基于ZigBee的大壩監(jiān)測系統(tǒng)接收終端研究

摘要：針對目前國內大壩狀況監(jiān)測系統(tǒng)存在結構復雜、成本過高、難以長期監(jiān)測等一系列問題，提出了一種基于ZigBee技術的大壩狀況監(jiān)測系統(tǒng)接收終端。該終端基于ARM硬件平臺和嵌入式Linux軟件平臺，通過ZigBee無線方式接收各種參數，并對數據進行分析、存儲、查詢等操作。工作人員通過用戶界面可以直觀獲取當前大壩狀態(tài)參數信息，并通過對歷史數據的分析對比，得出大壩狀態(tài)參數的變化趨勢，從而滿足對大壩進行長期實時監(jiān)測的要求。
關鍵詞：大壩監(jiān)測；ZigBee；ARM；Linux

0 引言
    我國領土廣闊，地質條件復雜，而且地震，火山等地殼活動分布普遍，導致近年來地質災害頻發(fā)，對災害地區(qū)的基礎設施造成了嚴重破壞，并對人民的生活生產帶來了安全隱患。大壩作為重要的基礎設施，投資巨大，使用期長，如果發(fā)生潰壩等事故會造成更大的災害，因此大壩的安全性是水電開發(fā)建設首要解決的問題，對大壩安全工作狀況的監(jiān)測是一項長期而重要的工作。
    由于技術水平的限制，長期以來，我國對大壩的安全監(jiān)測主要以人工方法為主。這種方法不能及時掌握大壩的安全狀況，又需監(jiān)測人員具有豐富的經驗，同時對人力、物力消耗過大，且誤差較大?，F(xiàn)有的一些有線監(jiān)測系統(tǒng)設備復雜，加之大壩周圍建設條件惡劣，經常難以有效布放。本文提出了一種基于ZigBee的大壩無線網絡監(jiān)測系統(tǒng)接收終端，以ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)來代替人工監(jiān)測和有線監(jiān)測，提高了監(jiān)測和評估的可靠性和實時性。采用ZigBee技術的大壩監(jiān)測系統(tǒng)，可滿足對大壩安全狀況長期實時監(jiān)測的要求。

1 ZigBee技術
    ZigBee技術是一種新興的低耗電、低速率、低成本、結構簡單、可靠性高的無線通信技術，頻段為2．4 GHz、868 MHz(歐洲)及915 MHz(美國)，為免執(zhí)照頻段，它使得在低電能和低吞吐量的應用環(huán)境中使用無線連接成為可能，便于移植在各種設備中，適合于電子自動控制監(jiān)測等領域。Z-Stack是TI公司開發(fā)的符合ZigBee規(guī)范2006的ZigBee協(xié)議棧。Z-Stack支持多種開發(fā)平臺，包括CC2430 SoC(System-on-chip，片上系統(tǒng))和CC2420+MSP430平臺。它具有以下特性：兼容ZigBee規(guī)范2006；支持多種平臺；簡單的應用開發(fā)環(huán)境；簡單的面向開發(fā)者的API；支持空中下載；具有無線節(jié)點定位能力等功能。Z-Stack采用模塊化設計方法，基于ZigBee規(guī)范中的協(xié)議棧架構進行設計。它將協(xié)議棧架構中不同的層以一單獨的模塊來實現(xiàn)，本層模塊向其上層模塊提供特定服務，模塊之間的通信通過接口來實現(xiàn)，此外，它還設計實現(xiàn)了其他管理和輔助模塊。通常每一個模塊包含的源文件的文件名以特定字符串開頭，通過文件名就可以很容易判斷該文件是屬于哪一個模塊并實現(xiàn)何種功能。部分模塊以庫的形式提供，只提供模塊的接口定義，無法查看具體的實現(xiàn)細節(jié)。對于用戶應用來說，這部分代碼不需要改變，只需要根據接口定義去了解該模塊提供什么樣的服務即可。這樣的封裝既防止了用戶對協(xié)議棧關鍵部分的誤改，也避免了用戶在開發(fā)過程中浪費大量時間去讀一些與應用實現(xiàn)無關的代碼，在一定程度上加速了應用程序的開發(fā)。

2 系統(tǒng)設計
    大壩監(jiān)測系統(tǒng)由前端采集終端、接收終端兩部分組成。每個前端采集模塊固定于大壩應力截面處，當監(jiān)測人員靠近大壩開啟手持的接收終端后，采集終端ZigBee模塊被喚醒并與手持接收終端的ZigBee模塊建立連接，并將傳感器(包括壓阻式傳感器，垂線儀傳感器，靜力水準傳感器，差動電阻式傳感器等)采集到的數據發(fā)送給接收終端，接收終端將接收到的數據存儲并分析。系統(tǒng)框架如圖1所示。限于篇幅，本文著重論述接收終端部分。

3 接收終端硬件設計
    手持接收終端利用ZigBee無線模塊實現(xiàn)無線數據接收，接收到的數據通過核心處理器完成數據的分析和處理。接收終端硬件組成框圖如圖2所示。

    由于接收終端要完成信息接收、信息顯示、信息存儲、信息查詢，需要支持無線網絡，對數據處理能力的要求較高，本設計選擇Samsung公司的S3C2410嵌入式處理器作為核心處理器。
    ZigBee模塊選用CC2430模塊。CC2430是TI公司生產的符合ZigBee標準的射頻收發(fā)器，工作在2．4 GHz，采用直接序列擴頻方式，數據傳輸率最高250 Kb／s，供電電壓為3．6 V，可方便移植Z-Stack協(xié)議棧。
    存儲單元包括兩片16位數據寬度的SDRAM存儲器和FLASH存儲器。FLASH存儲包括32 MB的NOR FLASH存儲器和8 MB的NAND FLASH存儲器，NOR FLASH支持程序芯片內執(zhí)行，大大提高了程序執(zhí)行速度，用于存放啟動代碼Bootloader，Linux內核映象等。
    NAND FLASH能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，價格低廉，寫入和擦除的速度也很快。用來存放Linux文件系統(tǒng)和用戶程序。
    LCD顯示器負責對采集到的數據進行顯示，USB存儲單元用來存儲接收到的大壩工作狀況參數數據，監(jiān)測人員可以通過對接收到的大量歷史數據查詢和分析，為后期的工作決策提供參考。

4 系統(tǒng)軟件設計
    本系統(tǒng)的軟件框架主要基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)功能，包括嵌入式系統(tǒng)引導程序Bootloader，Linux系統(tǒng)內核，文件系統(tǒng)，應用程序。Bootloader主要完成初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖的任務，以便為最終調用操作系統(tǒng)內核準備好正確的環(huán)境。本方案選用較為成熟的U-boot作為Bootloader。它操作簡便，同時提供了完備的命令體系，支持S3C2410處理器。Linux系統(tǒng)內核分為設備驅動程序，網絡堆棧，內存管理，進程管理，虛擬文件系統(tǒng)，系統(tǒng)調用接口。文件系統(tǒng)分為系統(tǒng)文件系統(tǒng)，用戶文件系統(tǒng)。接收終端的應用程序根據需求分為數據顯示，歷史數據查詢，數據存儲三個模塊。整個軟件結構如圖3所示。

4．1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)
    嵌入式Linux(Embedded Linux)是指對Linux經過裁剪小型化后，可固化在存儲器或單片機中，應用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux的開發(fā)和研究已經成為目前操作系統(tǒng)領域的一個熱點。與其他嵌入式操作系統(tǒng)相比，Linux的特點如表1所示。

4．2 設備驅動程序開發(fā)
    在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設備文件類型，一類是字符設備，另一類是塊設備。字符設備和塊設備的主要區(qū)別是：在對字符設備發(fā)出讀／寫請求時，實際的硬件I／O一般就緊接著發(fā)生了，塊設備則是利用一塊系統(tǒng)內存作緩沖區(qū)，當用戶進程對設備請求能滿足用戶的要求，就返回請求的數據，如果不能，就調用請求函數來進行實際的I／O操作。塊設備是主要針對磁盤等慢速設備設計的，以免耗費過多的CPU時間來等待。
    本系統(tǒng)主要是對ZigBee模塊的串口驅動，屬于字符設備驅動程序。主要包括open，close，read，write，ioctl等函數，把它們統(tǒng)一定義在結構體file operations中。
4．3 應用程序設計
    接收終端的應用程序開發(fā)根據系統(tǒng)功能的需求采用模塊化的設計方案，具體有如下幾個主要功能模塊：數據收發(fā)模塊、數據存儲模塊、數據查詢模塊、系統(tǒng)界面模塊。

    手持接收終端軟件采用多線程實現(xiàn)模塊化，主要包括主程序、數據收發(fā)線程、數據顯示線程。系統(tǒng)上電后，主程序首先執(zhí)行，完成系統(tǒng)硬件初始化，配置ZigBee模塊參數，然后創(chuàng)建收發(fā)線程、顯示線程兩個線程，如圖4所示。線程任務都結束后，如無系統(tǒng)命令，則ZigBee模塊進入節(jié)電模式，主程序退出。收發(fā)線程先要調用CreateFile函數打開串口，設置串口參數，通過ZigBee模塊發(fā)送控制指令與采集前端建立無線通信，然后調用writeFile函數接收并存儲數據，數據讀寫完畢后關閉串口退出線程。顯示線程負責將接收到的數據經過處理器二次處理后，通過人機交互界面顯示到LCD上。

5 結論
    基于ZigBee的大壩監(jiān)測接收終端，利用低功耗的ZigBee技術將前端采集模塊獲得的大壩結構應力應變、裂縫、滲流滲壓等重要狀態(tài)參數，接收并存儲。分析人員可及時由接收終端獲取大壩的參數信息，為大壩的安全評判提供了一種方便可靠的方法。
    該技術比傳統(tǒng)方法維護簡單，監(jiān)測靈活，具有很強的實踐價值。接收終端基于ARM9硬件平臺，嵌入式Linux操作系統(tǒng)軟件平臺和ZigBee無線通信技術，通過無線方式發(fā)送接收各種參數，并對數據進行分析、存儲、查詢等操作。工作人員通過人機交互界面可以直觀獲取當前大壩狀態(tài)參數信息，并通過歷史數據的分析對比，得出大壩狀態(tài)參數的變化趨勢，從而滿足對大壩進行長期實時監(jiān)測的要求。