输出信号经数据处理模块进行A/D变换后由无线通讯模块通过网络向中央控制系统报送；由中继器转发而来的控制指令经ARM系统处理后通过固态继电器或PLC控制设备的动作，每个终端可以配接两个传感器、控制两个机电设备的开停，还可以通过串行通信接口连接一台PLC设备；终端内置的基于IEEE 802.15.4标准的无线通讯模块，使得终端可以自动组网，信息在网络内自动寻找路径传递，没有固定的传输路由，大大提高了通讯的可靠性。无线监控终端的原理结构如图4所示。

图4 无线监控终端原理结构示意图

4 系统特点优势

该项目的研究，旨在应用当前先进的物联网技术，构建隧道内的无线网络系统，隧道内的机电设备除摄像机以外全部接入无线网络。无线网络采取网状网的形式，动态组网，自动路由，每个设备或者通信节点既是通信的终端节点也是路由器，可以接力和转发其他设备的信息，构建更为开放、灵活、方便、可靠的监控系统。该系统的主要优点是：

a）取消绝大部分通信电缆，实现资源和投资的双重节约。

b）大幅降低施工和维护检修工作量和难度。

c）系统扩展或者调整极为灵活方便，可以根据需要随意增加、减少设备或者调整设备的安装位置而无需对系统进行改造调整。

d）具有健壮的可靠性，采用网状网的组网方式，通信没有固定路由，个别网络节点的故障并不影响其他节点的通信，系统会自动规划新的路由，绕开故障节点。系统采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接受方的确认信息，保证信息传递的准确可靠。

e）运营成本低廉，使用免费的2.4 GHz频段，既无需缴费也不必办理执照。

5 结语

本文设计和实现了一个基于物联网技术的隧道监控系统，可以应用于所有的公路隧道监控，无论是新建隧道还是运营隧道，以替代现有的有线监控系统。目前，该项技术已经申请了国家实用新型专利并获得批准，期待早日规模化商用，服务于智慧交通。