基于ZigBee和GPRS的支架結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)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(cè)難，以及檢測(cè)手段有限等問(wèn)題在此提出了一種基于Zigbee和GPRS無(wú)線通信技術(shù)的支架結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由ZigBee技術(shù)組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(wú)線傳感器將所采集數(shù)據(jù)直接或通過(guò)路由設(shè)備無(wú)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(wú)線遠(yuǎn)傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)軟件。上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件采用LabVIEW編寫，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢及報(bào)警。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)支架結(jié)構(gòu)的在線、快速、準(zhǔn)確測(cè)量，從而滿足對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)剎的要求。

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(zhǎng)，因此獲得了廣泛的使用。支架結(jié)構(gòu)作為路橋結(jié)構(gòu)施工的載體，不儀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(tái)。

目前我國(guó)對(duì)支架結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)理、在役監(jiān)測(cè)手段極為有限，通常采用在支架結(jié)構(gòu)構(gòu)件組裝前對(duì)其進(jìn)行離線的破壞性力學(xué)性能測(cè)試，以及搭建完成后監(jiān)理人員的現(xiàn)場(chǎng)巡查檢測(cè)，檢測(cè)工具多為經(jīng)緯儀、卷尺、角尺等傳統(tǒng)量測(cè)工具。這些力學(xué)破壞性檢測(cè)方法屬有損檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)巡查的檢測(cè)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(cè)，完全不能滿足工程實(shí)際快速、實(shí)時(shí)、全面的檢測(cè)需要。因此，迫切需要發(fā)展一種無(wú)線安全監(jiān)測(cè)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)支架結(jié)構(gòu)的全面健康監(jiān)測(cè)。

常見的無(wú)線通信技術(shù)從通信距離上可劃分為遠(yuǎn)距離無(wú)線通信(如GPRS，GSM，LTE，CDMA等)和近距離無(wú)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(wú)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(wú)線通信領(lǐng)域具有顯而易見的優(yōu)勢(shì)和潛在的應(yīng)用價(jià)值。在充分利用GPRS遠(yuǎn)距離通信技術(shù)以及ZigBee近距離無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，將二者的優(yōu)勢(shì)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(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)主要由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet組成。其中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee技術(shù)在支架施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行無(wú)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(cè)位置處。其中，智能無(wú)線傳感器設(shè)備負(fù)責(zé)采集支架自身監(jiān)測(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)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(guò)RS 232串口傳輸至數(shù)據(jù)傳輸單元(Data Transmit Unit，GPRS DTU)，CPRS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(wú)線安全監(jiān)測(cè)。圖1為本系統(tǒng)整體框架圖。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 智能無(wú)線傳感器

智能無(wú)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(duì)支架結(jié)構(gòu)倒塌原因的分析研究，總結(jié)出所需的被測(cè)物理量。常見的倒塌原因有：

(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(guò)程中出現(xiàn)異常振動(dòng)，未引起重視。

因此，通過(guò)測(cè)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(cè)量。將上述物理量之間相互轉(zhuǎn)換，最終可歸納為測(cè)量支架結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和傾角。通過(guò)測(cè)量這兩個(gè)物理量，即可達(dá)到對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)的效果。智能無(wú)線傳感器由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線射頻模塊和電源管理模塊4部分組成。圖2為智能無(wú)線傳感器硬件框架圖。數(shù)據(jù)采集模塊采集支架監(jiān)測(cè)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(guò)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(cè)支架結(jié)構(gòu)傾斜角度的變化，并通過(guò)角度變化的相對(duì)值來(lái)判斷支架整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)處理模塊主要功能是將微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，再將處理后的模擬電信號(hào)經(jīng)微控制器內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。在此選擇美國(guó)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(hào)并且不使用其他有源元件對(duì)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(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：

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(diào)整電路放大倍數(shù)。AD626芯片引腳連接圖如圖3所示。

無(wú)線射頻模塊選用美國(guó)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IEEE802.15.4協(xié)議的無(wú)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。芯片內(nèi)部CPU對(duì)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(guò)無(wú)線射頻進(jìn)行發(fā)送。

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(wú)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(wú)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(duì)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(wú)線傳感器和協(xié)調(diào)器設(shè)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(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(wú)線連接覆蓋智能無(wú)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(wú)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(wú)線傳感器的加入和刪除。協(xié)調(diào)器設(shè)備最好安裝在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(wú)線傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并將這些數(shù)據(jù)包通過(guò)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。

協(xié)調(diào)器設(shè)備是整個(gè)無(wú)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。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(wú)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(cè)現(xiàn)場(chǎng)到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的無(wú)線傳輸。模塊選用廈門某通信公司的CM316 0P，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(cè)、在線維持、掉線自動(dòng)重?fù)艿裙δ埽ㄟ^(guò)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)。

對(duì)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(cè)，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)。之后，協(xié)調(diào)器設(shè)備處于一直監(jiān)測(cè)空中無(wú)線信號(hào)的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，會(huì)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(cè)空中無(wú)線信號(hào)的狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到有來(lái)自其他設(shè)備的數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令時(shí)，則對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)。智能無(wú)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(duì)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(wú)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(guó)NI公司的LabVIEW軟件開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了支架結(jié)構(gòu)無(wú)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(guò)RS 232串口和GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)無(wú)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(hào)信息，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包標(biāo)識(shí)，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(duì)應(yīng)位置，同時(shí)保存至Micro soft Office Access數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)用戶需要對(duì)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(hào)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(jí)閾值報(bào)警機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)規(guī)定限值時(shí)，彈出報(bào)警提示對(duì)話框，并分別對(duì)應(yīng)變和傾角使用狀態(tài)指示燈對(duì)不同等級(jí)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。

4 系統(tǒng)測(cè)試

所搭建的支架結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)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(wú)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(wú)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(wú)線傳感器相連，如圖7所示。

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(guò)RS 232串口與GPRS DTU連接。開始測(cè)試時(shí)，上位機(jī)軟件設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)，并與GPRS DTU建立無(wú)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(wú)線傳感器。向支架立桿施加壓力，觀察上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件得到的應(yīng)變和傾角值。軟件測(cè)試輸出結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)軟件測(cè)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(huì)在所測(cè)位置形成由重力引起的初應(yīng)力。而圖7中，智能無(wú)線傳感器安裝時(shí)近似垂直，因此測(cè)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(guò)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(hào)又被放大，因此能夠很容易被檢測(cè)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(guò)上述分析，該系統(tǒng)能夠通過(guò)無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)支架結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)區(qū)域應(yīng)變和傾角的在線、快速、準(zhǔn)確測(cè)量，從而滿足對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文建立基于ZigBee和GPRS無(wú)線通信技術(shù)支架結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)分布式無(wú)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(cè)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(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。上位機(jī)監(jiān)測(cè)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(cè)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(chǎng)狀況。