雷 旭，李 陽(yáng)，李思慧

（長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安710064）

0 引 言

隧道路段是一個(gè)相對(duì)封閉的特殊路段，由于其車速高、流量大、光線較差、空氣質(zhì)量低、環(huán)境噪聲大，比一般路段發(fā)生交通事故的幾率高［1］。而長(zhǎng)大隧道迂回空間有限，一旦發(fā)生事故，處理困難，導(dǎo)致交通長(zhǎng)時(shí)間中斷，且可能引起火災(zāi)，從而造成災(zāi)難性的后果［2］。為了有效改善隧道洞內(nèi)環(huán)境、保證其運(yùn)營(yíng)安全、預(yù)防火災(zāi)和交通事故，為突發(fā)事件提供保障條件，需要建設(shè)長(zhǎng)大隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)長(zhǎng)大隧道環(huán)境的監(jiān)測(cè)一般依托于隧道監(jiān)控系統(tǒng)，從傳感器的布設(shè)、信息的采集、數(shù)據(jù)的傳輸和處理等各方面看，其發(fā)揮的作用都很弱，不能真實(shí)有效的反應(yīng)長(zhǎng)大隧道內(nèi)環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化信息；另一方面，所依托的隧道監(jiān)控系統(tǒng)基本以PLC為核心控制設(shè)備，當(dāng)需要廣泛布設(shè)采集點(diǎn)時(shí)，會(huì)增加PLC的接入點(diǎn)需求，從而增加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和施工成本，造成性能過(guò)剩［3］。針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息傳輸技術(shù)，提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)大隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)在長(zhǎng)大隧道內(nèi)架設(shè)多個(gè)低成本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道內(nèi)三類信息的實(shí)時(shí)采集：①行車安全信息，這些信息關(guān)系到隧道內(nèi)車輛的行駛安全，如照度、能見(jiàn)度等；②人身安全信息，這些數(shù)據(jù)的正常與否影響隧道內(nèi)駕乘人員的身體安全，如CO濃度、NO2濃度、煙霧濃度等；③運(yùn)營(yíng)安全信息，如風(fēng)速、風(fēng)向等的自然環(huán)境信息關(guān)系到隧道機(jī)電設(shè)備的運(yùn)營(yíng)和控制。系統(tǒng)包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)服務(wù)中心系統(tǒng)兩部分。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)大隧道環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由智能傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成［4］，傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)大隧道內(nèi)各種環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)；路由節(jié)點(diǎn)作為中間路由器，完成對(duì)某些分布較遠(yuǎn)的傳感器數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；匯聚節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器，完成信息數(shù)據(jù)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，接入隧道光纖通信線路向監(jiān)控中心傳輸數(shù)據(jù)。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)采用電池供電，根據(jù)功能可以在隧道任意位置布設(shè)；匯聚節(jié)點(diǎn)采用固定電源供電，隨機(jī)電系統(tǒng)安裝在配電柜內(nèi)。

數(shù)據(jù)服務(wù)中心實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理和實(shí)時(shí)顯示，提供數(shù)據(jù)異常處理策略并與其他機(jī)電系統(tǒng)通信。系統(tǒng)軟件采用B／S模式，客戶端通過(guò)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器對(duì)隧道各個(gè)布設(shè)點(diǎn)的環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)控，出現(xiàn)違反策略的異常時(shí)通過(guò)電話、短信、郵件等方式自動(dòng)向管理員報(bào)警。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

由于長(zhǎng)大隧道的長(zhǎng)度很長(zhǎng)，為保證行車安全、人身安全和運(yùn)營(yíng)安全，需要對(duì)其環(huán)境信息全面、及時(shí)和有效的監(jiān)測(cè)。在這樣的需求背景下，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在隧道內(nèi)廣泛布設(shè)低成本的傳感器智能節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)若干個(gè)自組網(wǎng)的傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。然而，由于各節(jié)點(diǎn)初始能量和能量耗散速度不盡相同，各種被測(cè)信息數(shù)據(jù)處理也不盡相同，導(dǎo)致無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的異構(gòu)特性，影響無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的效果。

系統(tǒng)采用基于簇的能量高效路由算法，以均衡網(wǎng)絡(luò)能耗［5］。算法運(yùn)行的流程圖如圖2所示。將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為簇首和普通節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而將網(wǎng)絡(luò)劃分為以簇首為中心的多個(gè)簇。簇成員節(jié)點(diǎn)采集到的信息并不直接發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，而是首先發(fā)送給自己的簇首，簇首將簇內(nèi)所有成員的信息融合后再發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。簇首的選舉依據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和鄰節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，優(yōu)先選取剩余能量多和鄰節(jié)點(diǎn)多的節(jié)點(diǎn)作為簇首。簇首并不直接將信息傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，而是依據(jù)各簇首間的距離和簇首的剩余能量，尋找各簇首到匯聚節(jié)點(diǎn)最小能耗系數(shù)的路由。普通節(jié)點(diǎn)加入簇的算法，依據(jù)其到簇首的距離和簇首轉(zhuǎn)發(fā)消息的能耗系數(shù)，選擇綜合能耗成本最小的簇加入。

圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建算法流程

分簇完成后，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始數(shù)據(jù)采集和傳輸過(guò)程。數(shù)據(jù)傳輸分為簇內(nèi)傳輸和簇間傳輸。簇內(nèi)傳輸過(guò)程中，非簇首節(jié)點(diǎn)采用一跳的傳輸方式直接將采集到的信息以最小功率發(fā)送至簇首。為了最大程度節(jié)約能量，簇首為每個(gè)成員分配一個(gè)時(shí)間槽，當(dāng)且僅當(dāng)簇成員節(jié)點(diǎn)在自己的時(shí)間槽內(nèi)才啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集和傳輸，否則進(jìn)入睡眠狀態(tài)。簇間的傳輸過(guò)程中，簇首將簇內(nèi)信息融合后傳輸給下一跳節(jié)點(diǎn)，下一跳節(jié)點(diǎn)再對(duì)信息融合傳輸至下一跳節(jié)點(diǎn)，如此接力直至匯聚節(jié)點(diǎn)。

2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的作用取決于所在網(wǎng)絡(luò)某一時(shí)段的路由算法，其功能根據(jù)所監(jiān)測(cè)的信息不同而不同。但是各節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件的設(shè)計(jì)原理是相同的。設(shè)計(jì)一般分為數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理與傳輸單元和供電單元3個(gè)部分［6］，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集單元包含傳感器和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，傳感器將感知的環(huán)境信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路變換成各種接口標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，傳送給數(shù)據(jù)處理與傳輸單元。例如，照度傳感器選用Rohm公司BH1721FVC，可以檢測(cè)0～65528lx的照度并轉(zhuǎn)換成I2C總線形式數(shù)據(jù)；CO傳感器選用FIGARO公司的TGS－5042，可以檢測(cè)0～10000ppm的CO含量并轉(zhuǎn)換成0～24μA的電流信號(hào)；風(fēng)速傳感器選用LVFSC－12，可以檢測(cè)0～70m／s的風(fēng)速并轉(zhuǎn)換成RS485形式的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理與傳輸單元是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件核心，采用意法半導(dǎo)體 （簡(jiǎn)稱ST）公司的STM32W108無(wú)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(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz收發(fā)器，是專門用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的片上系統(tǒng)［7］。利用芯片集成的I2C、SPI和UART等數(shù)字信號(hào)接口，可以連接各種數(shù)字信號(hào)形式的傳感器和外部設(shè)備；芯片還集成了12bit高精度ADC，與信號(hào)調(diào)理電路組成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的AI通道，連接各種模擬信號(hào)形式的傳感器。芯片還具備功率放大器和電源管理功能，節(jié)約了系統(tǒng)的尺寸，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行功耗。選用超低功耗的鐵電存儲(chǔ)器存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)脫機(jī)數(shù)據(jù)和配置信息。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，起信息收集的作用，要求硬件系統(tǒng)應(yīng)具備盡可能低的功耗性能以延長(zhǎng)其節(jié)點(diǎn)壽命。根據(jù)其硬件系統(tǒng)各組成部分的功能分塊設(shè)計(jì)供電單元，對(duì)功耗較大的芯片單獨(dú)選取電源管理芯片供電。獨(dú)立的供電單元均由STM32W108的GPIO引腳控制，僅當(dāng)需要該部分電路工作時(shí)，才由處理器控制接通電源。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件基于ST公司提供的Ember ZigBee Pro協(xié)議棧，結(jié)合基于簇的能量高效路由算法進(jìn)行改進(jìn)；設(shè)計(jì)軟件開(kāi)關(guān)機(jī)策略，對(duì)RTC進(jìn)行管理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定時(shí)喚醒；設(shè)計(jì)文件塊 （FileBlock），有效組織外接串行Flash存儲(chǔ)空間。

2.3 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)連接無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和隧道光纖通信網(wǎng)絡(luò)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，匯聚節(jié)點(diǎn)是所有節(jié)點(diǎn)信息匯聚的終點(diǎn)，同時(shí)還承擔(dān)組網(wǎng)和路由等任務(wù)［8］；在光纖網(wǎng)絡(luò)中，匯聚節(jié)點(diǎn)是信息終端，將數(shù)據(jù)整理上傳，同時(shí)還接收監(jiān)控中心命令執(zhí)行遠(yuǎn)程操作。因此匯聚節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)上重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性和可靠性。設(shè)計(jì)分為ZigBee通信單元、核心處理單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元。

ZigBee通信單元的設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理與傳輸單元一致，其作用是為匯聚節(jié)點(diǎn)提供與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的接口，接收經(jīng)過(guò)路由轉(zhuǎn)發(fā)的各節(jié)點(diǎn)上傳的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)［9，10］。

核心處理單元采用ST公司的STM32F107VX網(wǎng)絡(luò)控制器構(gòu)建最小系統(tǒng)，芯片內(nèi)部集成256KB的Flash和64KB的RAM，一個(gè)硬件支持IEEE1588精確時(shí)間協(xié)議的以太網(wǎng)MAC （media access controller）接口和5個(gè) UART 接口等其他通用外設(shè)。因此，只需一塊芯片就能設(shè)計(jì)整合所有接口實(shí)現(xiàn)核心處理單元的功能。此外，為了使匯聚節(jié)點(diǎn)具備脫機(jī)存儲(chǔ)能力，設(shè)計(jì)了SD卡擴(kuò)展電路。

網(wǎng)絡(luò)接口單元的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的外部擴(kuò)展PHY（physical interface device）連 接 物 理 層 網(wǎng) 絡(luò)［11］。 選 用 美 國(guó)國(guó)家半導(dǎo)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(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MII（media－independent interface）接 口 和 UART （universal asynchronous receiver／transmitter）與網(wǎng)絡(luò)接口單元和ZigBee通信單元相接，如圖4所示。

圖4 匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

匯聚節(jié)點(diǎn)軟件應(yīng)用ARM公司的RL－ARM中間組件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)實(shí)時(shí)處理、網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用層程序和大容量文件系 統(tǒng)。硬 件 接 口 芯 片 （PHY）DP83848和STM32F107VC內(nèi)部集成的網(wǎng)絡(luò)控制器 （MAC）分別實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，通過(guò)RL－ARM中間組件系統(tǒng)提供的TCP／IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了傳輸層的TCP、UDP通信協(xié)議以及 HTTP （hypertext transfer protocol）服務(wù)；通過(guò)RL－RTX實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)的實(shí)時(shí)運(yùn)行與任務(wù)間通信；利用RL－ARM中間組件系統(tǒng)提供的文件系統(tǒng)模塊，建立SD卡文件系統(tǒng)，兼容Fat32格式文件，支持TFTP服務(wù)對(duì)文件的存取，可以將網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)的數(shù)據(jù)以文件格式保存，供網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)或由操作員現(xiàn)場(chǎng)讀取。

信息的上傳基于TCP／IP協(xié)議，其中匯聚節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)和報(bào)警狀態(tài)為了保證傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，采用面向連接的TCP傳輸協(xié)議；監(jiān)控中心向匯聚節(jié)點(diǎn)的查詢命令為了保證傳輸效率，采用簡(jiǎn)單、輕量級(jí)的UDP傳輸協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)置有效保證了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)的使用效率之間的平衡，降低了主干網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。另外，針對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)在隧道內(nèi)布設(shè)分散、無(wú)人值守的特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)了基于WebServer的遠(yuǎn)程配置服務(wù)，管理員可以直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)使用Web瀏覽器遠(yuǎn)程訪問(wèn)各個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，遠(yuǎn)程配置系統(tǒng)參數(shù)并監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信的軟件實(shí)現(xiàn)依托RL－ARM中間件系統(tǒng)提供的Sockets底層庫(kù)，基于傳輸層協(xié)議TCP和UDP，實(shí)現(xiàn)自定義網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀通信協(xié)議的發(fā)送和接收。

3 數(shù)據(jù)服務(wù)中心系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

系統(tǒng)軟件采用三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：通信服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)和策略服務(wù)［12］。系統(tǒng)軟件是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，完成配置管理、用戶管理、監(jiān)測(cè)信息的分析和處理、歷史信息的存儲(chǔ)和查詢、報(bào)表打印、實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。這樣的架構(gòu)設(shè)計(jì)在部署方式上具備較高的靈活性，使系統(tǒng)可以充分適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用的需求。軟件層次結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)

3.2 通信服務(wù)設(shè)計(jì)

通信服務(wù)負(fù)責(zé)收集報(bào)警信息與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。由于系統(tǒng)底層終端數(shù)量龐大，且實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)量大，要求通信服務(wù)程序具備足夠的并發(fā)處理能力，以保證數(shù)據(jù)接收與處理的可靠性。

通信服務(wù)由匯聚節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)線程、服務(wù)中心指令處理線程和系統(tǒng)同步處理線程組成。3個(gè)線程獨(dú)立運(yùn)行，可以提高系統(tǒng)的并行處理能力。遠(yuǎn)程信息終端監(jiān)聽(tīng)線程完成對(duì)遠(yuǎn)程信息終端系統(tǒng)的信息 （包括報(bào)警信息和通道信息）監(jiān)聽(tīng)、接收和比對(duì)，經(jīng)過(guò)分析后確定是否需要報(bào)送到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)程序；服務(wù)中心指令處理線程根據(jù)策略服務(wù)程序發(fā)送的指令完成添加、刪除、報(bào)警配置信息修改等操作；系統(tǒng)同步處理線程用于保持通信服務(wù)程序與其他服務(wù)器系統(tǒng)信息的同步。

遠(yuǎn)程信息終端報(bào)警信息和通道信息通過(guò)各自不同的端口與通信服務(wù)進(jìn)行通信，從而保證了系統(tǒng)報(bào)警信息的獨(dú)立通信通道，使報(bào)警狀態(tài)迅速上傳到策略服務(wù)并及時(shí)發(fā)布報(bào)警信息。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用MySQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件。在整個(gè)軟件系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)程序起著核心的作用，各服務(wù)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)均依賴于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)程序的穩(wěn)定運(yùn)行。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器完成通信服務(wù)和策略服務(wù)有關(guān)的實(shí)時(shí)信息存儲(chǔ)、修改和查詢等功能，通信服務(wù)器和策略服務(wù)器之間的信息交互都是以數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)為橋梁來(lái)完成。

系統(tǒng)運(yùn)行后，來(lái)自于通信服務(wù)和策略服務(wù)的信息數(shù)據(jù)量較大，因此要求數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)程序具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)分為兩部分：通信指令數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)過(guò)程和系統(tǒng)同步處理線程。通信指令數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)過(guò)程依托MySQL，根據(jù)策略服務(wù)程序和通信服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)操作的需求，設(shè)計(jì)若干添加、刪除、修改和查詢等操作的存儲(chǔ)過(guò)程；系統(tǒng)同步處理線程用于保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)程序與其他服務(wù)器系統(tǒng)信息的同步。

3.4 策略服務(wù)設(shè)計(jì)

策略服務(wù)提供基于瀏覽器訪問(wèn)的軟件界面，用戶可以使用瀏覽器對(duì)系統(tǒng)各信息采集點(diǎn)執(zhí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)置以及配置等操作。策略服務(wù)程序分為監(jiān)控服務(wù)主進(jìn)程和Web服務(wù)進(jìn)程，采用Sockets技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信。

監(jiān)控服務(wù)主進(jìn)程劃分為客戶機(jī)／數(shù)據(jù)庫(kù)信息處理線程和系統(tǒng)信息同步處理線程。監(jiān)控服務(wù)主進(jìn)程創(chuàng)建共享內(nèi)存表，用于存儲(chǔ)頻繁使用的數(shù)據(jù)，從而緩解多用戶同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的擁堵。同時(shí)，該進(jìn)程還用來(lái)處理數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)發(fā)送過(guò)來(lái)的狀態(tài)信息和各個(gè)客戶端的操作請(qǐng)求，根據(jù)用戶的配置采用短信、郵件或語(yǔ)音方式及時(shí)向管理者發(fā)送報(bào)警信息和系統(tǒng)故障信息。監(jiān)控服務(wù)主進(jìn)程使用多線程技術(shù)，不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)客戶并發(fā)操作的支持，也實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的截取和數(shù)據(jù)處理的并發(fā)操作。這一方面提高了系統(tǒng)的資源利用率，也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和交互性的必然要求。

Web服務(wù)進(jìn)程運(yùn)用ASP.NET技術(shù)采用B／S模式設(shè)計(jì)，用于為遠(yuǎn)程用戶提供基于瀏覽器訪問(wèn)的界面，如圖6所示。Web服務(wù)由4個(gè)模塊構(gòu)成，分別是：隧道環(huán)境、監(jiān)控管理、系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)分析。其中，隧道環(huán)境實(shí)現(xiàn)直觀顯示長(zhǎng)大隧道內(nèi)各節(jié)點(diǎn)環(huán)境信息的狀態(tài)、設(shè)備的地理分布等信息，運(yùn)用JavaScript腳本語(yǔ)言以及Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境信息的實(shí)時(shí)顯示，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；監(jiān)控管理實(shí)現(xiàn)對(duì)各節(jié)點(diǎn)的報(bào)警規(guī)則、報(bào)警用戶等信息的配置；系統(tǒng)管理模塊實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)設(shè)置等功能；數(shù)據(jù)分析模塊提供歷史環(huán)境信息的分類查詢、統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析等功能。

圖6 系統(tǒng)軟件界面

4 結(jié)束語(yǔ)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的獨(dú)立于傳統(tǒng)隧道機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以有效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)環(huán)境信息，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安裝布設(shè)方便。監(jiān)控中心軟件基于分層設(shè)計(jì)思想，部署方式靈活；運(yùn)用ASP.NET技術(shù)構(gòu)建B／S模式軟件，監(jiān)控界面數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新，具有高可靠性和安全性。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)軟件等功能達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。系統(tǒng)為長(zhǎng)大隧道環(huán)境動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)獲取提供了有效手段，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，具有成本低廉、安裝方便、易于維護(hù)的特點(diǎn)，并且能夠加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)大隧道環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)力度，保證了長(zhǎng)大隧道的安全運(yùn)營(yíng)和高效管理。通過(guò)調(diào)整傳感器的選型，系統(tǒng)還可以適用于需要對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控的其他場(chǎng)合，具有一定的推廣意義。

［1］LIU Hongliang.Study on accident analysis and safety assessment of long high way tunnel ［D］.Changsha：Central South University，2009：2－11 （in Chinese）.［劉洪亮.長(zhǎng)大公路隧道運(yùn)營(yíng)事故分析及安全評(píng)價(jià)研究 ［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009：2－11.］

［2］MA Changxi，GUANG Xiaoping，QIAN Yongsheng.Study on long－h(huán)ighway－tunnel traffic safety ［J］.Journal of Catastrophology，2008，23 （1）：82－87 （in Chinese）.［馬昌喜，廣曉平，錢勇生.長(zhǎng)公路隧道交通安全研究 ［J］.災(zāi)害學(xué)，2008，23 （1）：82－87.］

［3］XU Mingwei.The study of long high way tunnel environment monitoring system based on ARM ［D］.Harbin：Northeast Forest University，2008：3－4 （in Chinese）.［徐明偉.基于 ARM 的長(zhǎng)大高速公路隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 ［D］.哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2008：3－4.］

［4］ZHOU Chunjie，HUANG Xiongfeng，QIN Yuanqing，et al.Design and implementation of tunnel construction supervisory system based on wireless sensor network ［J］.Computer Engineering and Design，2011，32 （7）：2501－2504 （in Chinese）. ［周純杰，黃雄峰，秦元慶，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)隧道施工監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32 （7）：2501－2504.］

［5］BAO Xu.Research on lifetime prolonging algorithms for wireless sensor networks ［D］.Xian：Changan University，2011：69－80（in Chinese）.［包旭.延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的相關(guān)算法研究 ［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011：69－80.］

［6］XU Kai，ZHANG Qiuju，LI Kexiu，et al.Design of monitoring and control system for aquaculture based on ZigBee technology ［J］.Application of Electronic Technique，2012，38 （4）：67－69 （in Chinese）.［徐凱，張秋菊，李克修，等.基于ZigBee的水產(chǎn)養(yǎng)殖無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38 （4）：67－69.］

［7］SHEN Jianhua，HAO Liping.The principle and application of STM32Wwireless ZigBee chip ［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，2010：22－24 （in Chinese）.［沈建華，郝立平.STM32W無(wú)線射頻ZigBee單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：22－24.］

［8］TANG Huiqiang，ZHUANG Anrong.Design of meteorological data collection and transmission system ［J］.Application of Electronic Technique，2011，37 （3）：82－85 （in Chinese）.［唐慧強(qiáng)，莊安榮.一種氣象數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2011，37 （3）：82－85.］

［9］GUO Xiangyong，LIU Hongli，ZHOU Ping，et al.Design of building energy consumption monitoring system based on ZigBee technology ［J］.Computer Measurement ＆ Control，2011，19（3）：551－553 （in Chinese）.［郭湘勇，劉宏立，周平，等.基于ZigBee技術(shù)的建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19 （3）：551－553.］

［10］WANG Wei，WANG Huakui.Factory security－defense system design based on WSN ［J］.Computer Measurement ＆ Control，2011，19 （3）：736－739 （in Chinese）.［王偉，王華奎.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工廠安防系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19 （3）：736－739.］

［11］LEI Xu，GUAN Limin，BAI Yunting.Design on remote intelligent terminal unit of industrial ethernet based on STM32［C］／／International Conference on Intelligent System and Applied Material.Switzerland：Trans Tech Publications，2012：1167－1171.

［12］WANG Guiping，JIA Erdong，GUAN Limin，et al.Remote monitoring system for unattended electromechanical equipment based on internet ［C］／／International Conference on Intelligent System and Applied Material.Switzerland：Trans Tech Publications，2012：1176－1180.