基于物联网的地铁隧道断面监测系统的设计

曾熙鸿 李富年 颜永逸

摘 要： 为了满足地铁隧道安全信息监测的需要，设计一种远程地铁隧道断面监测与预警系统。系统主要由分布在隧道断面上的监测点和云服务器监控中心两部分组成。监测点以CC2530芯片为核心，使用智能倾角传感器采集断面倾角变化数据，并结合ZigBee无线传感技术和GPRS通信技术将数据上传至云服务器监控中心。通过定制通信协议实现倾角数据的收发存储和查询功能。实践证明，系统结构稳定可靠，具有一定的先进性和推广性，为准确预测地铁隧道的安全情况提供参考。

关键词： 地铁隧道； 断面监测； ZigBee； GPRS； 云服务器； CC2530

中图分类号： TN931+.3?34； TP274+.2 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）18?0182?05

Design of cross?section monitoring system based on IoT for subway tunnel

ZENG Xihong1， LI Funian1， YAN Yongyi2

（1. School of Information Science and Engineering， Wuhan University of Science and Technology， Wuhan 430081， China；

2. School of Civil Engineering and Mechanics， Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074， China）

Abstract： A remote cross?section monitoring and early?warning system is designed for the subway tunnel to meet the need of monitoring the security information of the subway tunnel. The system is composed of monitoring points distributed on the cross?section of the tunnel and the monitoring center of the cloud server. In monitoring points with the CC2530 chip as the core， the tilt angle variation data of the cross?section is collected by using the intelligent tilt angle sensor， and uploaded to the monitoring center of the cloud server by combining with the ZigBee wireless sensing technology and GPRS communication technology. The customized communication protocol is used to realize the functions of sending， reception， storage， and query of tilt angle data. The practical results show that the system has a stable and reliable structure， and a certain advancement and popularization， which can provide a reference for accurate security situation prediction of the subway tunnel.

Keywords： subway tunnel； cross?section monitoring； ZigBee； GPRS； cloud server； CC2530

0 引 言

随着城市化进程的加快，城市规模的不断扩大以及机动车数量不断增加，为了解决城市交通紧张的问题，许多城市都在修建地下铁道和轻轨交通。地铁隧道在建设运营过程中，很多因素如地质条件、地下水、地面建筑物开发及隧道自身负荷能力等，都将会对隧道结构产生影响。而对于那些变形严重或对变形监测要求高的地段，如果不能对其进行自动的、连续的、长期的变形监测，则很难及时发现险情，将会对隧道安全造成严重的威胁[1?3]。传统的人工监测方法存在观测周期长、投入人力物力多、影响既有地铁运营等诸多问题[4?6]。由此考虑到实际地铁隧道倾斜、开裂的渐变性和长期性，设计基于无线传感器网络（WSN）和GPRS的隧道形变自动化监测系统，避免了有线传输的复杂线路，实现了监测数据的自动采集、实时传送，预警信息通过手机客户端自动发送短信至管理者和操作者，形成监测数据自动采集、管理、预报一体化的信息网络，为地铁安全运营提供了重要的参考依据。

1 监测系统总体方案和架构

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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