基于ZigBee和GPRS的支架結構安全監測系統設計

摘要：作為路橋施工中常見(jiàn)的一種結構，路橋支架結構存在施工監理和在役監測難，以及檢測手段有限等問(wèn)題在此提出了一種基于Zigbee和GPRS無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的支架結構安全監測系統。該系統由ZigBee技術(shù)組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對支架結構立桿及剪刀撐部位進(jìn)行應變和傾角的數據采集，智能無(wú)線(xiàn)傳感器將所采集數據直接或通過(guò)路由設備無(wú)線(xiàn)發(fā)送至協(xié)調器。GPRS網(wǎng)絡(luò )再將ZigBee協(xié)調器匯聚數據進(jìn)行無(wú)線(xiàn)遠傳至遠程監控中心監測軟件。上位機監測軟件采用LabVIEW編寫(xiě)，實(shí)時(shí)顯示監測現場(chǎng)數據，并能夠實(shí)現對數據的存儲、查詢(xún)及報警。實(shí)驗測試結果表明該系統能夠實(shí)現對支架結構的在線(xiàn)、快速、準確測量，從而滿(mǎn)足對支架結構進(jìn)行長(cháng)期實(shí)時(shí)監剎的要求。

支架法作為路橋施工中常見(jiàn)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(cháng)，因此獲得了廣泛的使用。支架結構作為路橋結構施工的載體，不儀承受著(zhù)鋼筋混凝土及各種建筑材料和建筑設備等載荷，同時(shí)還是施工人員垂直交通的通道和作業(yè)平臺。

目前我國對支架結構的施工監理、在役監測手段極為有限，通常采用在支架結構構件組裝前對其進(jìn)行離線(xiàn)的破壞性力學(xué)性能測試，以及搭建完成后監理人員的現場(chǎng)巡查檢測，檢測工具多為經(jīng)緯儀、卷尺、角尺等傳統量測工具。這些力學(xué)破壞性檢測方法屬有損檢測，現場(chǎng)巡查的檢測方法更是加大了工程監理人員的勞動(dòng)強度，并且只能抽樣檢測，完全不能滿(mǎn)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(wú)線(xiàn)安全監測技術(shù)，從而實(shí)現對支架結構的全面健康監測。

常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)從通信距離上可劃分為遠距離無(wú)線(xiàn)通信(如GPRS，GSM，LTE，CDMA等)和近距離無(wú)線(xiàn)通信(如UWB，WiFi，ZigBee，IrDA，Bluetooth等)。其中，GPRS技術(shù)由于具有永久在線(xiàn)、遠距離傳輸、數據傳輸速率高、按流量計費等特點(diǎn)而廣泛應用于移動(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、低復雜度、低傳輸速率以及較遠的傳輸距離等特點(diǎn)，廣泛應用于智能家居、無(wú)線(xiàn)抄表、工業(yè)控制、手機終端、樓宇自動(dòng)化等領(lǐng)域，在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域具有顯而易見(jiàn)的優(yōu)勢和潛在的應用價(jià)值。在充分利用GPRS遠距離通信技術(shù)以及ZigBee近距離無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)的基礎上，將二者的優(yōu)勢相互結合，開(kāi)發(fā)了一種基于ZigBee和GPRS的支架結構安全監測系統。

1 系統總體架構

整個(gè)系統主要由無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、GPRS網(wǎng)絡(luò )和Internet組成。其中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采用ZigBee技術(shù)在支架施工現場(chǎng)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，不同類(lèi)型的設備分散布置于支架結構的被測位置處。其中，智能無(wú)線(xiàn)傳感器設備負責采集支架自身監測區域的數據，并將采集到的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻模塊發(fā)送，路由設備接收采集到的數據并將其轉發(fā)至ZigBee協(xié)調器設備，協(xié)調器設備再將路由設備轉發(fā)的數據通過(guò)RS 232串口傳輸至數據傳輸單元(Data Transmit Unit，GPRS DTU)，CPRS網(wǎng)絡(luò )與Internet網(wǎng)相連將數據送至遠程監控中心(即指揮中心)PC機網(wǎng)絡(luò )端口，并在LabVIEW人機交互軟件界面上顯示，最終實(shí)現支架結構無(wú)線(xiàn)安全監測。圖1為本系統整體框架圖。

2 系統硬件電路設計

2.1 智能無(wú)線(xiàn)傳感器

智能無(wú)線(xiàn)傳感器分散布置在支架結構的關(guān)鍵部位，根據對支架結構倒塌原因的分析研究，總結出所需的被測物理量。常見(jiàn)的倒塌原因有：

(1)支架承載力不滿(mǎn)足要求，局部立桿被壓彎失穩導致整體坍塌;

(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(整體均勻下沉另當別論)，下沉的立桿所應該分擔的荷載轉嫁到未下沉立桿上，造成未下沉立桿超載失穩;

(4)不均勻加載;

(5)混凝土澆筑過(guò)程中出現異常振動(dòng)，未引起重視。

因此，通過(guò)測量支架結構的應力、位移、應變、振動(dòng)、傾角等物理量，能夠實(shí)現支架結構整體的測量。將上述物理量之間相互轉換，最終可歸納為測量支架結構的應變和傾角。通過(guò)測量這兩個(gè)物理量，即可達到對支架結構進(jìn)行全面監測的效果。智能無(wú)線(xiàn)傳感器由數據采集模塊、數據處理模塊、無(wú)線(xiàn)射頻模塊和電源管理模塊4部分組成。圖2為智能無(wú)線(xiàn)傳感器硬件框架圖。數據采集模塊采集支架監測區域關(guān)鍵部位的應變和傾角信息。應變片主要負責采集支架立桿結構的應變值，通過(guò)惠斯通電橋將其轉化為微弱變化的電壓量。傾角傳感器則負責監測支架結構傾斜角度的變化，并通過(guò)角度變化的相對值來(lái)判斷支架整體結構的安全穩定性。

數據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)微控制器內部的ADC轉換為數字信號。在此選擇美國AD公司的AD626實(shí)現。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)。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接線(xiàn)端，4腳接一電容可實(shí)現低通濾波，濾波器截止頻率fw計算公式如式(1)所示：

式中Cf為4腳外接電容容值。

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

無(wú)線(xiàn)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內核，同時(shí)支持IEEE802.15.4協(xié)議的無(wú)線(xiàn)射頻單片機，是一個(gè)真正的系統芯片(System on a chip，SoC)CMOS解決方案。芯片內部CPU對ADC轉換數據進(jìn)行分析處理后將數據結果以數據包形式通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻進(jìn)行發(fā)送。

電源管理模塊是整個(gè)設備能夠正常運行的保障。選用電池供電能夠滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器小體積、低功耗、低成本的要求。為了保證采集數據的精度及整個(gè)智能無(wú)線(xiàn)傳感器模塊的工作性能，采用REG1117-3.3穩壓芯片搭建電源穩壓電路，以減少電源波動(dòng)對整個(gè)硬件電路的影響。

2.2 路由設備

路由設備主要負責協(xié)助與其連接的智能無(wú)線(xiàn)傳感器和協(xié)調器設備之間的通信，并通過(guò)多跳路由的方式進(jìn)行中繼傳輸，擴大通信距離。路由設備也是分散的安裝在支架結構上，安裝時(shí)遵照無(wú)線(xiàn)連接覆蓋智能無(wú)線(xiàn)傳感器設備數量最多的原則。路由設備只負責傳輸數據，因此與智能無(wú)線(xiàn)傳感器相比，不具備數據采集模塊和數據處理模塊。

2.3 協(xié)調器設備

協(xié)調器設備負責整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的建立和維護，并管理路由設備或智能無(wú)線(xiàn)傳感器的加入和刪除。協(xié)調器設備最好安裝在監測現場(chǎng)中心位置，這樣能夠保證整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )拓撲層數盡量少，減少設備資源的浪費。當整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的啟動(dòng)和配置功能完成之后，協(xié)調器設備便退化為一個(gè)普通的路由設備，此時(shí)，可以接收路由設備或智能無(wú)線(xiàn)傳感器發(fā)送的數據包，并將這些數據包通過(guò)RS 232串口轉發(fā)到GPRS DTU。協(xié)調器設備硬件框架圖如圖4所示。

協(xié)調器設備是整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )運行的核心，在其運行和維護中起著(zhù)關(guān)鍵作用。為了保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的正常運行，協(xié)調器設備采用外部供電的方式。

2.4 GPRS通信模塊

GPRS模塊將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和Internet網(wǎng)絡(luò )相連，實(shí)現了數據從監測現場(chǎng)到遠程監控中心的無(wú)線(xiàn)傳輸。模塊選用廈門(mén)某通信公司的CM316 0P，該設備具備TCP透明數據傳輸和UDP透明數據傳輸，在線(xiàn)檢測、在線(xiàn)維持、掉線(xiàn)自動(dòng)重撥等功能，通過(guò)使用相應配置軟件，可以實(shí)現GPRS DTU的本地串口配置，為數據的發(fā)送和接收做準備。

3 系統軟件程序設計

3.1 下位機程序設計

下位機程序設計使用IAR Embedded Workbench集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，在TI公司提供的ZStack—CC2530—2.2.2.1.3.0協(xié)議棧的基礎上進(jìn)行該系統應用程序的開(kāi)發(fā)。

對于與GPRS DTU相連接的協(xié)調器設備。系統上電后，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，最后允許設備連接，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )。之后，協(xié)調器設備處于一直監測空中無(wú)線(xiàn)信號的狀態(tài)，當檢測到數據請求時(shí)，會(huì )接收并轉發(fā)數據至串口端。當協(xié)調器發(fā)送數據完成后，將處于空閑狀態(tài)，此時(shí)若有新的設備加入網(wǎng)絡(luò )，則協(xié)調器將與其建立連接并為其分配網(wǎng)絡(luò )地址。

路由設備成功加入網(wǎng)絡(luò )后，一直處于監測空中無(wú)線(xiàn)信號的狀態(tài)。當檢測到有來(lái)自其他設備的數據請求命令時(shí)，則對該數據包進(jìn)行路由轉發(fā)。智能無(wú)線(xiàn)傳感器設備成功加入網(wǎng)絡(luò )后，則根據程序內部定時(shí)器已經(jīng)設定好的時(shí)間間隔周期性地對應變值和傾角值進(jìn)行采集與發(fā)送。圖5為協(xié)調器設備、路由設備和只能無(wú)線(xiàn)傳感器設備等三種設備節點(diǎn)的程序流程圖。

3.2 上位機軟件設計

本系統基于美國NI公司的LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺，設計了支架結構無(wú)線(xiàn)安全監控系統上位機軟件，圖6為系統上位機軟件設計流程。

首先，ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器節點(diǎn)通過(guò)RS 232串口和GPRS網(wǎng)絡(luò )將采集到的數據無(wú)線(xiàn)傳輸至遠程監控中心PC機上，上位機軟件偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò )端口號信息，根據接收到的數據包標識，將采集到的支架結構各個(gè)位置應變和傾角信息實(shí)時(shí)顯示到人機交互界面的對應位置，同時(shí)保存至Micro soft Office Access數據庫。當用戶(hù)需要對應變值和傾角值進(jìn)行數據分析時(shí)，可根據采集時(shí)間以及設備號查詢(xún)歷史數據，并將查詢(xún)結果以曲線(xiàn)形式進(jìn)行顯示。除此之外，軟件采用分級閾值報警機制對數據進(jìn)行分類(lèi)，當數據超過(guò)規定限值時(shí)，彈出報警提示對話(huà)框，并分別對應變和傾角使用狀態(tài)指示燈對不同等級的報警進(jìn)行顯示，以便用戶(hù)及時(shí)采取相應措施，避免事故的發(fā)生。

4 系統測試

所搭建的支架結構安全監測實(shí)驗系統由協(xié)調器設備、路由設備、兩個(gè)智能無(wú)線(xiàn)傳感器設備、GPRS DTU、SIM卡及PC機監控軟件組成。智能無(wú)線(xiàn)傳感器分別安裝在支架結構的不同立桿上，應變片連接成半橋形式與智能無(wú)線(xiàn)傳感器相連，如圖7所示。

將SIM卡置于GPRS DTU中并開(kāi)通GPRS上網(wǎng)功能，協(xié)調器設備通過(guò)RS 232串口與GPRS DTU連接。開(kāi)始測試時(shí)，上位機軟件設置好網(wǎng)絡(luò )端口號，并與GPRS DTU建立無(wú)線(xiàn)連接。然后，按順序依次啟動(dòng)協(xié)調器設備、路由設備、智能無(wú)線(xiàn)傳感器。向支架立桿施加壓力，觀(guān)察上位機監測軟件得到的應變和傾角值。軟件測試輸出結果如圖8所示。

根據軟件測試結果，可知該系統在初始位置具有初應變及傾角值，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(huì )在所測位置形成由重力引起的初應力。而圖7中，智能無(wú)線(xiàn)傳感器安裝時(shí)近似垂直，因此測試結果也顯示支架立桿處角度為89°。

隨著(zhù)時(shí)間的推移，通過(guò)向立桿上方逐漸增加重物，可以看出應變和傾角曲線(xiàn)同時(shí)出現了較大的變化。應變曲線(xiàn)變化較明顯，這是因為應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，應變值和傾角值才趨于穩定。

通過(guò)上述分析，該系統能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式實(shí)現對支架結構監測區域應變和傾角的在線(xiàn)、快速、準確測量，從而滿(mǎn)足對支架結構進(jìn)行長(cháng)期實(shí)時(shí)監測的要求。

5 結語(yǔ)

本文建立基于ZigBee和GPRS無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)支架結構安全監測系統。該系統通過(guò)分布式無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采集支架結構的應變和傾角等數據，實(shí)現PC機監測軟件實(shí)時(shí)采集數據與閾值報警的功能。該系統組網(wǎng)靈活、簡(jiǎn)單，可靠性強、實(shí)時(shí)性強。上位機監測軟件功能模塊獨立有序運行，操作界面友好。相比傳統有線(xiàn)監測該系統更智能、方便，使用戶(hù)足不出戶(hù)就可隨時(shí)掌握現場(chǎng)狀況。