基于ZigBee的大體積混凝土橋墩測溫系統(tǒng)的設(shè)計

胡丹寧 王小平 馬月輝 程璐璐

(石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，石家莊 050043)

基于ZigBee的大體積混凝土橋墩測溫系統(tǒng)的設(shè)計

胡丹寧 王小平 馬月輝 程璐璐

(石家莊鐵道大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，石家莊 050043)

針對大體積混凝土傳統(tǒng)測溫方式存在的排線復(fù)雜、擴(kuò)充性欠佳、人工讀數(shù)易產(chǎn)生誤差以及無法實時監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度變化等問題，提出了一套基于ZigBee技術(shù)的無線測溫解決方案。此方案中下位機(jī)由單片機(jī)CC2530構(gòu)成多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸利用主從方式的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，上位機(jī)用LabVIEW軟件編制監(jiān)控顯示界面，實時監(jiān)控混凝土的溫度。該系統(tǒng)使得監(jiān)測點溫度的實時性和可靠性得到了大幅提高，保證了施工后混凝土的安全可靠。

ZigBee LabVIEW 大體積混凝土 溫度監(jiān)測

如今，大體積混凝土在各種建筑施工中得到了普遍應(yīng)用，如修建廠房、學(xué)校、大型商場及混凝土橋等。對于一些建筑的關(guān)鍵部位由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，混凝土需求量大，如果施工溫度不能及時監(jiān)測和控制極易產(chǎn)生溫度應(yīng)力而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫，不僅影響混凝土的力學(xué)性能，還可能影響混凝土的持久性。影響混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的因素很大一部分是在澆筑后硬化過程中的溫度控制不當(dāng)[1]。橋墩是橋梁的主要支撐物，若橋墩由于溫度應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫，不僅會影響建筑工程的質(zhì)量，還將造成極大的安全隱患。因此需要對施工過程中的溫度進(jìn)行監(jiān)測，提前預(yù)防。筆者在前人有線測溫研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于ZigBee的無線測溫系統(tǒng)。該系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)以ZigBee技術(shù)為核心，主要使用了智能溫度數(shù)字傳感器DS18B20。通過將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到橋墩的溫度監(jiān)測中，使得傳感器不僅只是一個測溫元件，而且是能夠完成信息相互傳遞的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)系統(tǒng)的互聯(lián)[2，3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計總方案①

基于ZigBee的大體積混凝土橋墩測溫系統(tǒng)(圖1)主要由3部分組成。第一部分是現(xiàn)場溫度監(jiān)測層，主要由數(shù)字溫度傳感器DS18B20(即圖中黑點)和帶有無線收發(fā)模塊的CC2530芯片組成，它們構(gòu)成了測溫的終端節(jié)點[4]。在測溫結(jié)構(gòu)上設(shè)計了5個橋墩(可擴(kuò)展)，以直線型分別對其芯內(nèi)溫度、表層溫度及外界溫度等進(jìn)行監(jiān)測。第二部分是溫度數(shù)據(jù)傳輸層，以無線的方式將終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間通過ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。協(xié)調(diào)器同樣使用的是CC2530芯片。在協(xié)調(diào)器接收到所有終端節(jié)點發(fā)送來的信息后，將數(shù)據(jù)集中在一起，通過DTU模塊，利用GPRS技術(shù)，將所有信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)方的控制主機(jī)上，實現(xiàn)遠(yuǎn)程輸送。第三部分是溫度信息顯示層，主機(jī)在接收到數(shù)據(jù)集中器發(fā)送來的所有橋墩溫度信息后，利用LabVIEW軟件對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄存儲和顯示[5]。通過遠(yuǎn)程觀察溫度信息來做出下一步的施工調(diào)整。

圖1 基于ZigBee的大體積混凝土橋墩測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

2.1傳感器測溫原理和測溫節(jié)點的設(shè)計

傳感器測溫使用的是一線總線智能數(shù)字溫度傳感器DS18B20。傳感器在與控制器進(jìn)行連接時僅需要通過一條數(shù)據(jù)總線就可以完成雙向通信。使用寄生電源方式，數(shù)據(jù)線能夠提供電能，在控制器將電平拉高期間，可以將電能儲存在傳感器內(nèi)置的電容里。待總線為低電平期間，則消耗傳感器內(nèi)部電容里的能量。寄生工作方式拉高儲能，拉低耗能，周而復(fù)始。由于長距離的多點測溫，總線上接入的上拉電阻已無法將電平拉高至工作電平，為了保證有足夠高的上拉電平，在總線上接入了一個MOS管來提供強(qiáng)上拉，傳感器的接線部分只引出兩條線，分別是數(shù)據(jù)線和接地線，如圖2所示。

圖2 寄生電源工作方式

測溫節(jié)點包含有幾路可擴(kuò)充的測溫終端節(jié)點，每路終端節(jié)點采集橋墩內(nèi)不同部位的混凝土溫度。設(shè)計上選擇了以51為內(nèi)核并帶有無線收發(fā)功能的CC2530芯片，以此來擴(kuò)展智能溫度傳感器DS18B20，利用吸附在橋墩模板上的磁鐵電池盒內(nèi)的電池來提供終端節(jié)點的電源。測溫系統(tǒng)采用主從工作模式，在不需要測溫時終端節(jié)點處于睡眠狀態(tài)，降低了電池的使用速率。

2.2數(shù)據(jù)傳輸協(xié)調(diào)器的設(shè)計

應(yīng)用ZigBee協(xié)議棧來組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee采用的數(shù)據(jù)傳輸率低，工作頻段低，Stack棧的容量也相對較小。協(xié)調(diào)器同樣使用CC2530芯片，實現(xiàn)從一個設(shè)備發(fā)送命令到另一個設(shè)備，發(fā)送端調(diào)用無線數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，接收數(shù)據(jù)時，接收端調(diào)用接收函數(shù)。當(dāng)設(shè)備休息時就調(diào)用睡眠函數(shù)，需要工作時就調(diào)用喚醒函數(shù)。通過以上機(jī)制可以完成對傳感器的控制和溫度數(shù)據(jù)的采集。而后通過GPRS DTU模塊提供的串行通信接口將接收到的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP數(shù)據(jù)包并進(jìn)行傳送，通過互聯(lián)網(wǎng)最終發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)測主機(jī)上。協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)框圖

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括3方面，分別是檢測溫度傳感器的軟件設(shè)計、協(xié)調(diào)器無線收發(fā)的軟件設(shè)計和監(jiān)測主機(jī)顯示溫度界面的軟件設(shè)計。在測溫終端和協(xié)調(diào)器方面主要使用了C語言編程，溫度顯示界面應(yīng)用了LabVIEW軟件編程。

3.1測溫終端與協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計

軟件程序流程如圖4所示。測溫終端與協(xié)調(diào)器程序在基于IAR的軟件開發(fā)環(huán)境中運行。測溫程序通過對傳感器的指令進(jìn)行讀寫，協(xié)調(diào)器程序使用TI公司提供的基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的Z-Stack協(xié)議棧，通過調(diào)用協(xié)議棧所提供的各種模塊來實現(xiàn)無線收發(fā)功能。由于對傳感器單總線控制時序要求非常嚴(yán)格，所以在編程中使用了分塊的編程思想。通過主程序、溫度控制程序和無線收發(fā)程序來實現(xiàn)系統(tǒng)的整體運行。

圖4 軟件程序流程

3.2界面顯示軟件設(shè)計

上位機(jī)的監(jiān)控顯示界面(圖5)通過使用LabVIEW軟件來對橋墩溫度的各個節(jié)點進(jìn)行實時監(jiān)控，保存數(shù)據(jù)并顯示曲線。通過串口通信完成上位機(jī)與監(jiān)測界面的連接，設(shè)計上分別對每個橋墩和各橋墩的測溫點進(jìn)行編號，每個橋墩所對應(yīng)5個點的溫度顯示在監(jiān)控圖中。曲線圖顯示的是選定某橋墩的一個測溫點在相隔一定時間下的溫度變化曲線。通過觀察曲線可以一目了然地對橋墩混凝土溫度變化進(jìn)行監(jiān)測，并進(jìn)行下一步的溫控措施。

圖5 溫度監(jiān)控界面

4 結(jié)束語

以DS18B20傳感器與CC2530芯片為核心、ZigBee無線傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的大體積混凝土橋墩無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于現(xiàn)場施工，保證了測溫的實時性、安全性和可靠性。溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸節(jié)省了復(fù)雜的布線，減輕了工作人員的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，此系統(tǒng)還可廣泛地應(yīng)用于各類化工裝置的無線溫度監(jiān)測中。

[1] 朱伯芳.混凝土壩的數(shù)字監(jiān)控[J].水利水電技術(shù),2008，39(2):15～18.

[2] 瞿雷，劉盛德，胡咸斌，等.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3] 鄧?yán)?王子敬,范玲俐. 基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子元器件應(yīng)用,2010,(2):39～41.

[4] 肖艷.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析[J]. 中國公共安全(學(xué)術(shù)版)，2014，(19):139～144.

[5] 馬月輝,姚懿德,張洪濤. 基于虛擬儀器的箱梁蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,22(3):65～68.

DesignofTemperatureMeasurementSystemforMassConcreteBridgePiersBasedonZigBee

HU Dan-ning, WANG Xiao-ping, MA Yue-hui, CHENG Lu-lu

(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,ShijiazhuangRailwayUniversity，Shijiazhuang050043,China)

Considering complex wiring, poor extension and errors caused by artificial reading as well as the traditional mass concrete temperature measurement’s difficulty in real-time monitoring of concrete’s internal temperature, a wireless temperature measurement scheme based on ZigBee technology was proposed. In this scheme, the CC2530 SCM-cored slave computer constitutes a multi-point temperature monitoring system, and the data transmission employs ZigBee wireless sensor network working in master-slave mode, and the host computer makes use of LabVIEW software to monitor display interface so as to realize real-time monitoring of the concrete bridge pier temperature. This system can improve performance and reliability of the monitoring points greatly and both safety and reliability of the concrete after construction can be ensured.

ZigBee, LabVIEW，mass concrete, temperature monitoring

2016-01-23

TH865

A

1000-3932(2016)07-0751-03