基于ZigBee的大壩監測系統接收終端研究

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摘 要：針對目前國內大壩狀況監測系統存在結構復雜、成本過高、難以長期監測等一系列問題，提出了一種基于ZigBee技術的大壩狀況監測系統接收終端。該終端基于ARM硬件平臺和嵌入式Linux軟件平臺，通過ZigBee無線方式接收各種參數，并對數據進行分析、存儲、查詢等操作。工作人員通過用戶界面可以直觀獲取當前大壩狀態參數信息，并通過對歷史數據的分析對比，得出大壩狀態參數的變化趨勢，從而滿足對大壩進行長期實時監測的要求。

關鍵詞：大壩監測； ZigBee； ARM； Linux

0 引 言

我國領土廣闊，地質條件復雜，而且地震，火山等地殼活動分布普遍，導致近年來地質災害頻發，對災害地區的基礎設施造成了嚴重破壞，并對人民的生活生產帶來了安全隱患。大壩作為重要的基礎設施，投資巨大，使用期長，如果發生潰壩等事故會造成更大的災害，因此大壩的安全性是水電開發建設首要解決的問題，對大壩安全工作狀況的監測是一項長期而重要的工作。

由于技術水平的限制，長期以來，我國對大壩的安全監測主要以人工方法為主。這種方法不能及時掌握大壩的安全狀況，又需監測人員具有豐富的經驗，同時對人力、物力消耗過大，且誤差較大。現有的一些有線監測系統設備復雜[1]，加之大壩周圍建設條件惡劣，經常難以有效布放。本文提出了一種基于ZigBee的大壩無線網絡監測系統接收終端，以ZigBee無線監測系統來代替人工監測和有線監測，提高了監測和評估的可靠性和實時性。采用ZigBee技術的大壩監測系統，可滿足對大壩安全狀況長期實時監測的要求。

1 ZigBee技術

ZigBee[2]技術是一種新興的低耗電、低速率、低成本、結構簡單、可靠性高的無線通信技術，頻段為2.4 GHz、868 MHz（歐洲）及915 MHz（美國），為免執照頻段，它使得在低電能和低吞吐量的應用環境中使用無線連接成為可能，便于移植在各種設備中，適合于電子自動控制監測等領域。ZStack是TI公司開發的符合ZigBee規范2006的ZigBee協議棧[3]。ZStack支持多種開發平臺，包括CC2430 SoC（Systemonchip，片上系統）和CC2420+MSP430平臺。它具有以下特性：兼容ZigBee規范2006；支持多種平臺；簡單的應用開發環境；簡單的面向開發者的API；支持空中下載；具有無線節點定位能力等功能。ZStack采用模塊化設計方法，基于ZigBee規范中的協議棧架構進行設計。它將協議棧架構中不同的層以一單獨的模塊來實現，本層模塊向其上層模塊提供特定服務，模塊之間的通信通過接口來實現，此外，它還設計實現了其他管理和輔助模塊。通常每一個模塊包含的源文件的文件名以特定字符串開頭，通過文件名就可以很容易判斷該文件是屬于哪一個模塊并實現何種功能。部分模塊以庫的形式提供，只提供模塊的接口定義，無法查看具體的實現細節。對于用戶應用來說，這部分代碼不需要改變，只需要根據接口定義去了解該模塊提供什么樣的服務即可。這樣的封裝既防止了用戶對協議棧關鍵部分的誤改，也避免了用戶在開發過程中浪費大量時間去讀一些與應用實現無關的代碼，在一定程度上加速了應用程序的開發。

2 系統設計

大壩監測系統由前端采集終端、接收終端兩部分組成[4]。每個前端采集模塊固定于大壩應力截面處，當監測人員靠近大壩開啟手持的接收終端后，采集終端ZigBee模塊被喚醒并與手持接收終端的ZigBee模塊建立連接，并將傳感器（包括壓阻式傳感器，垂線儀傳感器，靜力水準傳感器，差動電阻式傳感器等）采集到的數據發送給接收終端，接收終端將接收到的數據存儲并分析。系統框架如圖1所示。限于篇幅，本文著重論述接收終端部分。

3 接收終端硬件設計

手持接收終端利用ZigBee無線模塊實現無線數據接收，接收到的數據通過核心處理器完成數據的分析和處理。接收終端硬件組成框圖如圖2所示。

由于接收終端要完成信息接收、信息顯示、信息存儲、信息查詢，需要支持無線網絡，對數據處理能力的要求較高，本設計選擇Samsung公司的S3C2410嵌入式處理器作為核心處理器[5]。

ZigBee模塊選用CC2430模塊。CC2430是TI公司生產的符合ZigBee標準的射頻收發器，工作在2.4 GHz，采用直接序列擴頻方式，數據傳輸率最高250 Kb/s，供電電壓為3.6 V，可方便移植ZStack協議棧。

存儲單元包括兩片16位數據寬度的SDRAM存儲器和FLASH存儲器。FLASH存儲包括32 MB的NOR FLASH存儲器和8 MB的NAND FLASH存儲器，NOR FLASH支持程序芯片內執行，大大提高了程序執行速度，用于存放啟動代碼Bootloader，Linux內核映象等。

NAND FLASH能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，價格低廉，寫入和擦除的速度也很快。用來存放Linux文件系統和用戶程序。

LCD顯示器負責對采集到的數據進行顯示，USB存儲單元用來存儲接收到的大壩工作狀況參數數據，監測人員可以通過對接收到的大量歷史數據查詢和分析，為后期的工作決策提供參考。

4 系統軟件設計

本系統的軟件框架主要基于嵌入式Linux操作系統實現系統功能，包括嵌入式系統引導程序Bootloader，Linux系統內核，文件系統，應用程序。Bootloader主要完成初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖的任務，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環境。本方案選用較為成熟的Uboot作為Bootloader。它操作簡便，同時提供了完備的命令體系，支持S3C2410處理器。Linux系統內核分為設備驅動程序，網絡堆棧，內存管理，進程管理，虛擬文件系統，系統調用接口。文件系統分為系統文件系統，用戶文件系統。接收終端的應用程序根據需求分為數據顯示，歷史數據查詢，數據存儲三個模塊。整個軟件結構如圖3所示。

4.1 嵌入式Linux操作系統

嵌入式Linux（Embedded Linux）是指對Linux經過裁剪小型化后，可固化在存儲器或單片機中，應用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統。嵌入式Linux的開發和研究已經成為目前操作系統領域的一個熱點。與其他嵌入式操作系統相比，Linux的特點如表1所示[6]。

4.2 設備驅動程序開發

在Linux操作系統下有兩類主要的設備文件類型，一類是字符設備，另一類是塊設備。字符設備和塊設備的主要區別是：在對字符設備發出讀/寫請求時，實際的硬件I/O一般就緊接著發生了，塊設備則是利用一塊系統內存作緩沖區，當用戶進程對設備請求能滿足用戶的要求，就返回請求的數據，如果不能，就調用請求函數來進行實際的I/O操作。塊設備是主要針對磁盤等慢速設備設計的，以免耗費過多的CPU時間來等待。

本系統主要是對ZigBee模塊的串口驅動，屬于字符設備驅動程序。主要包括open，close，read，write，ioctl等函數，把它們統一定義在結構體file operations中。

4.3 應用程序設計

接收終端的應用程序開發根據系統功能的需求采用模塊化的設計方案，具體有如下幾個主要功能模塊：數據收發模塊、數據存儲模塊、數據查詢模塊、系統界面模塊。

手持接收終端軟件采用多線程實現模塊化，主要包括主程序、數據收發線程、數據顯示線程。系統上電后，主程序首先執行，完成系統硬件初始化，配置ZigBee模塊參數，然后創建收發線程、顯示線程兩個線程，如圖4所示。線程任務都結束后，如無系統命令，則ZigBee模塊進入節電模式，主程序退出。收發線程先要調用CreateFile函數打開串口，設置串口參數，通過ZigBee模塊發送控制指令與采集前端建立無線通信，然后調用WriteFile函數接收并存儲數據，數據讀寫完畢后關閉串口退出線程。顯示線程負責將接收到的數據經過處理器二次處理后，通過人機交互界面顯示到LCD上。

5 結 論

基于ZigBee的大壩監測接收終端，利用低功耗的ZigBee技術將前端采集模塊獲得的大壩結構應力應變、裂縫、滲流滲壓等重要狀態參數，接收并存儲。分析人員可及時由接收終端獲取大壩的參數信息，為大壩的安全評判提供了一種方便可靠的方法。

該技術比傳統方法維護簡單，監測靈活，具有很強的實踐價值。接收終端基于ARM9硬件平臺，嵌入式Linux操作系統軟件平臺和ZigBee無線通信技術，通過無線方式發送接收各種參數，并對數據進行分析、存儲、查詢等操作。工作人員通過人機交互界面可以直觀獲取當前大壩狀態參數信息，并通過歷史數據的分析對比，得出大壩狀態參數的變化趨勢，從而滿足對大壩進行長期實時監測的要求。

參 考 文 獻

[1]李國民，董延杰.基于WinCE的橋梁檢測系統接收終端的研究[J].自動化儀表，2011（1）：8386.

[2]穆乃剛.ZigBee技術簡介[J].電信技術，2006（3）：8486.

[3]李軍，黃嵐，王忠義.基于ZStack協議棧的WSN能量管理策略[J].計算機工程，2011（4）：121124.

[4]雷文禮，邵婷婷.基于ZigBee的污水無線監測系統設計[J].水電能源科學，2011（4）：158160.

[5]沈文斌.嵌入式硬件系統設計與開發實例詳解[M].北京：電子工業出版社，2005.

[6]孫弋.ARMLinux嵌入式系統開發基礎[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.