基于物联网的地铁隧道断面监测系统的设计

方案和架构

为了在不中断运营条件下，对隧道实施实时监测，同时尽可能减少对地铁隧道的影响，数据传输采用安装简单灵活的无线传输方式。根据实际勘察情况，监测区域位于隧道较深处，公用无线信号较为微弱，同时为了减小传输费用，本文通过在隧道内部构建ZigBee无线网络作为近距离通信方式和靠近地铁站处通过连接GPRS（General Packet Radio Service）网络作为远距离通信方式，形成了基于ZigBee + GPRS的地铁远程监测系统如图1所示。系统从逻辑结构上分为现场测量仪器数据层、远距离数据传输网络层和监测中心应用管理层三个层次[7]。

1） 现场测量仪器数据层。由ZigBee模块和倾角传感器组成，其主要作用是采集断面倾角的数据，通过自组无线网络将数据传输到ZigBee/GPRS网关。

2） 远距离数据传输网络层。ZigBee/GPRS网关通过公用无线网络将接收到的数据发送至云服务器中心。

3） 监测中心应用管理系统。监测中心应用管理系统是数据分析和顯示的核心。系统从数据采集系统中获得原始倾斜等测量数据，将其存入存储器，并按照监测的要求，将这些数据准确实时地显示给相关管理人员，为他们提供所需要的信息。

2 ZigBee终端和ZigBee/GPRS网关设计

由于监测区域位于隧道较深处，为了减少传输费用，系统采用ZigBee + GPRS相结合的无线传输方案。多个隧道断面倾角数据经终端采集后通过ZigBee网络发送到协调器，ZigBee协调器将数据封装为GPRS数据包通过公用移动网络发送到云端。整个系统硬件结构如图2所示。ZigBee终端和ZigBee/GPRS网关均采用Z⁃stack协议栈作为Zigbee 的通信协议，可实现底层数据通信。

ZigBee终端节点采用由美国德州仪器的CC2530。CC2530芯片上集成有ZigBee射频收发器核心和8051控制器，只需要很少外围部件配合就能完成信号收发。倾角传感器采用的是长沙金码JMQJ⁃7330X的智能倾角传感器，其内置A/D转换器可将测量倾角值转化成电压信号，使其输出为数字量，可以直接被CC2530读取，方便系统设计。

ZigBee/GPRS网关硬件组成主要包括ZigBee协调器模块、数据处理模块、GPRS通信模块等，如图3所示。其中协调器模块采用CC2530，处理器采用32位ARM7的微处理器LPC2210，GPRS模块采用SIMCom公司推出的双频GSM/GPRS模块SIM800A[8]。LPC2210与CC2530通过SPI接口连接，与SIM800A通过URAT串口连接。SIM800A通过接收处理器发出的配置拨号上网的AT指令，获取IP地址，再主动连接云中心服务器的IP地址和云服务器虚拟的服务端口号，建立TCP/IP网络连接进行远程数据传输。

3 数据通信协议设计

由于在隧道的实际运作中，断面的形变随着时间变化较为缓慢，形变的量也不明显，故除了测量仪器的精确性外，在数据的传输中也需尽可能保持数据的准确 [9]。为保证数据传输的准确性，同时兼顾控制指令，需要设计适合倾角数据传输的通信数据格式。

3.1 通信数据格式

本文设计的通信方式采用主从式，即监测中心上位机发送测量指令帧，采集模块再测量传感器的实时数据。通信协议主要分为命令和返回两种格式，其中命令格式的请求帧如图4a）所示。

在请求帧中，共13～15位编码。其中包括1位引导码“#”（0x23）；8位采集模块节点编号；1位命令码，由大写字母A～Z表示；1位附加码，没有命令码的该值可以为空；1位校验码；最后1位为结束码，以“！”（0x21）结束。在上位机发送指令后，采集模块返回的数据帧中，数据的格式如图4b）所示。返回的数据中，包括1位引导码“$”（0x24）；数据部分的编码格式为一个数据对应一个校验码，不同的发送指令，返回的数据个数也不同；最后以一位结束码“！”（0x21）结束。

3.2 数据采集程序的设计

根据制定的通信方式和通信协议，在云端的数据采集程序编程中主要实现的功能有：模块的自检、定时采集倾角数据等功能。程序框图如图5所示。

采集程序的设计基于C#提供的串口SerialPort类，通过设置串行端口的名称、传输速率、奇偶校验位、数据位的长度及停止位的长度5个参数来创建一个串口连接对象。这5个参数是使用串行端口进行通信控制时必须给予的基本参数[10]。连接串口后，先发送模块自检指令，通过返回的数据判断传感器的工作状态是否异常；若出现异常状态，记录异常的传感器编号，并判断是否有传感器可以正常工作；当有传感器正常工作时，可以向下位机发送倾角数据采集指令，接收数据后可以将数据根据通信协议解析并存储到数据库供Web服务器使用。

3.3 监测中心Web服务的设计

监测中心应用管理系统是数据分析和显示的核心。系统采用基于B/S（浏览器/服务器结构）模式，利用开源的MVC框架Struts2强大的功能，可同时供PC端和手机端访问。监控中心系统功能主要包括日志管理、数据监控、数据分析和数据报表等功能模块。Web服务设计功能结构如图6所示。

上位机采集的数据存放在服务器端的数据库中，采用HTTP协议传输移动端所需要的信息，通过网络传输的软件网络拓扑结构如图7所示。

当用户需要查询实时或者历史数据时，需要向Web服务器（本系统使用Tomcat作为Web服务器）发送一个HTTP请求。请求字符串中包含查询传感器编号、时间区间等参数。这些参数是以JSON字符串的形式发送给Web服务器。Web服务器在接收到请求信息后，对请求字符串进行解析，提取出有效参数，进行逻辑处理后从数据库中查询相关数据；同样，也是以JSON字符串的形式返回给移动端。移动端接收到JSON数据后同样要进行JSON解析，然后将数据渲染到相关页面中供移动端用户查阅。

4 系统安装与调试

本系统成功安装在武汉地铁3号线宗关站至王家湾站路段如图8所示，图8a）、图8b）分别为传感器模块和数据采集中心即ZigBee和GPRS传输模块。

硬件设备安装完成后，上位机设置每隔10 min定时发送采集指令，根据存储至数据库的数据每隔一天进行一次丢包统计，测量一周后的实验情况如表1所示。经计算，平均丢包率为0.34%，符合1%的丢包允许范围。表2为某倾角传感器一周时间每天上午8点所测量的数据。传感器X方向的波动范围在3.711°和3.710°之间，Y方向的范围在2.447°和2.448°之间，考虑到安装倾角传感器时的固有偏差，在该段时间内，其所处位置的倾角变化X方向和Y方向实际波动范围在0～0.001°，数据精确度较高并且较为稳定。

在采集工作正常工作时，用户可通过Web端或移动端远程访问，PC端和移动端数据监测如图9所示。其中图9a）和图9b）为分别为PC端和移动端的实时曲线展示，在实时显示的界面可以查看当前传感器的倾角变化，并设置有报警阈值。当X或Y方向的倾角变化达到设置的阈值或异常时，系统会发出警告，并将信息存储。图9c）为PC端的历史曲线展示，通过选择传感器的编号以及需要查询的时间段，可直观地显示该传感器在选择的时间段倾角变化趋势。

5 结 语

本文研究地铁隧道断面监测系统，在数据采集和传输过程中，通过自定义的通信协议保证数据的精确性，采用云服务器技术作为监测中心，可实现全天候监控，比传统的人工测量和现场基站测量更为方便。整个系统程序简洁，可扩展性强，且能长期稳定运行，为Web服务提供可靠的基础数据，能准确预警地铁隧道的安全情况。

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