蒲玲玲 楊柳 劉恒 李帥

摘要：我國公路覆蓋面積廣闊，其中有很多公路隧道。截至2019年，我國公路隧道總長度達(dá)到18 966.6 km。在隧道健康問題的監(jiān)測方面，常采用傳感器自動監(jiān)測隧道健康信息;在數(shù)據(jù)傳輸方面采用有線傳輸時，有布線困難、會限制傳感器的布置范圍、電線使用壽命有限和能耗大等缺點，故采用無線通信的方法來避免這些缺點。在公路隧道無線通信系統(tǒng)中傳感器通常采用電池供電，使傳感器的布局范圍更加廣且布局更加自由?？紤]在隧道內(nèi)無線通信技術(shù)運用較廣泛的有ZigBee、WiFi和LoRa。文章基于這3種無線通信技術(shù)在公路隧道內(nèi)的通信方案做介紹和對比，對其節(jié)能性和可靠性做出簡述，并分析了現(xiàn)今公路隧道內(nèi)無線通信現(xiàn)狀，探討了公路隧道內(nèi)無線通信的不足和未來發(fā)展的展望。

[基金項目]軌道交通工程信息化國家重點實驗室（中鐵一院）開放基金項目（項目編號：SKLK18-05、SKLK18-06）;四川省科技計劃項目（項目編號：2020YFG0303、NO.2020YFH0111）;成都市科技項目（項目編號：2019-YF05-02657-SN）

[作者簡介]蒲玲玲（1998—），女，在讀碩士，研究方向為邊緣計算;劉恒（1983—），男，博士，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向為移動通信與工程信息化;李帥（1997—），男，在讀碩士，研究方向為大數(shù)據(jù)技術(shù)。

[通信作者]楊柳（1978—），女，博士，高級實驗師，碩士生導(dǎo)師，研究方向為移動通信與工程信息化。

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們對生活質(zhì)量要求越來越高，各地迅速城市化，使得交通發(fā)展迅速，公路建設(shè)規(guī)模也隨之?dāng)U大?，F(xiàn)今我國已經(jīng)是世界上公路發(fā)展最快，擁有公路隧道數(shù)量最多的國家[1-3]。由于隧道環(huán)境的特殊性，隧道健康問題成了公路運維的重要問題。引起隧道健康問題的因素有很多，如當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、地下積水情況、地面建筑物的開發(fā)以及隧道自身的負(fù)荷能力等。這些都將會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而影響到隧道的健康。對于那些變形嚴(yán)重或?qū)ψ冃伪O(jiān)測要求高的地段，如果不能對其進(jìn)行自動的、連續(xù)的、長期的變形監(jiān)測，則很難及時發(fā)現(xiàn)險情，將會對隧道安全造成嚴(yán)重的威脅[4]。隧道安全管理問題成為了公路和地鐵建設(shè)和運營管理單位關(guān)注的焦點[5]。

為了預(yù)防隧道內(nèi)危險事故發(fā)生，對隧道進(jìn)行定期的健康監(jiān)測是必要的。而引起隧道健康問題的原因多種多樣，故對隧道內(nèi)可能存在的健康問題的監(jiān)測也相對其他公路復(fù)雜且繁多。如果使用傳統(tǒng)的人工方法對隧道健康狀況進(jìn)行檢測，存在觀測周期過長、投入人力物力多、影響隧道內(nèi)車輛正常行駛等諸多問題。因為隧道健康問題是一個長期存在的問題，所以對隧道健康的監(jiān)測也具有長期性。采用傳感器自動監(jiān)測隧道的健康狀況可以避免人工檢測的缺點。傳感器采集到數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給收集采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送給管理員查看。處理后的數(shù)據(jù)可以直接判斷隧道的健康是否出了問題，是否需要維護(hù)，管理員可以查看反饋的內(nèi)容做出相應(yīng)反應(yīng)。

在將傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時，因為隧道內(nèi)有窄且障礙物較多的特點，常有積水等問題，若采用有線傳輸方式，存在布線復(fù)雜，會限制傳感器在隧道內(nèi)的布局，線路使用壽命短且耗電量大的問題，并且需要投資財力較多。故大多采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可有效的避免有線傳輸?shù)牟蛔?。將傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)用無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行傳輸，既可以節(jié)約電耗，也可以使傳感器的布局更加自由，防止監(jiān)測死角的出現(xiàn)。

本文就公路隧道內(nèi)運用較廣泛的無線通信方案進(jìn)行介紹和對比，并探討當(dāng)下無線通信的不足和對未來無線通信的展望。

1 公路隧道無線通信方案

現(xiàn)有的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)比較成熟的數(shù)據(jù)傳輸方案包括： WiFi、藍(lán)牙、ZigBee和LoRa等技術(shù)，各個無線通信方式適用于不同應(yīng)用場合，各種無線通信數(shù)據(jù)傳輸方案特性見表1。

在評判公路隧道內(nèi)通信技術(shù)的好壞時，低功耗和高穿透力是較重要的指標(biāo)。由表1可見，LoRa無線通信技術(shù)具有較其他3種無線通信技術(shù)都低的功耗和更強(qiáng)的穿透力。而WiFi的帶寬是其它3種通信技術(shù)遠(yuǎn)比不上的。WiFi、藍(lán)牙和ZigBee所處頻段均為2.4 GHz，而LoRa所處頻段為423～510 MHz，長期看來可以避免2.4 GHz頻段擁堵造成的數(shù)據(jù)傳輸延遲問題。藍(lán)牙有著距離近、功耗大、組網(wǎng)復(fù)雜、連接數(shù)受限制的天生弱點，已逐步被用戶廢棄[6]。

現(xiàn)如今隧道內(nèi)運用較廣泛的傳輸方案為ZigBee、WiFi和LoRa，故本文主要對基于ZigBee、WiFi和LoRa 3種通信技術(shù)設(shè)計做出介紹。

1.1 基于ZigBee的無線通信方法

1.1.1 ZigBee簡介

ZigBee的名字源于蜂群使用的賴以生存的通信方式，蜜蜂通過跳Zigzag形狀舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源位置、距離和方向。該技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。它通過采用休眠模式達(dá)到低功耗的效果。可嵌入各種設(shè)備，支持地理定位功能，具有喚醒時延短、通信時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、采用碰撞避免策略和AES-128的加密算法等特點。它工作在2.4 GHz的ISM頻段，傳輸速率20～250 kb/s，距離為10～75 m。主要用于工業(yè)控制、傳感和遠(yuǎn)程控制技術(shù)。它根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。

1.1.2 基于ZigBee的無線通信系統(tǒng)設(shè)計

使用ZigBee方式通信，功耗低且布設(shè)方便[7]。ZigBee通過串口與主控器連接，主控器上同時也連接著其它傳感器，傳感器監(jiān)測到信息后，將信息傳輸給主控器，主控器再傳輸給ZigBee進(jìn)行發(fā)送。當(dāng)功能較少時，主控芯片常用CC2530，功能較為龐大時，除了使用CC2530外還需添加其它主控芯片。使用ZigBee建立無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，通常需要3類節(jié)點，這3類節(jié)點包括：采集節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點[8]。此外還有一個匯聚節(jié)點。采集節(jié)點常為傳感器節(jié)點，主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù);路由節(jié)點負(fù)責(zé)收集傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給匯聚節(jié)點;匯聚節(jié)點再統(tǒng)一將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)管理中心;協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)管理整個網(wǎng)絡(luò)的信息。

潘國榮等[9]設(shè)計了一種對隧道內(nèi)機(jī)器人通信的系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計見圖1，此系統(tǒng)中ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即組建星狀的局域網(wǎng)。其中節(jié)點的類型包括中心節(jié)點，中繼節(jié)點和終端節(jié)點。計算機(jī)控制中心只需要和中心節(jié)點連接，從中心節(jié)點接收數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。隧道內(nèi)只有最后一個機(jī)器人與終端節(jié)點連接，其它都直接與中繼節(jié)點連接。機(jī)器人接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)均一路通過中繼節(jié)點到達(dá)中心節(jié)點。

ZigBee的星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各節(jié)點只能直接與中心節(jié)點通信。在該網(wǎng)絡(luò)中使用中繼器，可以使終端節(jié)點先將數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼節(jié)點，然后再將數(shù)據(jù)一起匯聚到中心節(jié)點，以此增大傳輸距離。但此種方法僅適用于較短的隧道，且中繼節(jié)點接入太多，不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)具有不穩(wěn)定性。

為更方便地管理隧道，將隧道內(nèi)監(jiān)測的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離的傳輸?shù)娇蛻舳耍缓蠊芾碚呖梢灾苯油ㄟ^手機(jī)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)并管理隧道內(nèi)終端的工作。曾熙鴻等[4]設(shè)計了一個遠(yuǎn)程地鐵隧道斷面監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由監(jiān)測點和云服務(wù)器監(jiān)控中心組成。監(jiān)測點以CC2530作為主控芯片。在數(shù)據(jù)傳輸方面采用ZigBee與GPRS相結(jié)合的無線傳輸方案，在隧道內(nèi)采用ZigBee通信技術(shù)作為近距離無線通信方式，在靠近地鐵站處連接GPRS網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)距離通信方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。傳感器采集到的數(shù)據(jù)先經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降罔F站處，再經(jīng)過協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)封裝為GPRS數(shù)據(jù)包，最后經(jīng)GPRS傳輸?shù)皆贫?，供讀取和存儲。

公路隧道內(nèi)一般會設(shè)有隧道照明系統(tǒng)，但是常會出現(xiàn)燈具損壞的問題，且出現(xiàn)燈具損壞后，很久才會有工作人員發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行更換。為解決燈具損壞不能及時更換的問題，可將燈具添加故障自動監(jiān)測和定位功能，實現(xiàn)自監(jiān)測，自定位。工作人員只需要收到信息后更換新的燈具即可。隧道照明消耗了很大一部分隧道內(nèi)電能源，故節(jié)約電能源也是改進(jìn)隧道照明的一個方向。周華妹等[10]設(shè)計了一個智能照明控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過ZigBee實現(xiàn)燈具0～10V的智能調(diào)光、故障監(jiān)測和定位。在該系統(tǒng)中，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)置為樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)節(jié)點安裝在隧道中間，每一個樹的支路控制一段隧道內(nèi)的燈具。系統(tǒng)的主控制器與隧道內(nèi)多個ZigBee協(xié)調(diào)器通過RS485有線連接，主控器為工業(yè)控制計算機(jī)或者PLC控制器，ZigBee協(xié)調(diào)器再以無線的方式連接ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。主控器通過協(xié)調(diào)器收集的隧道環(huán)境信息，再建立模糊算法計算出當(dāng)前隧道需要的亮度值，然后控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)光，與傳統(tǒng)隧道相比，節(jié)能率達(dá)到55 %。

為解決隧道內(nèi)調(diào)光系統(tǒng)光色單一，滿足人眼視覺效應(yīng)，張軍朝等[11]等設(shè)計了一套基于LED的光色動態(tài)可調(diào)的隧道照明系統(tǒng)。結(jié)合調(diào)光技術(shù)推導(dǎo)出三通道光色動態(tài)調(diào)節(jié)模型。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示，同樣采用ZigBee結(jié)合GPRS通信方式來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。其中ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個LED都有一個ZigBee終端節(jié)點。光色調(diào)節(jié)程序在上位機(jī)控制平臺，控制系統(tǒng)收集到隧道內(nèi)環(huán)境，算出不同路段的色溫值和亮度值，再經(jīng)GPRS和ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒挚刂破鳎煞挚刂破骺刂芁ED燈組的色溫和亮度值。

1.1.3 ZigBee技術(shù)中的節(jié)能設(shè)計

在隧道內(nèi)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測代替人工檢測數(shù)據(jù)，將有線傳輸方式進(jìn)一步發(fā)展為無線傳輸方式，均極大程度上節(jié)約了人力財力。雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以替代人工檢測隧道健康的情況，但是無線傳感器節(jié)點往往由電池供電，由于電池只能存儲有限的能量，使得無線傳感器注定壽命很短[12]，當(dāng)電能耗盡，還是需要人工更換電池。故為減少電池更換頻率，需在節(jié)點節(jié)能方面做出改進(jìn)。

彭毅弘等[13]設(shè)計了軟件算法來控制節(jié)點的睡眠模式，從而延長節(jié)點的壽命?？紤]不同的需求，在軟件上設(shè)置了2種監(jiān)測模式，一種是被本地控制中心喚醒，然后監(jiān)測數(shù)據(jù)，第二種是周期性的自我喚醒，然后采集數(shù)據(jù)。相比正常工作模式下的節(jié)點，降低了電能消耗。廖凱等[14]在ZigBee網(wǎng)絡(luò)的低功耗上做出設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點采用3種喚醒方式：心跳模式喚醒、采樣模式喚醒、突發(fā)模式喚醒。心跳模式周期短可用于時間同步和突發(fā)模式網(wǎng)絡(luò)喚醒;采樣模式周期較心跳模式長，以保證數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)絽R聚節(jié)點;突發(fā)模式是用于工作人員攜帶其它傳感器采集信息，在終端節(jié)點上設(shè)置硬件開關(guān)喚醒網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。經(jīng)過功耗測試發(fā)現(xiàn)，采用低功耗策略的ZigBee網(wǎng)絡(luò)工作的時間是正常模式節(jié)點工作時間的3倍。在很大程度上節(jié)約了電能消耗。

1.1.4 ZigBee技術(shù)的傳輸可靠性設(shè)計

雖然ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)[15]，信號傳輸?shù)目煽啃杂幸欢ūＷC，但在隧道通信系統(tǒng)中除了ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信還可增加其它通信方式，如進(jìn)行長距離傳輸?shù)腉PRS，傳感器采集的模擬信號經(jīng)有線傳輸?shù)街骺匦酒?。為使其它設(shè)備也能可靠的處理數(shù)據(jù)或傳輸數(shù)據(jù)。對于GPRS傳輸?shù)目煽啃苑矫?，可以自定義通信協(xié)議以減少GPRS的丟包率[4]。對于傳感器采集模擬信號方面，可以將模擬信號接入電路進(jìn)行放大和濾波，再用主控芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號[14]，從而提高了系統(tǒng)信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。

1.1.5 隧道場景下應(yīng)用ZigBee技術(shù)的優(yōu)劣性

ZigBee具有低功耗，短時延和網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點，同時具有出色的自組網(wǎng)能力和自愈能力。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)出現(xiàn)不能運作的節(jié)點時，可以自動進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)修復(fù)，不影響整個網(wǎng)絡(luò)運行。

但ZigBee的穿透能力較弱，在窄且障礙物多的隧道可能會出現(xiàn)通信困難的情況，可以利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)容量大的特點，將特殊障礙位置部署ZigBee設(shè)備，從而避免出現(xiàn)通信困難的情況。

1.2 基于WiFi的無線通信方法

1.2.1 WiFi簡介

WiFi是Wireless Fideuty的縮寫，是一種短距離的無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。WiFi的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由無線網(wǎng)卡和許多基站AP（Access Point）組成，能夠在其覆蓋范圍內(nèi)形成蜂窩小區(qū)，并且基站在各蜂窩小區(qū)內(nèi)可以實現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋[16]。WiFi的組網(wǎng)系統(tǒng)主要包括無線站點、AP節(jié)點。站點和節(jié)點間可以實現(xiàn)級聯(lián)連接或組建局域網(wǎng)，站點可以實現(xiàn)幾乎Hub的所有功能[17]。

1.2.2 基于WiFi的無線通信系統(tǒng)設(shè)計

WiFi是最常見的近距離無線通信技術(shù)，傳輸速率快，在地鐵隧道應(yīng)用較多[18]。為了使設(shè)備能在隧道內(nèi)連入網(wǎng)絡(luò)，常隔一段距離就會設(shè)置一個AP節(jié)點。在這種方式下，若要定位隧道內(nèi)的工作人員，可以讓工作人員手持終端設(shè)備，通過判斷終端連接的AP節(jié)點的位置和信號強(qiáng)度來確定工作人員所處位置[19]。通常還可以使用中繼器來實現(xiàn)WiFi覆蓋。使最前面的WiFi節(jié)點盡可能的以最大速率向后面的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，再由中繼節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)測試這種無線傳輸?shù)木嚯x達(dá)到1.5 km[20]。

田青等[21]基于WiFi多級橋接技術(shù)設(shè)計了隧道內(nèi)通信系統(tǒng)。主要通信設(shè)計如圖4所示，信號傳輸結(jié)合了4G網(wǎng)與WiFi多級橋接技術(shù)。WiFi多級橋接模塊分為3部分，后端為4G信號接收器，采用AP接入點模式對周圍的4G信號進(jìn)行接收;中端為中繼器，負(fù)責(zé)傳輸和接收WiFi信號;前端為WiFi覆蓋器，為現(xiàn)場提供WiFi網(wǎng)絡(luò)。該方法可通過WiFi的高帶寬實現(xiàn)現(xiàn)場可視化。但是此通信技術(shù)僅適合在地鐵隧道中或者隧道施工過程中電能源有保障的時候使用。普通的公路隧道在經(jīng)費有限的情況下難以提供充足的電源設(shè)施。

WiFi網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)最早采用射頻指紋匹配方法，該方法用最近K個鄰居的平均坐標(biāo)作為坐標(biāo)估計。然后再利用接收信號強(qiáng)度作為進(jìn)一步的坐標(biāo)估計。陳菁菁等[22]基于WiFi探針設(shè)計了地鐵內(nèi)人員定位方式。讓地鐵內(nèi)人員攜帶打開WiFi的設(shè)備，WiFi探針可以識別到一定區(qū)域內(nèi)的設(shè)備的MAC地址，多個WiFi探針將收集到的數(shù)據(jù)融合處理，就能得出地鐵內(nèi)人員的運動軌跡。該技術(shù)可以運用在地鐵隧道工作人員的運動軌跡追蹤，從而保障工作人員的人身安全。但是WiFi探針技術(shù)還不是很完善，可能會出現(xiàn)重復(fù)上報同一個設(shè)備的MAC地址，或者漏報設(shè)備的MAC地址等情況，在運動軌跡追蹤上還具有一定時間的延遲。要在隧道內(nèi)大范圍使用該技術(shù)，還需要進(jìn)一步的發(fā)展。曹文超等[23]對地鐵內(nèi)WiFi探針監(jiān)測到數(shù)據(jù)有重復(fù)和缺失等問題給出改進(jìn)方法：如果5 min內(nèi)產(chǎn)生了重復(fù)數(shù)據(jù)，則不記錄重復(fù)數(shù)據(jù);根據(jù)探針的監(jiān)測距離，網(wǎng)格化布局探針;對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。使用改進(jìn)后的方法較改進(jìn)前的誤差小，精確度也得到了提高，可以提供參考。

1.2.3 WiFi技術(shù)中的節(jié)能設(shè)計

WiFi耗能相對于ZigBee和LoRa都高，若要將WiFi技術(shù)運用在隧道內(nèi)，必須對WiFi的低功耗做更進(jìn)一步研究。目前大部分研究都從硬件和軟件方面考慮降低能耗。硬件方面選取合適元件是節(jié)能關(guān)鍵，軟件設(shè)計不同的通信協(xié)議和優(yōu)秀的路由算法來達(dá)到節(jié)能目的。李秀鳳等[24]從通信層面提出改進(jìn)的節(jié)能方案。建立模型估算出數(shù)據(jù)在WiFi接入點和服務(wù)器之間傳輸?shù)耐禃r延，使終端可以動態(tài)地判斷傳輸數(shù)據(jù)的間隔時間，以減少不必要的喚醒，從而降低功耗。實驗仿真結(jié)果顯示，該方法可以顯著的提高能耗使用率，降低能耗的浪費。

1.2.4 隧道場景下應(yīng)用WiFi技術(shù)的優(yōu)劣性

WiFi可以很方便的讓人和人或設(shè)備之間進(jìn)行通信，且傳輸帶寬大，但其耗能高，需要視現(xiàn)場情況與需求判斷是否需要使用WiFi來進(jìn)行通信。若在隧道修建時需要監(jiān)測其狀況，因修建時工作人員較多，且部署WiFi設(shè)備的要求容易達(dá)到，故可以使用WiFi來進(jìn)行無線通信。而在平常的隧道健康監(jiān)測中，由于成本和功耗均較高，采用該方式需要謹(jǐn)慎判斷。

1.3 基于LoRa的無線通信方法

1.3.1 LoRa簡介

LoRa是LPWAN通信技術(shù)中的一種，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案。LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在其拓?fù)浼軜?gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通過標(biāo)準(zhǔn)IP連接，而終端設(shè)備采用單跳與一個或多個網(wǎng)關(guān)通信，所有的節(jié)點均是雙向通信[16]。LoRa技術(shù)因低功耗、自組網(wǎng)、通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點而逐漸應(yīng)用到傳感器通信領(lǐng)域[25]。

1.3.2 基于LoRa的無線通信系統(tǒng)設(shè)計

LoRa無線通信技術(shù)也是隧道內(nèi)常用的通信技術(shù)。在隧道內(nèi)通過傳感器監(jiān)測隧道的健康信息，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給LoRa模塊，LoRa模塊再發(fā)送到由LoRa組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，最終將數(shù)據(jù)匯總于匯聚節(jié)點[26]，匯聚節(jié)點再發(fā)送給管理端，讓工作人員查看隧道健康數(shù)據(jù)。

LoRa具有極低耗電量的優(yōu)點，并且可以將其設(shè)置休眠模式，在電耗方面，非常適合在隧道內(nèi)使用。王大濤等[27]提出了一種低功耗供電的隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境搭建了適宜的隧道監(jiān)測傳感器無線局域網(wǎng)，并且制定了監(jiān)測中心節(jié)點與終端節(jié)點的通信協(xié)議。系統(tǒng)如下圖5所示主要由監(jiān)測終端節(jié)點和監(jiān)測中心節(jié)點組成，監(jiān)測中心節(jié)點負(fù)責(zé)對該項目監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各個監(jiān)測終端節(jié)點統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度。為了實現(xiàn)低功耗的目標(biāo)，當(dāng)節(jié)點不工作時將節(jié)點設(shè)置為睡眠模式，延長電池壽命，需要工作時，設(shè)置主動周期喚醒和被動喚醒方式。此系統(tǒng)功耗低，可提供長達(dá)6個月的數(shù)據(jù)采集時間。

LoRa設(shè)備如果部署太密集，會出現(xiàn)頻譜干擾。林華彬等[28]設(shè)計了一個基于LoRa無線技術(shù)的隧道照明系統(tǒng)，可根據(jù)天氣狀態(tài)、車流量等實時信息，自適應(yīng)的完成隧道照明系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)主要分為LoRa無線協(xié)調(diào)器、LoRa無線單燈控制器、LED照明燈具等。該LoRa無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示。無線協(xié)調(diào)器采用廣播的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給無線單燈控制器，當(dāng)單燈控制器驗證到命令中是自己的地址，就執(zhí)行命令，否則不予執(zhí)行。該方式可以有效防止數(shù)據(jù)傳輸擁堵。對LoRa之間的通信方式進(jìn)行設(shè)計，可以在一定情況下避免干擾的發(fā)生。

LoRa設(shè)備在使用前，為區(qū)分彼此常需要進(jìn)行ID配置?，F(xiàn)今沒有相應(yīng)的自動配置設(shè)備，所以只能靠人工用調(diào)試助手完成ID的配置。這種方式存在效率低、錯誤率高等問題，嚴(yán)重制約LoRa技術(shù)在隧道內(nèi)的推廣應(yīng)用。周華安等[29]等設(shè)計了一款可以一次性完成1臺協(xié)調(diào)器和15臺單燈控制器的ID配置系統(tǒng)。該系統(tǒng)投入運行后可實現(xiàn)0錯誤率配置ID，使得配置15臺LoRa設(shè)備時間僅需要10 min。相比于兩人配合所需時間至少30 min，減少了配置時間和難度。

1.3.3 LoRa技術(shù)中的節(jié)能設(shè)計

LoRa本身就具有超低功耗的特點，在此基礎(chǔ)上還可以通過軟件設(shè)計休眠模式進(jìn)一步節(jié)能。處于休眠模式下LoRa設(shè)備的喚醒方式，常設(shè)置自身周期喚醒和被動喚醒兩種方式。戴楊等[30]在使用軟件設(shè)計節(jié)點休眠和喚醒的基礎(chǔ)上還進(jìn)行了進(jìn)一步的設(shè)計。如ADR自動調(diào)整通信速率，提高能量利用率;多次采集的數(shù)據(jù)壓縮為一條信息進(jìn)行傳輸，從而減少傳輸?shù)拇螖?shù)，降低能源消耗;同時也設(shè)計了緊急數(shù)據(jù)幀，當(dāng)異常情況發(fā)生，緊急數(shù)據(jù)幀可以直接喚醒節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或者發(fā)送。經(jīng)設(shè)計出來的系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運行一年之久。

1.3.4 LoRa技術(shù)的傳輸可靠性設(shè)計

為避免LoRa設(shè)備之間信號相互干擾，可自定義傳輸協(xié)議，設(shè)備之間針對性的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，避免或減小干擾情況。為將采集的數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)焦芾矶?，MAC層的協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)可靠性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。梅大成等[31]將MAC層內(nèi)已有的固定TDMA時隙分配策略改進(jìn)為差異性的TDMA時隙分配策略，使實時性要求較高的數(shù)據(jù)可以分得較多的時間傳輸，以提高系統(tǒng)的實時性。

1.3.5 隧道場景下應(yīng)用LoRa技術(shù)的優(yōu)劣性

LoRa具有低功耗、高傳輸范圍和穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點。在隧道內(nèi)采用無線傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，要想系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定和在較少人工干擾的情況下運作，節(jié)能是關(guān)鍵。LoRa具有極低的功耗，能夠極大的節(jié)省人力財力。并且具有較強(qiáng)的穿透能力，在隧道這種窄且障礙物多的情況下，使用LoRa進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性。

但如果在一定范圍內(nèi)LoRa設(shè)備部署太多，則相互之間會出現(xiàn)一定的頻譜干擾，影響信息傳播的準(zhǔn)確性。且在使用LoRa技術(shù)通信時必須要新建信號塔或工業(yè)基站，前期投入工程量較大。

1.4 公路隧道無線通信面臨的挑戰(zhàn)

通過設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，能有效的避免使用有線傳輸?shù)牟季€復(fù)雜、線路易損壞、靈活性不高等問題。但是無線通信方式是利用電磁波信號在自由空間中進(jìn)行信息交換的通信方式，其通信可靠性始終還是會受到隧道狹窄的影響。隧道內(nèi)空間的幾何特征和隧道內(nèi)壁表面平整度會對無線信號的傳輸產(chǎn)生影響，且每天大部分時間都有列車或者車輛在隧道內(nèi)頻繁運行，會對信號的傳播造成阻隔[32]。所以，要保障節(jié)點和節(jié)點之間信號準(zhǔn)確的傳輸，需要對節(jié)點的部署位置進(jìn)行測試和判斷，避免發(fā)生信號傳播被阻隔的情況。

由于大量公路隧道都是處于地下或者山下，隧道內(nèi)會有很多積水，影響采集終端的健康和壽命。在有列車隧道內(nèi)，除了有地下積水影響外，列車通過時產(chǎn)生的震動也會對監(jiān)測節(jié)點造成影響，所以對設(shè)備的防水性、防潮性和耐震性也有要求。

修建在不同地方的隧道土質(zhì)不一樣，隧道修建完投入使用后，在不同土質(zhì)處可能會有不同的健康損傷。應(yīng)分析土質(zhì)和隧道健康損傷的關(guān)系，對每個地方監(jiān)測節(jié)點的具體部署位置和部署數(shù)量進(jìn)行專門的研究，以達(dá)到最優(yōu)的部署形式。

在地鐵隧道內(nèi)，列車運行時間長，頻率高，維修工人進(jìn)入隧道的時間和人員數(shù)量都有嚴(yán)格的限制。傳感器布置后，電池難于更換，且由于在隧道內(nèi)，無法使用太陽能供電，當(dāng)電量消耗殆盡，節(jié)點就失去作用，因此，傳感器節(jié)點硬件、軟件、工作模式和通信協(xié)議的設(shè)計都要以節(jié)能為前提，最大限度延長節(jié)點壽命。

2 結(jié)論

在公路隧道內(nèi)，為了節(jié)省人力財力，將數(shù)據(jù)的傳輸方式設(shè)計為無線傳輸方式。本文就目前在公路隧道內(nèi)運用較多的無線通信技術(shù)做出介紹。對ZigBee、WiFi、LoRa 3種通信技術(shù)在公路隧道內(nèi)的對比：

（1）LoRa兼?zhèn)涞凸暮透邆鬏敺秶膬?yōu)點，且LoRa的穿透能力較ZigBee和WiFi強(qiáng)，對于窄且障礙物較多的隧道具有比較靠譜的傳輸能力。WiFi、ZigBee等組網(wǎng)傳輸方式需要依靠有線串接的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備作為終端接入點，無法徹底擺脫對有線傳輸方式的依賴[33]，而LoRa可以實現(xiàn)無線傳輸。但需要新建信號塔或者基站，前期人力財力投入都較大。如果需要密集的部署通信設(shè)備，使用LoRa會出現(xiàn)頻譜干擾的情況。

（2）當(dāng)部署較多的ZigBee設(shè)備時，不會出現(xiàn)同LoRa一樣的頻譜干擾情況，且在此情況下不僅安全可靠，還能靈活的自組網(wǎng)，以保證系統(tǒng)正常的運行。但是ZigBee也存在收發(fā)單元間傳輸能力與適應(yīng)性差等無線自組網(wǎng)技術(shù)通常存在的問題。

（3）WiFi的帶寬是其它兩種通信方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上的。并且WiFi可以做到除了傳感器以外的其他設(shè)備，比如手機(jī)等設(shè)備的接入。但其成本和耗電都相對其它兩種方式較高，應(yīng)視情況選擇是否需要用WiFi作為傳輸工具。

鑒于現(xiàn)今存在的問題，公路隧道內(nèi)對于無線通信技術(shù)的進(jìn)一步研究應(yīng)該在幾個方面：

（1）因為隧道內(nèi)情況復(fù)雜，障礙物較多且常有車輛或者列車經(jīng)過，為了信息傳輸時不受上述等問題影響。應(yīng)考慮設(shè)計一個可靠的設(shè)備部署拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)在公路隧道內(nèi)的傳輸可靠性。

（2）因為公路隧道常常在地下或者山下，所以不可避免隧道內(nèi)常有積水。應(yīng)考慮將監(jiān)測節(jié)點進(jìn)行安全封裝，對封裝方式進(jìn)行研究，以保證節(jié)點可以在隧道內(nèi)長期準(zhǔn)確的工作。

（3）為了把鋼用在刀刃上，應(yīng)對隧道的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，利用模型分析出其最易損壞的地方，在該地方部署適當(dāng)數(shù)量的監(jiān)測節(jié)點，更有效、高效的進(jìn)行健康監(jiān)測。

（4）應(yīng)考慮結(jié)合大量隧道監(jiān)測到的健康數(shù)據(jù)進(jìn)行總體分析，設(shè)計一個模型或者算法，根據(jù)以往監(jiān)測到的健康數(shù)據(jù)來預(yù)測以后隧道的健康情況，進(jìn)而判斷隧道健康年限，及時進(jìn)行健康維護(hù)。

（5）應(yīng)在終端低功耗技術(shù)上進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。因為如果要將所有公路隧道都用傳感器終端來監(jiān)測健康數(shù)據(jù)的話，必定會有海量的傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果功耗太大，終端耗電迅速，需要耗費大量人力物力來更換傳感器終端的電池，采用低功耗的終端，可以節(jié)省很多繁雜的工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 于燕平. 基于ZigBee的隧道電氣化設(shè)備除冰系統(tǒng)研究[J]. 科技與創(chuàng)新，2020（5）：1-2.

[2] 王靜，李一鋒，曹登平. 隧道照明智能調(diào)光控制系統(tǒng)方案分析[J]. 信息技術(shù)與信息化，2020（12）：209-212.

[3] 楊得鴻. 基于wifi無線網(wǎng)絡(luò)的公路隧道照明控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 科技視界，2017（31）：155-156.

[4] 曾熙鴻，李富年，顏永逸.基于物聯(lián)網(wǎng)的地鐵隧道斷面監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（18）：182-186.

[5] 黃喆，唐苑壽，劉浩然，等.基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃淼离娖寇囃ㄐ偶夹g(shù)研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（10）：24-25+28.

[6] 王麗丹，李舒，朱光. 基于ZigBee技術(shù)的無線環(huán)境溫濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)[J]. 計量與測試技術(shù)，2018，45（11）：17-19.

[7] 任佳麗，賀然. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在公路隧道照明控制中的研究和應(yīng)用[J]. 交通節(jié)能與環(huán)保，2020，16（4）：138-141.

[8] 馮偉，彭力. 基于ZigBee技術(shù)的公共實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2021，44（3）：11-15.

[9] 潘國榮，范偉.ZigBee技術(shù)在地下線型隧道工程自動導(dǎo)向中的應(yīng)用[J].測繪通報，2018（S1）：172-175.

[10] 周華妹，周華安，李端峰，等. 基于ZigBee的隧道照明智能控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J]. 測控技術(shù)，2019，38（2）：69-74.

[11] 張軍朝，薛帥，侯瑞，張欣宇. 基于LED光色動態(tài)可調(diào)的隧道照明控制系統(tǒng)研究[J]. 電子器件，2021，44（1）：242-249.

[12] 張華南，金紅，王峰. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能探索與研究[J]. 計算機(jī)工程與科學(xué)，2021，43（2）：295-303.

[13] 彭毅弘，鄭凌云.基于無線ZigBee技術(shù)的隧道監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2018（11）：68-71+75.

[14] 廖凱，吳劍，王剛. 基于ZigBee的隧道結(jié)構(gòu)安全實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算技術(shù)與自動化，2020，39（2）：1-16.

[15] 郭志鵬，李娟，趙友剛，等. 物聯(lián)網(wǎng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述[J]. 計算機(jī)與應(yīng)用化學(xué)，2019，36（1）：72-83.

[16] 鮑勝文，方擁軍，趙飛，等.基于LoRa技術(shù)的無線通信管理系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].電子世界，2019（24）：120-122+126.

[17] 宮梓超，卞紹潤.電纜隧道通信保障系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].山東電力技術(shù)，2017，44（11）：21-24.

[18] 周利軍，張永康，王承，等. 復(fù)雜電纜隧道環(huán)境下低功耗無線自組網(wǎng)傳感技術(shù)研究[J]. 電力信息與通信技術(shù)，2020，18（9）：77-83.

[19] 覃中順，趙四海，胡云蘭，等. 煤礦井下應(yīng)急導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計[J]. 煤炭工程，2020，52（7）：49-52.

[20] 鄭萬波，吳燕清. 礦山應(yīng)急救援指揮綜合通信技術(shù)設(shè)計[J]. 工礦自動化，2016，42（3）：84-86.

[21] 田青，袁方周，鄭宣傳，等.WiFi多級橋接應(yīng)急多媒體通信技術(shù)研究[J].信號處理，2019，35（4）：656-666.

[22] 陳菁菁，江志彬. 基于WiFi嗅探數(shù)據(jù)的地鐵網(wǎng)絡(luò)客流分析技術(shù)[J]. 城市軌道交通研究，2018，21（5）：153-157.

[23] 曹文超，干宏程. 基于WiFi數(shù)據(jù)的地鐵車站客流預(yù)警模型[J/OL]. 計算機(jī)工程與應(yīng)用. https：// kns.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20201020.1753.022.html.

[24] 孫秀鳳，吳建輝，李艷. 基于WiFi的移動智能終端低功耗研究與改進(jìn)[J]. 龍巖學(xué)院學(xué)報，2018，36（5）：23-30.

[25] 孫世嶺.基于LoRa技術(shù)的礦用頂?shù)装鍦y距傳感器設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2020（5）：28-31.

[26] 劉良旭，鄭義恒. 公路隧道消防管網(wǎng)水壓遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計探討[J]. 西部交通科技，2020，（8）：118-121.

[27] 王大濤，滕德貴，李超.基于低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)的隧道健康監(jiān)測系統(tǒng)[J].測繪通報，2018（S1）：273-277.

[28] 林華彬.基于LoRa無線技術(shù)的隧道智能照明控制系統(tǒng)[J].福建交通科技，2020（2）：130-132+138.

[29] 周華安，顧龍慧，周書，等.LoRa隧道照明網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試系統(tǒng)研究與設(shè)計[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，46（4）：91-96.

[30] 戴楊，張晴暉，李俊萩，等. 基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)與實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2020，43（22）：44-48.

[31] 梅大成，陳亞萍，賀靖淇，等. LoRa技術(shù)在油田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，42（6）：149-156.

[32] 謝雄耀，馮雷.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究進(jìn)展及其在地鐵隧道中的應(yīng)用挑戰(zhàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30（S2）：4047-4055.

[33] 史東華，李然. 基于LoRa技術(shù)的水文遙測數(shù)據(jù)傳輸方式研究[J]. 水利水電快報，2021，42（2）：68-72.