基于WSN的長大隧道環境監測系統設計與實現

雷 旭，李 陽，李思慧

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安710064）

0 引 言

隧道路段是一個相對封閉的特殊路段，由于其車速高、流量大、光線較差、空氣質量低、環境噪聲大，比一般路段發生交通事故的幾率高［1］。而長大隧道迂回空間有限，一旦發生事故，處理困難，導致交通長時間中斷，且可能引起火災，從而造成災難性的后果［2］。為了有效改善隧道洞內環境、保證其運營安全、預防火災和交通事故，為突發事件提供保障條件，需要建設長大隧道環境監測系統。目前，國內對長大隧道環境的監測一般依托于隧道監控系統，從傳感器的布設、信息的采集、數據的傳輸和處理等各方面看，其發揮的作用都很弱，不能真實有效的反應長大隧道內環境的動態變化信息；另一方面，所依托的隧道監控系統基本以PLC為核心控制設備，當需要廣泛布設采集點時，會增加PLC的接入點需求，從而增加系統的設計和施工成本，造成性能過剩［3］。針對上述問題，結合微電子技術、計算機技術和信息傳輸技術，提出了一種基于無線傳感器網絡的長大隧道環境監測系統設計，通過在長大隧道內架設多個低成本的無線傳感器網絡，實現環境信息的實時監測與預警。

1 系統設計

監測系統實現對隧道內三類信息的實時采集：①行車安全信息，這些信息關系到隧道內車輛的行駛安全，如照度、能見度等；②人身安全信息，這些數據的正常與否影響隧道內駕乘人員的身體安全，如CO濃度、NO2濃度、煙霧濃度等；③運營安全信息，如風速、風向等的自然環境信息關系到隧道機電設備的運營和控制。系統包括無線傳感器網絡和數據服務中心系統兩部分。系統構成如圖1所示。

圖1 長大隧道環境信息監測系統構成

無線傳感器網絡由智能傳感器節點、路由節點和匯聚節點組成［4］，傳感器節點實現對長大隧道內各種環境信息的監測；路由節點作為中間路由器，完成對某些分布較遠的傳感器數據的轉發；匯聚節點作為協調器，完成信息數據的協議轉換，接入隧道光纖通信線路向監控中心傳輸數據。其中，傳感器節點和路由節點采用電池供電，根據功能可以在隧道任意位置布設；匯聚節點采用固定電源供電，隨機電系統安裝在配電柜內。

數據服務中心實現對現場數據的處理和實時顯示，提供數據異常處理策略并與其他機電系統通信。系統軟件采用B／S模式，客戶端通過網頁瀏覽器對隧道各個布設點的環境信息實時監控，出現違反策略的異常時通過電話、短信、郵件等方式自動向管理員報警。

2 無線傳感器網絡

2.1 無線傳感器網絡構建

由于長大隧道的長度很長，為保證行車安全、人身安全和運營安全，需要對其環境信息全面、及時和有效的監測。在這樣的需求背景下，利用無線傳感器網絡可以在隧道內廣泛布設低成本的傳感器智能節點，實現若干個自組網的傳感器監測網絡。然而，由于各節點初始能量和能量耗散速度不盡相同，各種被測信息數據處理也不盡相同，導致無線傳感器網絡具有很強的異構特性，影響無線傳感器網絡的壽命和數據監測的效果。

系統采用基于簇的能量高效路由算法，以均衡網絡能耗［5］。算法運行的流程圖如圖2所示。將網絡節點分為簇首和普通節點，進而將網絡劃分為以簇首為中心的多個簇。簇成員節點采集到的信息并不直接發送給匯聚節點，而是首先發送給自己的簇首，簇首將簇內所有成員的信息融合后再發給匯聚節點。簇首的選舉依據節點的剩余能量和鄰節點個數，優先選取剩余能量多和鄰節點多的節點作為簇首。簇首并不直接將信息傳送給匯聚節點，而是依據各簇首間的距離和簇首的剩余能量，尋找各簇首到匯聚節點最小能耗系數的路由。普通節點加入簇的算法，依據其到簇首的距離和簇首轉發消息的能耗系數，選擇綜合能耗成本最小的簇加入。

圖2 無線傳感器網絡構建算法流程

分簇完成后，網絡節點開始數據采集和傳輸過程。數據傳輸分為簇內傳輸和簇間傳輸。簇內傳輸過程中，非簇首節點采用一跳的傳輸方式直接將采集到的信息以最小功率發送至簇首。為了最大程度節約能量，簇首為每個成員分配一個時間槽，當且僅當簇成員節點在自己的時間槽內才啟動數據采集和傳輸，否則進入睡眠狀態。簇間的傳輸過程中，簇首將簇內信息融合后傳輸給下一跳節點，下一跳節點再對信息融合傳輸至下一跳節點，如此接力直至匯聚節點。

2.2 網絡節點設計

網絡節點在無線傳感器網絡中的作用取決于所在網絡某一時段的路由算法，其功能根據所監測的信息不同而不同。但是各節點的硬件和軟件的設計原理是相同的。設計一般分為數據采集單元、數據處理與傳輸單元和供電單元3個部分［6］，如圖3所示。

圖3 網絡節點結構

數據采集單元包含傳感器和信號轉換電路，傳感器將感知的環境信息轉換成電信號，經過信號轉換電路變換成各種接口標準的數字信號，傳送給數據處理與傳輸單元。例如，照度傳感器選用Rohm公司BH1721FVC，可以檢測0～65528lx的照度并轉換成I2C總線形式數據；CO傳感器選用FIGARO公司的TGS－5042，可以檢測0～10000ppm的CO含量并轉換成0～24μA的電流信號；風速傳感器選用LVFSC－12，可以檢測0～70m／s的風速并轉換成RS485形式的數據。

數據處理與傳輸單元是網絡節點的硬件核心，采用意法半導體 （簡稱ST）公司的STM32W108無線射頻WSN／ZigBee超低功耗微控制器。該芯片基于32位ARM Cortex－M3處理器核心集成了符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz收發器，是專門用于無線傳感器網絡應用的片上系統［7］。利用芯片集成的I2C、SPI和UART等數字信號接口，可以連接各種數字信號形式的傳感器和外部設備；芯片還集成了12bit高精度ADC，與信號調理電路組成網絡節點的AI通道，連接各種模擬信號形式的傳感器。芯片還具備功率放大器和電源管理功能，節約了系統的尺寸，降低了系統的運行功耗。選用超低功耗的鐵電存儲器存儲節點脫機數據和配置信息。

網絡節點是無線傳感器網絡的終端節點，起信息收集的作用，要求硬件系統應具備盡可能低的功耗性能以延長其節點壽命。根據其硬件系統各組成部分的功能分塊設計供電單元，對功耗較大的芯片單獨選取電源管理芯片供電。獨立的供電單元均由STM32W108的GPIO引腳控制，僅當需要該部分電路工作時，才由處理器控制接通電源。

網絡節點軟件基于ST公司提供的Ember ZigBee Pro協議棧，結合基于簇的能量高效路由算法進行改進；設計軟件開關機策略，對RTC進行管理實現系統定時喚醒；設計文件塊 （FileBlock），有效組織外接串行Flash存儲空間。

2.3 匯聚節點設計

匯聚節點作為網關連接無線傳感器網絡和隧道光纖通信網絡。在無線傳感器網絡中，匯聚節點是所有節點信息匯聚的終點，同時還承擔組網和路由等任務［8］；在光纖網絡中，匯聚節點是信息終端，將數據整理上傳，同時還接收監控中心命令執行遠程操作。因此匯聚節點在設計上重點強調穩定性和可靠性。設計分為ZigBee通信單元、核心處理單元和網絡接口單元。

ZigBee通信單元的設計與網絡節點的數據處理與傳輸單元一致，其作用是為匯聚節點提供與無線傳感器網絡通信的接口，接收經過路由轉發的各節點上傳的監測數據［9，10］。

核心處理單元采用ST公司的STM32F107VX網絡控制器構建最小系統，芯片內部集成256KB的Flash和64KB的RAM，一個硬件支持IEEE1588精確時間協議的以太網MAC （media access controller）接口和5個 UART 接口等其他通用外設。因此，只需一塊芯片就能設計整合所有接口實現核心處理單元的功能。此外，為了使匯聚節點具備脫機存儲能力，設計了SD卡擴展電路。

網絡接口單元的設計是為了實現系統的外部擴展PHY（physical interface device）連 接 物 理 層 網 絡［11］。 選 用 美 國國家半導體公司的DP83848C芯片作為物理層接口芯片，該芯片是10／100Mb／s單路低功耗物理層接口器件。

核心處理單元分別通過工業標準MII（media－independent interface）接 口 和 UART （universal asynchronous receiver／transmitter）與網絡接口單元和ZigBee通信單元相接，如圖4所示。

圖4 匯聚節點結構

匯聚節點軟件應用ARM公司的RL－ARM中間組件系統，實現了多任務實時處理、網絡通信應用層程序和大容量文件系 統。硬 件 接 口 芯 片 （PHY）DP83848和STM32F107VC內部集成的網絡控制器 （MAC）分別實現了網絡傳輸模型的物理層和數據鏈路層，通過RL－ARM中間組件系統提供的TCP／IP協議棧實現了傳輸層的TCP、UDP通信協議以及 HTTP （hypertext transfer protocol）服務；通過RL－RTX實時多任務操作系統實現系統任務的實時運行與任務間通信；利用RL－ARM中間組件系統提供的文件系統模塊，建立SD卡文件系統，兼容Fat32格式文件，支持TFTP服務對文件的存取，可以將網絡異常時的數據以文件格式保存，供網絡恢復時或由操作員現場讀取。

信息的上傳基于TCP／IP協議，其中匯聚節點上報數據和報警狀態為了保證傳輸的穩定可靠，采用面向連接的TCP傳輸協議；監控中心向匯聚節點的查詢命令為了保證傳輸效率，采用簡單、輕量級的UDP傳輸協議。網絡協議的設置有效保證了提高數據傳輸的穩定性和網絡的使用效率之間的平衡，降低了主干網的負擔。另外，針對匯聚節點在隧道內布設分散、無人值守的特點，專門設計了基于WebServer的遠程配置服務，管理員可以直接通過網絡使用Web瀏覽器遠程訪問各個匯聚節點，遠程配置系統參數并監控系統狀態。網絡實時通信的軟件實現依托RL－ARM中間件系統提供的Sockets底層庫，基于傳輸層協議TCP和UDP，實現自定義網絡數據幀通信協議的發送和接收。

3 數據服務中心系統軟件設計

3.1 系統軟件架構

系統軟件采用三層結構設計：通信服務、數據庫服務和策略服務［12］。系統軟件是整個監控系統的核心，完成配置管理、用戶管理、監測信息的分析和處理、歷史信息的存儲和查詢、報表打印、實時報警等功能。這樣的架構設計在部署方式上具備較高的靈活性，使系統可以充分適應實際應用的需求。軟件層次結構圖如圖5所示。

圖5 系統軟件層次結構

3.2 通信服務設計

通信服務負責收集報警信息與實時數據信息。由于系統底層終端數量龐大，且實時信息數據量大，要求通信服務程序具備足夠的并發處理能力，以保證數據接收與處理的可靠性。

通信服務由匯聚節點監聽線程、服務中心指令處理線程和系統同步處理線程組成。3個線程獨立運行，可以提高系統的并行處理能力。遠程信息終端監聽線程完成對遠程信息終端系統的信息 （包括報警信息和通道信息）監聽、接收和比對，經過分析后確定是否需要報送到數據庫服務程序；服務中心指令處理線程根據策略服務程序發送的指令完成添加、刪除、報警配置信息修改等操作；系統同步處理線程用于保持通信服務程序與其他服務器系統信息的同步。

遠程信息終端報警信息和通道信息通過各自不同的端口與通信服務進行通信，從而保證了系統報警信息的獨立通信通道，使報警狀態迅速上傳到策略服務并及時發布報警信息。

3.3 數據庫設計

系統采用MySQL作為數據庫管理軟件。在整個軟件系統中，數據庫服務程序起著核心的作用，各服務的正常運轉均依賴于數據庫服務程序的穩定運行。數據庫服務器完成通信服務和策略服務有關的實時信息存儲、修改和查詢等功能，通信服務器和策略服務器之間的信息交互都是以數據庫服務為橋梁來完成。

系統運行后，來自于通信服務和策略服務的信息數據量較大，因此要求數據庫服務程序具備強大的數據處理能力，保證整個系統運行的可靠性。數據庫服務分為兩部分：通信指令數據庫存儲過程和系統同步處理線程。通信指令數據庫存儲過程依托MySQL，根據策略服務程序和通信服務程序對數據庫操作的需求，設計若干添加、刪除、修改和查詢等操作的存儲過程；系統同步處理線程用于保持數據庫服務程序與其他服務器系統信息的同步。

3.4 策略服務設計

策略服務提供基于瀏覽器訪問的軟件界面，用戶可以使用瀏覽器對系統各信息采集點執行實時監控、設置以及配置等操作。策略服務程序分為監控服務主進程和Web服務進程，采用Sockets技術實現進程間通信。

監控服務主進程劃分為客戶機／數據庫信息處理線程和系統信息同步處理線程。監控服務主進程創建共享內存表，用于存儲頻繁使用的數據，從而緩解多用戶同時訪問數據庫對網絡的擁堵。同時，該進程還用來處理數據庫服務發送過來的狀態信息和各個客戶端的操作請求，根據用戶的配置采用短信、郵件或語音方式及時向管理者發送報警信息和系統故障信息。監控服務主進程使用多線程技術，不但實現了對多個客戶并發操作的支持，也實現了數據的截取和數據處理的并發操作。這一方面提高了系統的資源利用率，也是實現系統實時性和交互性的必然要求。

Web服務進程運用ASP.NET技術采用B／S模式設計，用于為遠程用戶提供基于瀏覽器訪問的界面，如圖6所示。Web服務由4個模塊構成，分別是：隧道環境、監控管理、系統管理和數據分析。其中，隧道環境實現直觀顯示長大隧道內各節點環境信息的狀態、設備的地理分布等信息，運用JavaScript腳本語言以及Ajax技術實現了環境信息的實時顯示，提高了系統的實時性；監控管理實現對各節點的報警規則、報警用戶等信息的配置；系統管理模塊實現用戶權限管理、系統設置等功能；數據分析模塊提供歷史環境信息的分類查詢、統計和數據分析等功能。

圖6 系統軟件界面

4 結束語

基于無線傳感器網絡實現的獨立于傳統隧道機電系統運行的環境監測系統，可以有效實時監測隧道內環境信息，網絡節點安裝布設方便。監控中心軟件基于分層設計思想，部署方式靈活；運用ASP.NET技術構建B／S模式軟件，監控界面數據動態更新，具有高可靠性和安全性。經過現場運行測試，系統整體運行穩定，終端節點數據采集、無線網絡數據傳輸和系統軟件等功能達到了設計的要求。系統為長大隧道環境動態信息的實時獲取提供了有效手段，與傳統系統相比，具有成本低廉、安裝方便、易于維護的特點，并且能夠加強對長大隧道環境信息的監測力度，保證了長大隧道的安全運營和高效管理。通過調整傳感器的選型，系統還可以適用于需要對環境信息進行動態監控的其他場合，具有一定的推廣意義。

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