馬欣，曹騰，張同澤

（天津工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300387）

0 引言

隨著我國的公路、大跨度橋梁、大壩等大型巖土工程數(shù)量越來越多，巖土工程的安全監(jiān)測變得日益迫切[1]。在巖土工程安全監(jiān)測領(lǐng)域，目前基于無線自組網(wǎng)的巖土工程安全監(jiān)測系統(tǒng)為巖土監(jiān)測提供了低成本，高可靠性能的方法。巖土工程監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展具體表現(xiàn)在以下二個(gè)方面:一是監(jiān)測方法的進(jìn)步。二是監(jiān)測內(nèi)容的不斷擴(kuò)大與完整。監(jiān)測用于施工,保證和控制了施工質(zhì)量,防止了事故(特別是災(zāi)難性事故)的發(fā)生,保證了環(huán)境安全,使巖土工程設(shè)計(jì)施工整體水平提到新的高度。

1 系統(tǒng)研究的內(nèi)容

“基于無線自組網(wǎng)的巖土工程安全遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)”是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能化的超遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)依據(jù)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)。

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，具有自動組網(wǎng)、數(shù)據(jù)即時(shí)采集、即時(shí)匯集和即時(shí)利用的功能，為巖土工程安全監(jiān)控系統(tǒng)提供了一個(gè)嶄新的解決方案。

（1）傳感器

傳感器是感知溫度、壓力、位移、角度以及其它各種物理量變化的初始元件。傳感器的主要組件是敏感元件，配合電子電路，可以將感知的各種物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?。傳感器的生產(chǎn)技術(shù)保證了被測物理量的數(shù)值與傳感器電參數(shù)輸出的數(shù)值成比例變化。經(jīng)過率定的傳感器，確定了被測物理量數(shù)值和電參數(shù)輸出數(shù)值的比例值，通過測量傳感器電參數(shù)的輸出值，經(jīng)過計(jì)算即可準(zhǔn)確獲得被測的物理量的值。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括了傳感器，以及信號調(diào)理電路、微處理器、存儲器、射頻無線模塊和電源模塊，電源模塊為微處理器供電，傳感器連接到信號調(diào)理電路的輸入端，信號調(diào)理電路的輸出端與微處理器的I/O接口相連接，微處理器還通過I/O接口與射頻無線模塊和存儲器相連接[2]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)依靠其嵌入式操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理程序和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議工作，可自動測得或設(shè)定自己的坐標(biāo)位置，運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)管理程序即可自動與其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)共同組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并自動運(yùn)算、選擇跳轉(zhuǎn)通信路由[3]；進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先對傳感器的輸出信號進(jìn)行濾波、放大、整形等調(diào)理步驟后，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換獲得數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析、存儲，所有數(shù)據(jù)都可以在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中流動和匯集。

（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上增加數(shù)據(jù)傳輸模塊，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳輸模塊與微處理器的I/O口連接。網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)除具備網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的所有功能外，還可以通過數(shù)據(jù)傳輸模塊與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)鏈接并雙向傳輸數(shù)據(jù)和指令[4]。可以接入的數(shù)據(jù)傳輸模塊為GPRS通信模塊、CDMA通信模塊、衛(wèi)星通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、現(xiàn)場總線通信模塊或無線電臺通信模塊。

（4）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件嵌入在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)中，系統(tǒng)軟件包括了傳感器路由協(xié)議與傳感器MAC協(xié)議[5]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件集成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行管理、傳感器數(shù)據(jù)的采集管理、數(shù)據(jù)分析運(yùn)算、外部設(shè)備控制管理以及與外部網(wǎng)絡(luò)通信管理等多項(xiàng)任務(wù)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大腦和神經(jīng)中樞。適應(yīng)不同工況要求、提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能化程度、保證網(wǎng)絡(luò)工作的可靠性、加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的保密性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)工作。

（5）各節(jié)點(diǎn)的基本工作過程

各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集與傳輸基本的典型流程為：指令/事件觸發(fā)喚醒某節(jié)點(diǎn)→采集監(jiān)測數(shù)據(jù)→放大、濾波、A/D、加密數(shù)據(jù)暫存→綁定（確定收發(fā)信息的目標(biāo)地址）→入網(wǎng)通訊受阻？→改變路徑/擴(kuò)、變射頻→再次申請入網(wǎng)→應(yīng)答許可→傳遞數(shù)據(jù)→檢查通訊/數(shù)據(jù)接收質(zhì)量？/重發(fā)？→由匯聚點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)管理中心→數(shù)據(jù)管理中心收集各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)/分析處理→通知某節(jié)點(diǎn)執(zhí)行控制→采集節(jié)點(diǎn)休眠[6]。整個(gè)工作過程在20～50ms內(nèi)完成，高效快捷保證了數(shù)據(jù)的即時(shí)采集、即時(shí)匯集、即時(shí)利用。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)或部分節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，剩余節(jié)點(diǎn)自動組成新的網(wǎng)絡(luò)，靜候指令/觸發(fā)工作……每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是采集點(diǎn)，又是相鄰節(jié)點(diǎn)信息交互傳遞的“基站”，這種獨(dú)特的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

各個(gè)節(jié)點(diǎn)具備采集數(shù)據(jù)的分析能力，分析結(jié)果和采集的原始數(shù)據(jù)都可以長期存儲在節(jié)點(diǎn)中，并依據(jù)指令，隨時(shí)將原始數(shù)據(jù)和分析結(jié)果傳輸?shù)街付ㄎ恢?。各個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備接收及輸出設(shè)備控制指令的能力。

1.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)是連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的紐帶，是現(xiàn)場安全狀況自動遠(yuǎn)程上報(bào)和系統(tǒng)工作指令遠(yuǎn)程下達(dá)的重要環(huán)節(jié)。利用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以將廣域分布的（跨地區(qū)、省市或跨國家的）許多個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、有線局域網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心連接，組成實(shí)用、高效的分布式超遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)共享和超遠(yuǎn)程設(shè)備控制，完成現(xiàn)場安全狀況的超遠(yuǎn)程監(jiān)控[7]。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)可以利用現(xiàn)有的公用通信網(wǎng)絡(luò)，做到投資少效益高；也可以視情況建立自己的局部通信網(wǎng)絡(luò)，與公用通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用，填補(bǔ)公用通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)；還可以建立自己的完整的遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)。

可以利用的公用通信網(wǎng)和常用的自建數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)有：（1）有線電話網(wǎng)絡(luò)；（2）無線電話網(wǎng)絡(luò)（CDMA/GPRS網(wǎng)）；（3）微波和衛(wèi)星；（4）自建數(shù)傳電臺通信網(wǎng)絡(luò)；（5）自建電、光纜數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

利用公用通信網(wǎng)絡(luò)和建立自己的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)與操控指令的傳輸，此過程中系統(tǒng)采用通用的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議主要包括：（1）傳輸控制協(xié)議TCP（RFC793）；（2）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IP（RCF791）；（3）用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 UDP（RFC768）；（4）X.25網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)際協(xié)議 IP-X.25（RFC877）；（5）IEEE802網(wǎng)際協(xié)議 IP-IEEE（RFC948）。

利用網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的保密性，通過制定特有的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)和運(yùn)用加密手段來保證。

1.3 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)是接入的所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的集中控制中心、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲中心、各區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)和過程的記錄中心。

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的核心設(shè)備是：數(shù)據(jù)服務(wù)器、備份數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、外圍設(shè)備、專用數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和冗余供電系統(tǒng)等；圍繞核心設(shè)備可以接入多個(gè)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，擴(kuò)展數(shù)據(jù)中心的工作能力[8]。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)鏈接，通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)獲取所有接入的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送運(yùn)行參數(shù)和控制指令。

運(yùn)行于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心的分布式超遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件，是整套安全監(jiān)控設(shè)備的操作系統(tǒng)軟件，其主要任務(wù)是：（1）對計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心的所有設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行管理；（2）對接入的所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運(yùn)行管理；（3）接收各個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場的運(yùn)算成果數(shù)據(jù)；（4）支持人機(jī)對話，按照操作人員的意志對數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)運(yùn)行過程進(jìn)行管理和控制；（5）長期有序存儲海量安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、分析成果數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)；（6）依照提前設(shè)定的應(yīng)對措施，自動對安全監(jiān)測分析成果數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，并向相關(guān)單位、人員發(fā)布預(yù)警信息，操控現(xiàn)場相關(guān)設(shè)備；

作為安全監(jiān)測責(zé)任人員的系統(tǒng)操作平臺，特別是在危急情況下，直接發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令和設(shè)備操控指令，采集有關(guān)現(xiàn)場的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行深入再分析，根據(jù)需要，遠(yuǎn)程操控現(xiàn)場設(shè)備避災(zāi)減害；（1）對遠(yuǎn)程客戶進(jìn)行管理，進(jìn)行登錄身份權(quán)限識別，提供安全監(jiān)測數(shù)據(jù)系統(tǒng)接入服務(wù)；（2）系統(tǒng)軟件支持多用戶遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)庫，對安全監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、分析和下載；（3）系統(tǒng)支持多用戶遠(yuǎn)程訪問系統(tǒng)操作平臺，完成數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場設(shè)備的操控。

2 研發(fā)和取得的成果

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件電路研發(fā)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)硬件電路是網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)構(gòu)件，也是網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)優(yōu)異功能的載體，因此也是核心研發(fā)內(nèi)容。此項(xiàng)研發(fā)的基本要求是：體積小、能耗低、功能強(qiáng)、可靠性高、保密性好、造價(jià)低，需適合在各種苛刻環(huán)境下使用。

（2）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式操作系統(tǒng)的研發(fā)

嵌入式操作系統(tǒng)的研發(fā)涉及了多項(xiàng)高新技術(shù)，主要是：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自組織技術(shù)、各節(jié)點(diǎn)之間的通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)跳轉(zhuǎn)通信的路由的優(yōu)選技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信的保密技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)和外部設(shè)備的鏈接技術(shù)等。

（3）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動組網(wǎng)算法的研發(fā)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布設(shè)時(shí)，自組織網(wǎng)絡(luò)需要依靠數(shù)學(xué)模型運(yùn)算確定網(wǎng)絡(luò)最佳結(jié)構(gòu)和各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸路由，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能化自組織功能，這是自組織網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)。自動組網(wǎng)算法的研發(fā)涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)邏輯問題，是本系統(tǒng)研發(fā)的重要內(nèi)容。

（4）計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心的分布式超遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)軟件的研發(fā)

安全遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)軟件是本系統(tǒng)的核心軟件，涉及數(shù)據(jù)采集傳輸管理、數(shù)據(jù)分析利用管理、數(shù)據(jù)庫管理、客戶群管理、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理、安全監(jiān)測的預(yù)警和防災(zāi)減害措施管理等等。該系統(tǒng)軟件的研發(fā)是分布式超遠(yuǎn)程安全監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵工作。

3 結(jié)語

隨著在基本建設(shè)中對建設(shè)質(zhì)量和安全要求的不斷提高，市場對高端的安全監(jiān)測設(shè)施和設(shè)備的要求越來越普遍。在巖土工程安全監(jiān)測領(lǐng)域，目前基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全監(jiān)測系統(tǒng)的研究還處于啟蒙時(shí)期，特別是基于無線自組網(wǎng)的巖土工程安全遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)還是空白。本項(xiàng)目的成功研發(fā)，一方面可以在多個(gè)行業(yè)中應(yīng)用，另一方面價(jià)格競爭力強(qiáng)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性佳、自動化程度高，可填補(bǔ)工程界在高危路段無法實(shí)現(xiàn)長期實(shí)時(shí)監(jiān)控的空白，因此極具市場競爭力，市場前景可觀。

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