一种隧道环境远程监测预警系统及方法

1.一种隧道环境远程监测预警系统，其特征在于，包括无线传感网络(1)、嵌入式网关(2)、嵌入式网络控制系统(3)和隧道环境监测中心(4)，无线传感网络(1)接入嵌入式网关(2)，嵌入式网关(2)数据发至公网，嵌入式网络控制系统(3)获取公网数据信息将数据发送至隧道环境监测中心(4)，所述无线传感网络(1)包括位于待测点的无线传感网数据采集节点，所述无线传感网数据采集节点为路由器节点和终端节点，所述无线传感网数据采集节点通过协调器节点接入嵌入式网关(2)；
所述嵌入式网关(2)采用的是基于ARM的嵌入式系统；
所述嵌入式网络控制系统(3)采用的是基于ARM的嵌入式系统；
所述嵌入式网关连接的3G通讯模块与嵌入式网络控制系统中的3G通讯模块进行点对点通讯；
所述无线传感网络数据采集节点由采集板JN5148-001-M04和基于JENET技术的JN5148无线高功芯片组成；
所述的隧道环境远程监测预警系统的监测方法，包括如下步骤：
1)由无线传感网络数据采集节点对隧道中待测点处的环境参数实时监测；
2)由无线传感网络数据采集节点将采集到的环境参数发送至协调器节点，协调器节点再将数据传送至嵌入式网关(2)；
3)与嵌入式网关(2)连接的3G通讯模块通过RS232数据通讯将数据发至公网；
4)嵌入式网络控制系统(3)通过3G通讯模块获取公网环境数据信息，并将收集到的数据存储在嵌入式网络控制系统(3)的数据库中；
5)嵌入式网络控制系统(3)定时刷新进入数据库中的环境参数；隧道环境检测人员通过远程PC监测终端进入隧道环境监测系统，通过调用数据库中的数据，对隧道环境进行实时监测；
步骤3中协调器节点对环境参数发送至嵌入式网关(2)后进行数据融合；
步骤5中嵌入式网络控制系统(3)不断刷新一段时间内进入数据库的环境参数，是环境参数与预先设定的各类参数阈值进行比较，若超过阈值则判定为异常，嵌入式网络控制系统(3)将异常信息发送至远程检测中心(4)的蜂鸣器发出报警信号；
所述环境参数包括温湿度、CO、CO2、臭氧、氮氧化物、SiO2粉尘浓度；
所述定时刷新时间为十分钟。

一种隧道环境远程监测预警系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于隧道环境监测及无线通信领域，涉及一种隧道环境远程监测预警系统及方法，具体地说，涉及一种基于无线传感网络的隧道环境远程监测预警系统及方法。\n背景技术\n[0002] 目前，我国隧道建设速度迅猛，高海拔地区需建隧道工程。隧道开通运营后，人工监测监控难度很大，操作十分不便和困难。隧道投资达数十亿元，属国家重要基础设施，维护其安全是十分重要和必要，为此，隧道应实行自动监测监控，确保隧道安全和列车运行。\n[0003] 隧道是一个相对封闭的空间，当车辆穿越隧道时，所产生的有害气体滞留其中，给车辆驾驶及乘务人员、旅客及隧道养护等作业人员的健康造成损害，同时影响行车安全。随着车辆更新换代以及车速的提高，隧道环境空气质量虽然也不断得到改善，但采取必要的措施仍是防止隧道环境空气质量恶化的主要手段。隧道污染物除因地质环境产生-诸如瓦斯、放射性物质外，其它的污染物都是人类活动所产生或带入。进入隧道的各种车辆会产生污染。铁路隧道类因机车采用电力牵引，污染物主要为货车、客车发电车及轨道车工作或穿越时排放出的尾气。柴油是动车组及发电车、轨道车做功的基础燃料，其成分主要是碳氢化合物即烷、烃类混合物。餐车、茶水炉燃煤产生的污染物。其他污染物主要有：电力机车运行时受电弓与牵引供电接触网(27.5千伏)摩擦瞬间产生高压电弧火花，产生的臭氧(O3)；\n隧道岩体辐射出的氡等放射性物质；SO2、NOx、CxHy(化合物)、O3及水雾等混合经摩擦高压火花照射，产生反应形成的烟雾，列车运动产生的浮尘及漂浮物。旅客列车产生的排放物。货物列车散落的危险有害物，如煤粉等。公路隧道内的各种汽车尾气污染物等。\n[0004] 目前隧道环境监测存在的主要问题：一是缺乏一种足够细致的监控系统。二是监控系统的智能化和网络化程度不高。目前隧道监控系统中的传感器是以有线的方式采集环境信息，采集点的数量和位置都是固定不变或者采用人工巡检的模式，要得到隧道指定点的环境数据是不太现实的，而且有线方式的现场布线难度大、成本比较高，并且信号线老化后系统的误报率、故障率都比较高。\n发明内容\n[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种隧道环境远程监测预警系统及方法，本发明克服了以往的隧道环境人工监测存在的问题：一是通过无线传感网数据采集节点实现对隧道任意监测点的感知覆盖。二是数据采集节点的处理能力和无线通信能力实现了隧道环境监测系统的智能化和网络化，同时将无线传感网络经过嵌入式网关与3G通讯模块相连提高了隧道环境参数的监测范围并提高了信息的实时性。\n[0006] 其技术方案如下：\n[0007] 一种隧道环境远程监测预警系统，包括无线传感网络1、嵌入式网关2、嵌入式网络控制系统3和隧道环境监测中心4，无线传感网络1接入嵌入式网关2，嵌入式网关2数据发至公网，嵌入式网络控制系统3获取公网数据信息将数据发送至隧道环境监测中心4，所述无线传感网络1包括位于待测点的无线传感网数据采集节点，所述无线传感网数据采集节点包括路由器节点和终端节点，所述无线传感网数据采集节点通过协调器节点接入嵌入式网关2。\n[0008] 所述嵌入式网关2采用的是基于ARM的嵌入式系统。\n[0009] 所述嵌入式网络控制系统3采用的是基于ARM的嵌入式系统。\n[0010] 所述嵌入式网关连接的3G通讯模块与嵌入式网络控制系统中的3G通讯模块进行点对点通讯。\n[0011] 所述无线传感网络数据采集节点由采集板JN5148-001-M04和基于JENET技术的JN5148无线高功芯片组成。\n[0012] 一种隧道环境远程监测预警系统的监测方法，包括如下步骤：\n[0013] 1)由无线传感网络数据采集节点对隧道中待测点处的环境参数实时监测；\n[0014] 2)由无线传感网络数据采集节点将采集到的环境参数发送至协调器节点，协调器节点再将数据传送至嵌入式网关2；\n[0015] 3)与嵌入式网关2连接的3G通讯模块通过RS232数据通讯将数据发至公网；\n[0016] 4)嵌入式网络控制系统3通过3G通讯模块获取公网环境数据信息，并将收集到的数据存储在嵌入式网络控制系统3的数据库中；\n[0017] 5)嵌入式网络控制系统3定时刷新进入数据库中的环境参数；隧道环境检测人员通过远程PC监测终端进入隧道环境监测系统，通过调用数据库中的数据，对隧道环境进行实时监测。\n[0018] 步骤3)中协调器节点对环境参数发送至嵌入式网关2后进行数据融合。\n[0019] 步骤5)中嵌入式网络控制系统3不断刷新一段时间内进入数据库的环境参数，是环境参数与预先设定的各类参数阈值进行比较，若超过阈值则判定为异常，嵌入式网络控制系统3将异常信息发送至远程检测中心4的蜂鸣器发出报警信号。\n[0020] 所述环境参数包括温湿度、CO、CO2、臭氧、氮氧化物、SiO2粉尘浓度。\n[0021] 所述定时刷新时间为十分钟。\n[0022] 本发明的有益效果：\n[0023] 本发明的隧道环境远程监测预警系统采用无线传感网络和3G网络远程监测相结合的体系结构，实现网络化远程在线监测；\n[0024] 本发明的技术方案采用了无线通讯方式构建隧道环境的实时监测和智能预警系统，较好客地服了人工方式现场工作量大和无法保证数据实时有效性的缺点；\n[0025] 本发明隧道环境远程监测预警系统的监测方法有效地解决了有线方式在现场布线难度和成本较高且信号线老化后系统的误报警率、故障率不断上升的缺点。\n附图说明\n[0026] 图1是本发明中所述检测系统的结构示意图；\n[0027] 图2是本发明中协调器节点功能流程图；\n[0028] 图3是本发明中无线传感网络数据采集节点数据融合结构图；\n[0029] 图4是本发明中嵌入式网关功能流程图；\n[0030] 图5是本发明中嵌入式网络控制系统识别异常数据发送报警信号流程图。\n具体实施方式\n[0031] 下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。\n[0032] 如图1所示，本发明中隧道环境监测预警系统包括以下几个部分：包括无线传感网络1、嵌入式网关2、嵌入式网络控制系统3、隧道检测中心4。\n[0033] 整个系统结构及功能如下所述：无线传感网数据采集节点通过自身连接的传感器采集隧道环境信息，节点包括终端节点111、112、113、121、122、123、131、132、133、141、142、\n143和路由器节点11、12、13、14，每个节点将采集好的环境数据信息经过局部融合采用最小跳数的路由协议发送至协调器，协调器再对一段时间内该区域所有的无线传感网络采集节点采集到环境数据通过RS232发送至嵌入式网关2并将收集到的数据存储至SD卡中，然后将接收到的数据进行全局融合处理并通过3G通讯模块发送至公网。嵌入式网络控制系统3将发送公网的数据通过3G通讯模块进行点对点通讯获取，收集到环境数据信息存储至嵌入式网络控制系统3的数据库中，嵌入式网络控制系统3每隔一段时间刷新进入数据库中的环境参数。环境检测人员通过远程PC监测终端软件或智能手机客户端进入隧道环境检测系统，通过调用数据库中的数据，就可以对隧道环境进行实时监测。同时嵌入式网络控制系统3的监控程序会不断扫描最近一分钟内进入数据库的环境数据，若有数据超过管理员设定的阈值则判定为异常，则嵌入式网络控制系统3将异常信息发送至远程检测中心4的蜂鸣器41发出报警信号，从而实现预警的功能。\n[0034] 如图2所示，流程图描述了协调器节点和无线传感网络数据采集节点(终端节点终端节点111、112、113、121、122、123、131、132、133、141、142、143，路由器节点11、12、13、\n14)形成MESH网络拓扑的方法。为了降低数据采集节点功耗，因此协调器节点任务由接受数据包事件驱动。其步骤如下：\n[0035] 1.任务进入等待状态，等待接受数据包事件的发生；\n[0036] 2.当接收到一个无线数据包时，程序结束等待状态，进入执行状态；\n[0037] 3.判断是否是路由器节点发送的数据包，如果是路由器节点发送的数据包那么执行步骤4，否则进入步骤8；\n[0038] 4.提取数据包中的跳数字段；\n[0039] 5.路由器节点查看自己距离协调器节点的跳数是否仍然为空，若为空那么执行步骤6，否则进入步骤7；\n[0040] 6.将提取的数据包中的跳数字段加1变为自己的跳数，进入步骤10；\n[0041] 7.将提取的数据包中的跳数字段加1后看是否小于自己距离协调器节点的跳数，如果小于那么进入步骤6，否则进入步骤10；\n[0042] 8.判断是否是同一个网络数据采集节点发送的数据包，如果是进入步骤9，否则进入步骤10；\n[0043] 9.将数据采集节点数据进行融合处理，进入步骤10；\n[0044] 10.回到任务的等待状态。\n[0045] 如图3所示，结构图描绘了无线传感网络数据采集节点(路由器节点、终端节点)之间的数据融合。\n[0046] 本发明运用具有反馈的分布卡尔曼滤波信息融合，对检测对象进行数据融合。首先对每个数据采集节点进行局部卡尔马路边信息融合，然后将各自的局部估计结果发送采用最小跳数的路由协议发送至协调器节点，协调器节点对该区域所有的无线传感网络采集节点采集到环境数据通过RS232发送至嵌入式网关2进行全局融合处理。由于增加了反馈环节，使得无线传感网络不同设备具有双工通讯联系，不仅低层融合信息向高层传递，高层信息也参与低层节点处理，各采集节点之间具有了一种层间的联系。经过融合处理后可以使融合精度高于单个传感器精度，而且数据的传输量大大降低，从而降低了信息的传输量，减轻网络冲突和拥塞。\n[0047] 如图5所示，流程图描述了嵌入式网络控制系统3识别异常数据并发送预警信号的方法包括如下步骤：\n[0048] 1.嵌入式网络控制系统3初始化内部的定时器；\n[0049] 2.查看定时器是否计时到十分钟，若到时进入步骤3，否则进入不好走5；\n[0050] 3.查看嵌入式网络控制系统3数据库中存储的近十分钟内的数据，是否有数据超过阈值，若有数据超过阈值进入步骤4，否则进入步骤5；\n[0051] 4.嵌入式网络控制系统3将异常信息发送至远程检测中心4的蜂鸣器工作，发出报警信号；\n[0052] 5.定时器重新计时。\n[0053] 以上所述，仅为本发明最佳实施方式，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。