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題在此提出了一種基于Zigbee和GPRS無線通信技術的支架結構安全監測系統。該系統由ZigBee技術組成無線傳感器網絡對支架結構立桿及剪刀撐部位進行應變和傾角的數據采集，智能無線傳感器將所采集數據直接或通過路由設備無線發送至協調器。GPRS網絡再將ZigBee協調器匯聚數據進行無線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，實時顯示監測現場數據，并能夠實現對數據的存儲、查詢及報警。實驗測試結果表明該系統能夠實現對支架結構的在線、快速、準確測量，從而滿足對支架結構進行長期實時監剎的要求。

支架法作為路橋施工中常見的一種方法，由于其施工技術成熟和方便、造價低廉、使用壽命長，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，不儀承受著鋼筋混凝土及各種建筑材料和建筑設備等載荷，同時還是施工人員垂直交通的通道和作業平臺。

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行離線的破壞性力學性能測試，以及搭建完成后監理人員的現場巡查檢測，檢測工具多為經緯儀、卷尺、角尺等傳統量測工具。這些力學破壞性檢測方法屬有損檢測，現場巡查的檢測方法更是加大了工程監理人員的勞動強度，并且只能抽樣檢測，完全不能滿足工程實際快速、實時、全面的檢測需要。因此，迫切需要發展一種無線安全監測技術，從而實現對支架結構的全面健康監測。

常見的無線通信技術從通信距離上可劃分為遠距離無線通信(如GPRS，GSM，LTE，CDMA等)和近距離無線通信(如UWB，WiFi，ZigBee，IrDA，Bluetooth等)。其中，GPRS技術由于具有永久在線、遠距離傳輸、數據傳輸速率高、按流量計費等特點而廣泛應用于移動商務、移動互聯網、工業控制等領域。ZigBee技術由于具有低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率以及較遠的傳輸距離等特點，廣泛應用于智能家居、無線抄表、工業控制、手機終端、樓宇自動化等領域，在無線通信領域具有顯而易見的優勢和潛在的應用價值。在充分利用GPRS遠距離通信技術以及ZigBee近距離無線組網技術的基礎上，將二者的優勢相互結合，開發了一種基于ZigBee和GPRS的支架結構安全監測系統。

1 系統總體架構

整個系統主要由無線傳感器網絡、GPRS網絡和Internet組成。其中，無線傳感器網絡采用ZigBee技術在支架施工現場進行無線組網，不同類型的設備分散布置于支架結構的被測位置處。其中，智能無線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無線射頻模塊發送，路由設備接收采集到的數據并將其轉發至ZigBee協調器設備，協調器設備再將路由設備轉發的數據通過RS 232串口傳輸至數據傳輸單元(Data Transmit Unit，GPRS DTU)，CPRS網絡與Internet網相連將數據送至遠程監控中心(即指揮中心)PC機網絡端口，并在LabVIEW人機交互軟件界面上顯示，最終實現支架結構無線安全監測。圖1為本系統整體框架圖。

2 系統硬件電路設計

2.1 智能無線傳感器

智能無線傳感器分散布置在支架結構的關鍵部位，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)實際施工中產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)混凝土澆筑過程中出現異常振動，未引起重視。

因此，通過測量支架結構的應力、位移、應變、振動、傾角等物理量，能夠實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。通過測量這兩個物理量，即可達到對支架結構進行全面監測的效果。智能無線傳感器由數據采集模塊、數據處理模塊、無線射頻模塊和電源管理模塊4部分組成。圖2為智能無線傳感器硬件框架圖。數據采集模塊采集支架監測區域關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，并通過角度變化的相對值來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行放大、濾波，再將處理后的模擬電信號經微控制器內部的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，該芯片具有低成本、低功耗、低供電等特點。AD626具有8個引腳。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端，4腳接一電容可實現低通濾波，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腳通過改正外接電阻阻值來調整電路放大倍數。AD626芯片引腳連接圖如圖3所示。

無線射頻模塊選用美國TI公司推出的CC2530芯片。它是一款完全兼容8051內核，同時支持IEEE802.15.4協議的無線射頻單片機，是一個真正的系統芯片(System on a chip，SoC)CMOS解決方案。芯片內部CPU對ADC轉換數據進行分析處理后將數據結果以數據包形式通過無線射頻進行發送。

電源管理模塊是整個設備能夠正常運行的保障。選用電池供電能夠滿足無線傳感器小體積、低功耗、低成本的要求。為了保證采集數據的精度及整個智能無線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，以減少電源波動對整個硬件電路的影響。

2.2 路由設備

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

2.3 協調器設備

協調器設備負責整個網絡的建立和維護，并管理路由設備或智能無線傳感器的加入和刪除。協調器設備最好安裝在監測現場中心位置，這樣能夠保證整個ZigBee網絡拓撲層數盡量少，減少設備資源的浪費。當整個網絡的啟動和配置功能完成之后，協調器設備便退化為一個普通的路由設備，此時，可以接收路由設備或智能無線傳感器發送的數據包，并將這些數據包通過RS 232串口轉發到GPRS DTU。協調器設備硬件框架圖如圖4所示。

協調器設備是整個無線網絡運行的核心，在其運行和維護中起著關鍵作用。為了保證整個網絡的正常運行，協調器設備采用外部供電的方式。

2.4 GPRS通信模塊

GPRS模塊將無線傳感器網絡和Internet網絡相連，實現了數據從監測現場到遠程監控中心的無線傳輸。模塊選用廈門某通信公司的CM316 0P，該設備具備TCP透明數據傳輸和UDP透明數據傳輸，在線檢測、在線維持、掉線自動重撥等功能，通過使用相應配置軟件，可以實現GPRS DTU的本地串口配置，為數據的發送和接收做準備。

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集成開發環境，在TI公司提供的ZStack—CC2530—2.2.2.1.3.0協議棧的基礎上進行該系統應用程序的開發。

對于與GPRS DTU相連接的協調器設備。系統上電后，首先進行硬件和協議棧的初始化，然后進行能量檢測，選擇出合適的工作參數，最后允許設備連接，啟動網絡。之后，協調器設備處于一直監測空中無線信號的狀態，當檢測到數據請求時，會接收并轉發數據至串口端。當協調器發送數據完成后，將處于空閑狀態，此時若有新的設備加入網絡，則協調器將與其建立連接并為其分配網絡地址。

路由設備成功加入網絡后，一直處于監測空中無線信號的狀態。當檢測到有來自其他設備的數據請求命令時，則對該數據包進行路由轉發。智能無線傳感器設備成功加入網絡后，則根據程序內部定時器已經設定好的時間間隔周期性地對應變值和傾角值進行采集與發送。圖5為協調器設備、路由設備和只能無線傳感器設備等三種設備節點的程序流程圖。

3.2 上位機軟件設計

本系統基于美國NI公司的LabVIEW軟件開發平臺，設計了支架結構無線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網絡中的協調器節點通過RS 232串口和GPRS網絡將采集到的數據無線傳輸至遠程監控中心PC機上，上位機軟件偵聽網絡端口號信息，根據接收到的數據包標識，將采集到的支架結構各個位置應變和傾角信息實時顯示到人機交互界面的對應位置，同時保存至Micro soft Office Access數據庫。當用戶需要對應變值和傾角值進行數據分析時，可根據采集時間以及設備號查詢歷史數據，并將查詢結果以曲線形式進行顯示。除此之外，軟件采用分級閾值報警機制對數據進行分類，當數據超過規定限值時，彈出報警提示對話框，并分別對應變和傾角使用狀態指示燈對不同等級的報警進行顯示，以便用戶及時采取相應措施，避免事故的發生。

4 系統測試

所搭建的支架結構安全監測實驗系統由協調器設備、路由設備、兩個智能無線傳感器設備、GPRS DTU、SIM卡及PC機監控軟件組成。智能無線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上網功能，協調器設備通過RS 232串口與GPRS DTU連接。開始測試時，上位機軟件設置好網絡端口號，并與GPRS DTU建立無線連接。然后，按順序依次啟動協調器設備、路由設備、智能無線傳感器。向支架立桿施加壓力，觀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，支架本身的立桿、橫桿、膠木板等會在所測位置形成由重力引起的初應力。而圖7中，智能無線傳感器安裝時近似垂直，因此測試結果也顯示支架立桿處角度為89°。

隨著時間的推移，通過向立桿上方逐漸增加重物，可以看出應變和傾角曲線同時出現了較大的變化。應變曲線變化較明顯，這是因為應變電橋具有高靈敏度，同時微弱信號又被放大，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。

通過上述分析，該系統能夠通過無線通信方式實現對支架結構監測區域應變和傾角的在線、快速、準確測量，從而滿足對支架結構進行長期實時監測的要求。

5 結語

本文建立基于ZigBee和GPRS無線通信技術支架結構安全監測系統。該系統通過分布式無線傳感器網絡采集支架結構的應變和傾角等數據，實現PC機監測軟件實時采集數據與閾值報警的功能。該系統組網靈活、簡單，可靠性強、實時性強。上位機監測軟件功能模塊獨立有序運行，操作界面友好。相比傳統有線監測該系統更智能、方便，使用戶足不出戶就可隨時掌握現場狀況。