基于ZigBee和GPRS的支架结构安全监测系统设计

摘要：作为路桥施工中常见的一种结构，路桥支架结构存在施工监理和在役监测难，以及检测手段有限等问题在此提出了一种基于Zigbee和GPRS无线通信技术的支架结构安全监测系统。该系统由ZigBee技术组成无线传感器网络对支架结构立杆及剪刀撑部位进行应变和倾角的数据采集，智能无线传感器将所采集数据直接或通过路由设备无线发送至协调器。GPRS网络再将ZigBee协调器汇聚数据进行无线远传至远程监控中心监测软件。上位机监测软件采用LabVIEW编写，实时显示监测现场数据，并能够实现对数据的存储、查询及报警。实验测试结果表明该系统能够实现对支架结构的在线、快速、准确测量，从而满足对支架结构进行长期实时监刹的要求。

支架法作为路桥施工中常见的一种方法，由于其施工技术成熟和方便、造价低廉、使用寿命长，因此获得了广泛的使用。支架结构作为路桥结构施工的载体，不仪承受着钢筋混凝土及各种建筑材料和建筑设备等载荷，同时还是施工人员垂直交通的通道和作业平台。

目前我国对支架结构的施工监理、在役监测手段极为有限，通常采用在支架结构构件组装前对其进行离线的破坏性力学性能测试，以及搭建完成后监理人员的现场巡查检测，检测工具多为经纬仪、卷尺、角尺等传统量测工具。这些力学破坏性检测方法属有损检测，现场巡查的检测方法更是加大了工程监理人员的劳动强度，并且只能抽样检测，完全不能满足工程实际快速、实时、全面的检测需要。因此，迫切需要发展一种无线安全监测技术，从而实现对支架结构的全面健康监测。

常见的无线通信技术从通信距离上可划分为远距离无线通信(如GPRS，GSM，LTE，CDMA等)和近距离无线通信(如UWB，WiFi，ZigBee，IrDA，Bluetooth等)。其中，GPRS技术由于具有永久在线、远距离传输、数据传输速率高、按流量计费等特点而广泛应用于移动商务、移动互联网、工业控制等领域。ZigBee技术由于具有低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率以及较远的传输距离等特点，广泛应用于智能家居、无线抄表、工业控制、手机终端、楼宇自动化等领域，在无线通信领域具有显而易见的优势和潜在的应用价值。在充分利用GPRS远距离通信技术以及ZigBee近距离无线组网技术的基础上，将二者的优势相互结合，开发了一种基于ZigBee和GPRS的支架结构安全监测系统。

1 系统总体架构

整个系统主要由无线传感器网络、GPRS网络和Internet组成。其中，无线传感器网络采用ZigBee技术在支架施工现场进行无线组网，不同类型的设备分散布置于支架结构的被测位置处。其中，智能无线传感器设备负责采集支架自身监测区域的数据，并将采集到的数据通过无线射频模块发送，路由设备接收采集到的数据并将其转发至ZigBee协调器设备，协调器设备再将路由设备转发的数据通过RS 232串口传输至数据传输单元(Data Transmit Unit，GPRS DTU)，CPRS网络与Internet网相连将数据送至远程监控中心(即指挥中心)PC机网络端口，并在LabVIEW人机交互软件界面上显示，最终实现支架结构无线安全监测。图1为本系统整体框架图。

2 系统硬件电路设计

2.1 智能无线传感器

智能无线传感器分散布置在支架结构的关键部位，根据对支架结构倒塌原因的分析研究，总结出所需的被测物理量。常见的倒塌原因有：

(1)支架承载力不满足要求，局部立杆被压弯失稳导致整体坍塌;

(2)立杆垂直高度误差偏大，部分扣件未拧紧，水平杆连接未采用搭接方式;

(3)实际施工中产生局部地基不均匀下沉(整体均匀下沉另当别论)，下沉的立杆所应该分担的荷载转嫁到未下沉立杆上，造成未下沉立杆超载失稳;

(4)不均匀加载;

(5)混凝土浇筑过程中出现异常振动，未引起重视。

因此，通过测量支架结构的应力、位移、应变、振动、倾角等物理量，能够实现支架结构整体的测量。将上述物理量之间相互转换，最终可归纳为测量支架结构的应变和倾角。通过测量这两个物理量，即可达到对支架结构进行全面监测的效果。智能无线传感器由数据采集模块、数据处理模块、无线射频模块和电源管理模块4部分组成。图2为智能无线传感器硬件框架图。数据采集模块采集支架监测区域关键部位的应变和倾角信息。应变片主要负责采集支架立杆结构的应变值，通过惠斯通电桥将其转化为微弱变化的电压量。倾角传感器则负责监测支架结构倾斜角度的变化，并通过角度变化的相对值来判断支架整体结构的安全稳定性。

数据处理模块主要功能是将微弱的电信号进行放大、滤波，再将处理后的模拟电信号经微控制器内部的ADC转换为数字信号。在此选择美国AD公司的AD626实现。AD626是由精密平衡衰减器、低漂移前置放大器和输出缓冲放大器组成的差分放大器。既可在单电源2.4～10 V下工作，又可在双电源1.2～+6 V下工作。用于精确放大小的差分信号并且不使用其他有源元件对大共模电压滤波，同时，该芯片具有低成本、低功耗、低供电等特点。AD626具有8个引脚。其中1脚、8脚用于差模电压输入，5脚用于放大电压的输出，2脚接地，3脚、6脚分别为电源供电的正负接线端，4脚接一电容可实现低通滤波，滤波器截止频率fw计算公式如式(1)所示：

式中Cf为4脚外接电容容值。

7脚通过改正外接电阻阻值来调整电路放大倍数。AD626芯片引脚连接图如图3所示。

无线射频模块选用美国TI公司推出的CC2530芯片。它是一款完全兼容8051内核，同时支持IEEE802.15.4协议的无线射频单片机，是一个真正的系统芯片(System on a chip，SoC)CMOS解决方案。芯片内部CPU对ADC转换数据进行分析处理后将数据结果以数据包形式通过无线射频进行发送。

电源管理模块是整个设备能够正常运行的保障。选用电池供电能够满足无线传感器小体积、低功耗、低成本的要求。为了保证采集数据的精度及整个智能无线传感器模块的工作性能，采用REG1117-3.3稳压芯片搭建电源稳压电路，以减少电源波动对整个硬件电路的影响。

2.2 路由设备

路由设备主要负责协助与其连接的智能无线传感器和协调器设备之间的通信，并通过多跳路由的方式进行中继传输，扩大通信距离。路由设备也是分散的安装在支架结构上，安装时遵照无线连接覆盖智能无线传感器设备数量最多的原则。路由设备只负责传输数据，因此与智能无线传感器相比，不具备数据采集模块和数据处理模块。

2.3 协调器设备

协调器设备负责整个网络的建立和维护，并管理路由设备或智能无线传感器的加入和删除。协调器设备最好安装在监测现场中心位置，这样能够保证整个ZigBee网络拓扑层数尽量少，减少设备资源的浪费。当整个网络的启动和配置功能完成之后，协调器设备便退化为一个普通的路由设备，此时，可以接收路由设备或智能无线传感器发送的数据包，并将这些数据包通过RS 232串口转发到GPRS DTU。协调器设备硬件框架图如图4所示。

协调器设备是整个无线网络运行的核心，在其运行和维护中起着关键作用。为了保证整个网络的正常运行，协调器设备采用外部供电的方式。

2.4 GPRS通信模块

GPRS模块将无线传感器网络和Internet网络相连，实现了数据从监测现场到远程监控中心的无线传输。模块选用厦门某通信公司的CM316 0P，该设备具备TCP透明数据传输和UDP透明数据传输，在线检测、在线维持、掉线自动重拨等功能，通过使用相应配置软件，可以实现GPRS DTU的本地串口配置，为数据的发送和接收做准备。

3 系统软件程序设计

3.1 下位机程序设计

下位机程序设计使用IAR Embedded Workbench集成开发环境，在TI公司提供的ZStack—CC2530—2.2.2.1.3.0协议栈的基础上进行该系统应用程序的开发。

对于与GPRS DTU相连接的协调器设备。系统上电后，首先进行硬件和协议栈的初始化，然后进行能量检测，选择出合适的工作参数，最后允许设备连接，启动网络。之后，协调器设备处于一直监测空中无线信号的状态，当检测到数据请求时，会接收并转发数据至串口端。当协调器发送数据完成后，将处于空闲状态，此时若有新的设备加入网络，则协调器将与其建立连接并为其分配网络地址。

路由设备成功加入网络后，一直处于监测空中无线信号的状态。当检测到有来自其他设备的数据请求命令时，则对该数据包进行路由转发。智能无线传感器设备成功加入网络后，则根据程序内部定时器已经设定好的时间间隔周期性地对应变值和倾角值进行采集与发送。图5为协调器设备、路由设备和只能无线传感器设备等三种设备节点的程序流程图。

3.2 上位机软件设计

本系统基于美国NI公司的LabVIEW软件开发平台，设计了支架结构无线安全监控系统上位机软件，图6为系统上位机软件设计流程。

首先，ZigBee网络中的协调器节点通过RS 232串口和GPRS网络将采集到的数据无线传输至远程监控中心PC机上，上位机软件侦听网络端口号信息，根据接收到的数据包标识，将采集到的支架结构各个位置应变和倾角信息实时显示到人机交互界面的对应位置，同时保存至Micro soft Office Access数据库。当用户需要对应变值和倾角值进行数据分析时，可根据采集时间以及设备号查询历史数据，并将查询结果以曲线形式进行显示。除此之外，软件采用分级阈值报警机制对数据进行分类，当数据超过规定限值时，弹出报警提示对话框，并分别对应变和倾角使用状态指示灯对不同等级的报警进行显示，以便用户及时采取相应措施，避免事故的发生。

4 系统测试

所搭建的支架结构安全监测实验系统由协调器设备、路由设备、两个智能无线传感器设备、GPRS DTU、SIM卡及PC机监控软件组成。智能无线传感器分别安装在支架结构的不同立杆上，应变片连接成半桥形式与智能无线传感器相连，如图7所示。

将SIM卡置于GPRS DTU中并开通GPRS上网功能，协调器设备通过RS 232串口与GPRS DTU连接。开始测试时，上位机软件设置好网络端口号，并与GPRS DTU建立无线连接。然后，按顺序依次启动协调器设备、路由设备、智能无线传感器。向支架立杆施加压力，观察上位机监测软件得到的应变和倾角值。软件测试输出结果如图8所示。

根据软件测试结果，可知该系统在初始位置具有初应变及倾角值，这是由于支架在搭建时，支架本身的立杆、横杆、胶木板等会在所测位置形成由重力引起的初应力。而图7中，智能无线传感器安装时近似垂直，因此测试结果也显示支架立杆处角度为89°。

随着时间的推移，通过向立杆上方逐渐增加重物，可以看出应变和倾角曲线同时出现了较大的变化。应变曲线变化较明显，这是因为应变电桥具有高灵敏度，同时微弱信号又被放大，因此能够很容易被检测出。而倾角则由于立杆上方被压了重物，而造成立杆有小范围的倾斜，直到最后不再施加压力，应变值和倾角值才趋于稳定。

通过上述分析，该系统能够通过无线通信方式实现对支架结构监测区域应变和倾角的在线、快速、准确测量，从而满足对支架结构进行长期实时监测的要求。

5 结语

本文建立基于ZigBee和GPRS无线通信技术支架结构安全监测系统。该系统通过分布式无线传感器网络采集支架结构的应变和倾角等数据，实现PC机监测软件实时采集数据与阈值报警的功能。该系统组网灵活、简单，可靠性强、实时性强。上位机监测软件功能模块独立有序运行，操作界面友好。相比传统有线监测该系统更智能、方便，使用户足不出户就可随时掌握现场状况。