基于ZigBee+云服務器的橋梁基質穩定性監測系統

唐磊++余金暉++徐曉露++邢恩惠

摘 要：隨著科技的發展，人類對災害的監測預警要求也越來越高，橋梁的基質穩定性是整個橋梁穩定性的重要基礎，直接關系到群眾的生命財產安全。文中設計了一套實時監測橋梁基質高度變化的物聯網+云服務器系統。利用ZigBee技術設計的高度監測傳感器監測各橋墩的基質高度，利用云服務器分析處理數據，實現監測及預警功能。

關鍵詞：CC2530；SIM900A；云服務器；橋梁穩定性

中圖分類號：TP277.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

在橋梁工程領域，隨著各類自然及人為災害的增加，對橋梁穩定性監測和預警的要求也越來越高。目前，橋梁監測主要集中在橋面、橋墩等橋體的監測，而對于橋梁橋墩所在基質（基礎地質條件）的監測卻相對較少。基質是橋梁穩定的重要基礎，當基質經過流水沖刷，地質條件發生變化時，橋墩的穩定性會隨基質變化直接影響整個橋梁的穩定性。

本文設計了一個基于CC2530無線傳感網絡，利用GPRS通訊及云服務器的橋梁基質監測系統。實現了將監測所得的各橋墩基質高度數據上傳至云服務器處理并預警的功能。

1 系統簡介

系統設計包含物聯網層、承載網絡和應用層三個部分，其中物聯網層將CC2530作為基礎，設計監測基質高度的無線傳感器，每個橋墩都安裝一個傳感器作為ZigBee無線網絡的終端或中繼設備。協調器與SIM900A通過串口進行數據通訊，控制SIM900A連接GPRS，通過GPRS網絡發送數據至服務器或接收來自服務器的指令。系統基礎結構如圖1所示。

根據ZigBee網絡的特點[1]，網絡內使用短地址進行通訊，而重新組網后短地址可能會發生變化，系統設計使用CC2530的長地址（IEEE地址）作為區分唯一設備的ID，長地址為64位全球唯一識別碼，不會更改。服務器數據庫保存橋墩的長地址，每次終端注冊時數據庫更新長地址對應的短地址。物聯網層與服務器通訊簡圖如圖2所示。

系統設計一座橋只有一個協調器和GSM模塊，即一座橋只有一個確定的IP地址和端口。如圖2所示，系統要與某座橋的某個橋墩進行通訊的步驟為：查詢橋墩綁定的長地址——查詢長地址對應的IP、端口及短地址——往IP和端口發送包含短地址的數據——IP對應的GSM模塊收到數據——發送到協調器——通過短地址發送到終端。如此，系統即可實現服務器與多座橋不同橋墩傳感器之間的通訊。

2 系統硬件設計

2.1 基質監測傳感器設計

由于橋梁橋墩基質測量的特殊性，沒有現成的即方便又經濟的傳感器可以使用，論文以CC2530為核心芯片設計了一款綜合測量和無線通訊傳感器。傳感器采用磁環+普通的霍爾傳感器作為測量部分[2]，CC2530作為中控部分，磁環和塑料墊片相隔放置于一定長度的PVC管中，一個磁環和墊片的高度為5 mm，即測量的精度為5 mm。傳感器樣機如圖3所示。

圖中所示為橫向放置，正常安裝時為豎向安裝，傳感器底座和PVC管為一體，穿過CC2530電路板，兩者之間可以相互移動，當有位移時，電路板上的霍爾傳感器感應到變化則通知CC2530產生一次中斷，每產生一次中斷移動5 mm距離。傳感器在橋墩上安裝的示意圖如圖4所示。

由圖4可知，無線傳感器的CC2530部分與大鋼管為一體，安裝固定在橋墩上，底座、PVC管同小鋼管固定，PVC管穿過CC2530的感應器，小鋼管套入大鋼管內，底座沉入水底與基質接觸。當基質高度降低時，小鋼管跟隨降低，當降低高度達到分辨率5 mm時，CC2530產生一次中斷，系統監測到高度變化后，傳感器計算當前高度，將高度數據通過協調器發送到服務器。

2.2 協調器設計

協調器電路設計與常用CC2530電路設計類似，加入SIM900A模塊，利用串口與協調器通訊。其樣機如圖5所示。

2.3 供電設計

考慮到設備都在戶外運行，系統設計協調器和傳感器都采用太陽能板+蓄電池的供電模式。

3 CC2530程序設計

根據系統功能，程序設計分為協調器程序和無線傳感器程序兩個部分。無線傳感器可以作為終端或中繼使用。

3.1 協調器程序設計

協調器主要用于數據處理，組建ZigBee網絡，接收橋墩的監測數據并通過SIM900A發送到服務器，接收服務器的控制查詢數據并將數據下發至終端或中繼設備。程序主要分為組網、串口通訊、無線通訊三個模塊。

在組網程序方面，協調器運行Z-Stack協議棧與終端或中繼設備組網，該部分程序只需在Z-Stack協議棧[3]基礎上稍做修改即可。

串口程序的設計主要使用AT指令與SIM900A模塊進行通訊。通過程序設計，讓CC2530根據AT指令模式發送和接收數據并判斷命令類型，實現GPRS連接和數據傳輸。與服務器間的數據通訊通過UDP實現。

無線通訊程序主要接收處理橋墩終端上傳的數據，包括注冊、心跳、高度數據、報警等，將數據按照協議格式通過串口和GPRS發送至服務器。處理串口轉換過來的相關指令并發送至橋墩終端。協調器端程序流程圖如圖6所示。

3.2 終端傳感器程序設計

終端傳感器的主要功能包括與協調器組網通訊，接收協調器指令進行查詢、設置基質初始高度等，監測基質高度變化，并將變化后的高度數據發送至協調器。按照功能區分，將終端程序的設計分為組網程序、傳感器程序和無線接收處理三個模塊。傳感器端程序流程如圖7所示。

圖7 傳感器端程序流程

終端組網程序同樣使用Z-Stack協議棧，在協議棧的基礎上稍做修改，組網時讀取短地址和長地址并發送到協調器。

傳感器程序主要利用I/O口中斷，每中斷一次表明基質高度發生5 mm變化，程序根據初始設置高度值計算當前高度并上報至協調器，若短時間內高度變化過快則發送報警指令等。

無線數據處理模塊主要處理來自協調器的指令，包括查詢、設置高度等指令。程序接收到指令后，根據協議做相應的處理。此外，程序還設計了1分鐘定時向服務器發送心跳的功能，以表明設備在網，方便服務器處理。

4 云服務器功能設計

云服務器是系統運行的核心部分，論文所用系統將阿里云的云服務器作為基礎，設計數據庫和應用，實現橋梁基質的實時監測。云服務器主要包含數據庫設計，網絡通訊設計和應用層設計三個模塊。人機界面設計如圖8所示。

數據庫設計使用SQL Server2008進行數據管理，根據系統功能數據庫保存橋梁各橋墩傳感器的長地址和短地址，保存每座橋梁SIM900A的IP地址和端口及每個橋墩的高度數據等。

網絡通訊設計主要用于服務器跟橋梁和橋墩傳感器之間的通訊。論文使用UDP完成，根據設計的通信協議以及數據庫功能保證通訊正常進行。通訊指令包含注冊、心跳、高度數據、設置、報警等類型。

應用層設計主要是人機界面設計。論文采用地圖供應商提供的接口[4]，將監測的橋梁以地圖模式顯示，此外，還包括設備綁定、查詢、報警等功能。

圖中左側為各橋梁以及橋墩的信息，中間為當前橋梁的地圖位置，下方為橋梁各橋墩的基質高度信息。菜單包括綁定傳感器、設置等功能。

5 結 語

本文設計了一種監測橋墩基質高度變化的傳感器，利用ZigBee網絡+云服務器實現了實時監測橋梁橋墩基質高度變化的功能，系統設計友好的人機界面將監測數據進行直觀展現，系統無需人工值守即可實現遠程實時監測、報警等功能。目前，該系統已在麗水市宣平港大橋投入測試階段，測試期間系統穩定，各項功能均正常運行。

參考文獻

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