基于ZigBee和GPRS的支架結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 作為路橋施工中常見的一種結(jié)構(gòu)，路橋支架結(jié)構(gòu)存在施工監(jiān)理和在役監(jiān)測難，以及檢測手段有限等問題。在此提出了一種基于Zigbee和GPRS無線通信技術(shù)的支架結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由ZigBee技術(shù)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對支架結(jié)構(gòu)立桿及剪刀撐部位進(jìn)行應(yīng)變和傾角的數(shù)據(jù)采集，智能無線傳感器將所采集數(shù)據(jù)直接或通過路由設(shè)備無線發(fā)送至協(xié)調(diào)器。GPRS網(wǎng)絡(luò)再將ZigBee協(xié)調(diào)器匯聚數(shù)據(jù)進(jìn)行無線遠(yuǎn)傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心監(jiān)測軟件。上位機(jī)監(jiān)測軟件采用LabVIEW編寫，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、查詢及報(bào)警。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對支架結(jié)構(gòu)的在線、快速、準(zhǔn)確測量，從而滿足對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求。

關(guān)鍵詞： 支架結(jié)構(gòu)； 數(shù)據(jù)采集； ZigBee協(xié)議； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； GPRS

中圖分類號： TN919?34； TM933.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）24?0090?04

Design of supporting structure monitoring system based on ZigBee and GPRS

WANG Ze?lin 1， CHU Bin?qian 1， GAN Xiao?hong2， LI Zi?ming 3， LIU Zeng?hua3， ZHAI Tao1

（1. Engineering Quality Supervision Bureau， transportation Department of Zhejiang Province， Hangzhou 311215， China；

2. Cixi City Expressway Construction Headquarter， Cixi 315300， China；

3. College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

Abstract： As one of common structure forms of road and bridge construction， there are some difficulties of construction supervision and in?service monitoring and a limitation of inspection methods in the project construction of supporting structure. In this paper， a supporting structure safety monitoring system based on ZigBee and GPRS wireless communication technique is proposed. In the system， strain and angle about upright tube and diagonal bridging are collected by ZigBee wireless sensor network， then the collected data is transmitted straightly or through router to coordinator， and the aggregated data is wirelessly transmitted to remote monitoring center through GPRS subsequently. LabVIEW is adopted for compiling the PC monitoring software， which is used for real?time data display of the monitored field， data storage， query and alarm. The test results show that the system can realize the online， rapid and accurate measurement for the supporting structure， so as to meet the requirements of long?term real?time monitoring to the supporting structure.

Keywords： supporting structure； data acquisition； ZigBee protocol； wireless sensor network； GPRS

支架法作為路橋施工中常見的一種方法，由于其施工技術(shù)成熟和方便、造價(jià)低廉、使用壽命長，因此獲得了廣泛的使用[1]。支架結(jié)構(gòu)作為路橋結(jié)構(gòu)施工的載體，不僅承受著鋼筋混凝土及各種建筑材料和建筑設(shè)備等載荷，同時(shí)還是施工人員垂直交通的通道和作業(yè)平臺[2]。

目前我國對支架結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)理、在役監(jiān)測手段極為有限，通常采用在支架結(jié)構(gòu)構(gòu)件組裝前對其進(jìn)行離線的破壞性力學(xué)性能測試，以及搭建完成后監(jiān)理人員的現(xiàn)場巡查檢測，檢測工具多為經(jīng)緯儀、卷尺、角尺等傳統(tǒng)量測工具。這些力學(xué)破壞性檢測方法屬有損檢測，現(xiàn)場巡查的檢測方法更是加大了工程監(jiān)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且只能抽樣檢測，完全不能滿足工程實(shí)際快速、實(shí)時(shí)、全面的檢測需要。因此，迫切需要發(fā)展一種無線安全監(jiān)測技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對支架結(jié)構(gòu)的全面健康監(jiān)測。

常見的無線通信技術(shù)從通信距離上可劃分為遠(yuǎn)距離無線通信（如GPRS，GSM，LTE，CDMA等）和近距離無線通信（如UWB，WiFi，ZigBee，IrDA，Bluetooth等）。其中，GPRS技術(shù)由于具有永久在線、遠(yuǎn)距離傳輸、數(shù)據(jù)傳輸速率高、按流量計(jì)費(fèi)等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于移動(dòng)商務(wù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等領(lǐng)域。ZigBee技術(shù)由于具有低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率以及較遠(yuǎn)的傳輸距離等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于智能家居、無線抄表、工業(yè)控制、手機(jī)終端、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域，在無線通信領(lǐng)域具有顯而易見的優(yōu)勢和潛在的應(yīng)用價(jià)值[3]。在充分利用GPRS遠(yuǎn)距離通信技術(shù)以及ZigBee近距離無線組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，將二者的優(yōu)勢相互結(jié)合，開發(fā)了一種基于ZigBee和GPRS的支架結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet組成[4]。其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee技術(shù)在支架施工現(xiàn)場進(jìn)行無線組網(wǎng)，不同類型的設(shè)備分散布置于支架結(jié)構(gòu)的被測位置處。其中，智能無線傳感器設(shè)備負(fù)責(zé)采集支架自身監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過無線射頻模塊發(fā)送，路由設(shè)備接收采集到的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備，協(xié)調(diào)器設(shè)備再將路由設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)通過RS 232串口傳輸至數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transmit Unit，GPRS DTU），GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)相連將數(shù)據(jù)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心（即指揮中心）PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)端口，并在LabVIEW人機(jī)交互軟件界面上顯示，最終實(shí)現(xiàn)支架結(jié)構(gòu)無線安全監(jiān)測。圖1為本系統(tǒng)整體框架圖。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 智能無線傳感器

智能無線傳感器分散布置在支架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，根據(jù)對支架結(jié)構(gòu)倒塌原因的分析研究，總結(jié)出所需的被測物理量。常見的倒塌原因有[5]：

（1）支架承載力不滿足要求，局部立桿被壓彎失穩(wěn)導(dǎo)致整體坍塌；

（2）立桿垂直高度誤差偏大，部分扣件未擰緊，水平桿連接未采用搭接方式；

（3）實(shí)際施工中產(chǎn)生局部地基不均勻下沉（整體均勻下沉另當(dāng)別論），下沉的立桿所應(yīng)該分擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)嫁到未下沉立桿上，造成未下沉立桿超載失穩(wěn)；

（4）不均勻加載；

（5）混凝土澆筑過程中出現(xiàn)異常振動(dòng)，未引起重視。

因此，通過測量支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、應(yīng)變、振動(dòng)、傾角等物理量，能夠?qū)崿F(xiàn)支架結(jié)構(gòu)整體的測量。將上述物理量之間相互轉(zhuǎn)換，最終可歸納為測量支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和傾角。通過測量這兩個(gè)物理量，即可達(dá)到對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面監(jiān)測的效果。智能無線傳感器由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線射頻模塊和電源管理模塊4部分組成[6]。圖2為智能無線傳感器硬件框架圖。數(shù)據(jù)采集模塊采集支架監(jiān)測區(qū)域關(guān)鍵部位的應(yīng)變和傾角信息。應(yīng)變片主要負(fù)責(zé)采集支架立桿結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值，通過惠斯通電橋?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為微弱變化的電壓量。傾角傳感器則負(fù)責(zé)監(jiān)測支架結(jié)構(gòu)傾斜角度的變化，并通過角度變化的相對值來判斷支架整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

圖2 智能無線傳感器硬件框架圖

數(shù)據(jù)處理模塊主要功能是將微弱的電信號進(jìn)行放大、濾波，再將處理后的模擬電信號經(jīng)微控制器內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。在此選擇美國AD公司的AD626實(shí)現(xiàn)。AD626是由精密平衡衰減器、低漂移前置放大器和輸出緩沖放大器組成的差分放大器。既可在單電源2.4～10 V下工作，又可在雙電源1.2～±6 V下工作。用于精確放大小的差分信號并且不使用其他有源元件對大共模電壓濾波，同時(shí)，該芯片具有低成本、低功耗、低供電等特點(diǎn)[7]。AD626具有8個(gè)引腳。其中1腳、8腳用于差模電壓輸入，5腳用于放大電壓的輸出，2腳接地，3腳、6腳分別為電源供電的正負(fù)接線端，4腳接一電容可實(shí)現(xiàn)低通濾波，濾波器截止頻率fw計(jì)算公式如式（1）所示：

[fw=12πCf×1×105] （1）

式中Cf為4腳外接電容容值。

7腳通過改正外接電阻阻值來調(diào)整電路放大倍數(shù)。AD626芯片引腳連接圖如圖3所示。

無線射頻模塊選用美國TI公司推出的CC2530芯片。它是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時(shí)支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機(jī)，是一個(gè)真正的系統(tǒng)芯片（System on a Chip，SoC）CMOS解決方案[8]。芯片內(nèi)部CPU對ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后將數(shù)據(jù)結(jié)果以數(shù)據(jù)包形式通過無線射頻進(jìn)行發(fā)送。

圖3 AD626引腳連接圖

電源管理模塊是整個(gè)設(shè)備能夠正常運(yùn)行的保障。選用電池供電能夠滿足無線傳感器小體積、低功耗、低成本的要求。為了保證采集數(shù)據(jù)的精度及整個(gè)智能無線傳感器模塊的工作性能，采用REG1117?3.3穩(wěn)壓芯片搭建電源穩(wěn)壓電路，以減少電源波動(dòng)對整個(gè)硬件電路的影響。

2.2 路由設(shè)備

路由設(shè)備主要負(fù)責(zé)協(xié)助與其連接的智能無線傳感器和協(xié)調(diào)器設(shè)備之間的通信，并通過多跳路由的方式進(jìn)行中繼傳輸，擴(kuò)大通信距離。路由設(shè)備也是分散的安裝在支架結(jié)構(gòu)上，安裝時(shí)遵照無線連接覆蓋智能無線傳感器設(shè)備數(shù)量最多的原則。路由設(shè)備只負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)，因此與智能無線傳感器相比，不具備數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

2.3 協(xié)調(diào)器設(shè)備

協(xié)調(diào)器設(shè)備負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，并管理路由設(shè)備或智能無線傳感器的加入和刪除[8]。協(xié)調(diào)器設(shè)備最好安裝在監(jiān)測現(xiàn)場中心位置，這樣能夠保證整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵訑?shù)盡量少，減少設(shè)備資源的浪費(fèi)。當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和配置功能完成之后，協(xié)調(diào)器設(shè)備便退化為一個(gè)普通的路由設(shè)備，此時(shí)，可以接收路由設(shè)備或智能無線傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并將這些數(shù)據(jù)包通過RS 232串口轉(zhuǎn)發(fā)到GPRS DTU。協(xié)調(diào)器設(shè)備硬件框架圖如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器設(shè)備硬件框架圖

協(xié)調(diào)器設(shè)備是整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的核心，在其運(yùn)行和維護(hù)中起著關(guān)鍵作用[9]。為了保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，協(xié)調(diào)器設(shè)備采用外部供電的方式。

2.4 GPRS通信模塊

GPRS模塊將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)從監(jiān)測現(xiàn)場到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的無線傳輸。模塊選用廈門某通信公司的CM3160P，該設(shè)備具備TCP透明數(shù)據(jù)傳輸和UDP透明數(shù)據(jù)傳輸，在線檢測、在線維持、掉線自動(dòng)重?fù)艿裙δ埽ㄟ^使用相應(yīng)配置軟件，可以實(shí)現(xiàn)GPRS DTU的本地串口配置，為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收做準(zhǔn)備。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序設(shè)計(jì)使用IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境，在TI公司提供的ZStack?CC2530?2.2.2? 1.3.0協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行該系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)[10]。

對于與GPRS DTU相連接的協(xié)調(diào)器設(shè)備。系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行硬件和協(xié)議棧的初始化，然后進(jìn)行能量檢測，選擇出合適的工作參數(shù)，最后允許設(shè)備連接，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[11]。之后，協(xié)調(diào)器設(shè)備處于一直監(jiān)測空中無線信號的狀態(tài)，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)請求時(shí)，會接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至串口端。當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，將處于空閑狀態(tài)，此時(shí)若有新的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，則協(xié)調(diào)器將與其建立連接并為其分配網(wǎng)絡(luò)地址。

路由設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)后，一直處于監(jiān)測空中無線信號的狀態(tài)。當(dāng)檢測到有來自其他設(shè)備的數(shù)據(jù)請求命令時(shí)，則對該數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)。智能無線傳感器設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)后，則根據(jù)程序內(nèi)部定時(shí)器已經(jīng)設(shè)定好的時(shí)間間隔周期性地對應(yīng)變值和傾角值進(jìn)行采集與發(fā)送。圖5為協(xié)調(diào)器設(shè)備、路由設(shè)備和只能無線傳感器設(shè)備等三種設(shè)備節(jié)點(diǎn)的程序流程圖。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于美國NI公司的LabVIEW軟件開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)了支架結(jié)構(gòu)無線安全監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件，圖6為系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程。

首先，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過RS 232串口和GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)無線傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心PC機(jī)上，上位機(jī)軟件偵聽網(wǎng)絡(luò)端口號信息，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包標(biāo)識，將采集到的支架結(jié)構(gòu)各個(gè)位置應(yīng)變和傾角信息實(shí)時(shí)顯示到人機(jī)交互界面的對應(yīng)位置，同時(shí)保存至Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫。當(dāng)用戶需要對應(yīng)變值和傾角值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，可根據(jù)采集時(shí)間以及設(shè)備號查詢歷史數(shù)據(jù)，并將查詢結(jié)果以曲線形式進(jìn)行顯示。除此之外，軟件采用分級閾值報(bào)警機(jī)制對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，當(dāng)數(shù)據(jù)超過規(guī)定限值時(shí)，彈出報(bào)警提示對話框，并分別對應(yīng)變和傾角使用狀態(tài)指示燈對不同等級的報(bào)警進(jìn)行顯示，以便用戶及時(shí)采取相應(yīng)措施，避免事故的發(fā)生。

圖5 設(shè)備節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

圖6 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程

4 系統(tǒng)測試

所搭建的支架結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器設(shè)備、路由設(shè)備、兩個(gè)智能無線傳感器設(shè)備、GPRS DTU、SIM卡及PC機(jī)監(jiān)控軟件組成。智能無線傳感器分別安裝在支架結(jié)構(gòu)的不同立桿上，應(yīng)變片連接成半橋形式與智能無線傳感器相連，如圖7所示。

圖7 智能無線傳感器安裝圖

將SIM卡置于GPRS DTU中并開通GPRS上網(wǎng)功能，協(xié)調(diào)器設(shè)備通過RS 232串口與GPRS DTU連接。開始測試時(shí)，上位機(jī)軟件設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)端口號，并與GPRS DTU建立無線連接。然后，按順序依次啟動(dòng)協(xié)調(diào)器設(shè)備、路由設(shè)備、智能無線傳感器。向支架立桿施加壓力，觀察上位機(jī)監(jiān)測軟件得到的應(yīng)變和傾角值。軟件測試輸出結(jié)果如圖8所示。

圖8 LabVIEW軟件輸出結(jié)果

根據(jù)軟件測試結(jié)果，可知該系統(tǒng)在初始位置具有初應(yīng)變及傾角值，這是由于支架在搭建時(shí)，支架本身的立桿、橫桿、膠木板等會在所測位置形成由重力引起的初應(yīng)力。而圖7中，智能無線傳感器安裝時(shí)近似垂直，因此測試結(jié)果也顯示支架立桿處角度為89°。

隨著時(shí)間的推移，通過向立桿上方逐漸增加重物，可以看出應(yīng)變和傾角曲線同時(shí)出現(xiàn)了較大的變化。應(yīng)變曲線變化較明顯，這是因?yàn)閼?yīng)變電橋具有高靈敏度，同時(shí)微弱信號又被放大，因此能夠很容易被檢測出。而傾角則由于立桿上方被壓了重物，而造成立桿有小范圍的傾斜，直到最后不再施加壓力，應(yīng)變值和傾角值才趨于穩(wěn)定。

通過上述分析，該系統(tǒng)能夠通過無線通信方式實(shí)現(xiàn)對支架結(jié)構(gòu)監(jiān)測區(qū)域應(yīng)變和傾角的在線、快速、準(zhǔn)確測量，從而滿足對支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求。

5 結(jié) 語

本文建立基于ZigBee和GPRS無線通信技術(shù)支架結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過分布式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和傾角等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)監(jiān)測軟件實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)與閾值報(bào)警的功能。該系統(tǒng)組網(wǎng)靈活、簡單，可靠性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。上位機(jī)監(jiān)測軟件功能模塊獨(dú)立有序運(yùn)行，操作界面友好。相比傳統(tǒng)有線監(jiān)測該系統(tǒng)更智能、方便，使用戶足不出戶就可隨時(shí)掌握現(xiàn)場狀況。

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