基于傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的巖土工程應(yīng)力監(jiān)測

陳 果，宋力行，鄭 軒，任計(jì)羽

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢430072）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰飛，公路、大跨度橋梁、大壩等大型巖土建筑數(shù)量越來越多。而地質(zhì)因素、施工質(zhì)量、建筑老化等問題使巖土建筑的健康狀況的監(jiān)控變得日益迫切，當(dāng)今主流的檢測應(yīng)力方法多為人工定時(shí)持應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行實(shí)地測量，這就難免導(dǎo)致數(shù)據(jù)監(jiān)測的不及時(shí),并產(chǎn)生人為誤差。

本系統(tǒng)主要利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)便捷、成本低和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合 GPRS（General Packet Radio Service）網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了對巖土建筑應(yīng)力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。在成本方面，大大節(jié)約了以往采用人力監(jiān)測的資源消耗；同時(shí)，GPRS網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Networks)技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用，使監(jiān)測方式變得簡單易行，并更具可操作性[1]。

系統(tǒng)主要利用了無線收發(fā)芯片、低功耗單片機(jī)以及GPRS模塊，通過數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)將從巖土建筑采集得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)測人員手中，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)組成，通過寫入?yún)f(xié)議棧，設(shè)置協(xié)調(diào)器、路由器和數(shù)據(jù)終端，組建基于ZigBee協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集范圍可隨采集節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的增加而擴(kuò)大[2]。網(wǎng)絡(luò)先通過“多跳的方式”將多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以短消息方式發(fā)送到遠(yuǎn)端的接收端。另外，通過使用GPRS模塊的TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，應(yīng)力數(shù)據(jù)可以同步傳輸?shù)絇C終端，從而實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1 硬件平臺的設(shè)計(jì)

1.1 整體平臺

本文系統(tǒng)主要通過單片機(jī)分別控制無線發(fā)射模塊和GPRS模塊，通過從傳感器采集數(shù)據(jù)，再經(jīng)2.4 GHz頻段信道傳送到終端發(fā)送節(jié)點(diǎn)，最后通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)以短信模式發(fā)送出去。硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

微控制器MCU(Micro Control Unit)選用了MSP430F1611，它是具有超低功耗的16位單片機(jī)。在活動(dòng)模式下，MSP430的功耗可以達(dá)到 280 μA。其次，12位帶采樣保持的A/D轉(zhuǎn)換模塊可以為傳感器數(shù)據(jù)采集提供模數(shù)轉(zhuǎn)換。兩路串行通信口USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)可以滿足通過SPI口對射頻模塊進(jìn)行控制的同時(shí)，還可以對GPRS模塊實(shí)現(xiàn)操作[3]。

無線收發(fā)芯片選用了TI公司的CC2420，這款芯片兼容IEEE 802.15.4無線收發(fā)芯片，性能優(yōu)良，功耗低，體積小，非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要在外圍擴(kuò)充天線及16 MHz晶振等少許元件，就可以在2.4 GHz頻段使用。該芯片配有SPI口，便于與微控制器連接使用。本方案選用MSP430F1611作為微控制器，對CC2420進(jìn)行寄存器配置、讀取狀態(tài)位，以及控制收發(fā)數(shù)據(jù)等操作[4]。

GPRS模塊選用SIMCOM 300，它具有支持AT命令控制、RS232、TTL電平雙模式控制等優(yōu)點(diǎn)，十分有利于系統(tǒng)的應(yīng)用。

JTAG接口主要用于下載、調(diào)試程序，USB接口可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)直接通信。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

傳感器：本系統(tǒng)選用了傳統(tǒng)貼式應(yīng)變片，通過設(shè)計(jì)放大、保持電路，將形變量轉(zhuǎn)換成電信號。應(yīng)力數(shù)據(jù)采集部分將應(yīng)變片黏貼于橋梁模型上,輸出電壓為：

式中Ε為應(yīng)變片電橋激勵(lì)電壓,ε為應(yīng)變片形變量，A為信號調(diào)理電路放大倍數(shù)。在本文所用橋梁模型中，輸出電壓信號范圍為1 V～2 V。

傳感器電路圖如圖3所示。

1.2 硬件連接

CC2420在通信中主要使用 SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個(gè)引腳說明通信狀態(tài)。SFD引腳表明是否在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)幀；FIFO在接收中指示接收緩沖器中是否有數(shù)據(jù)；FIFOP用于指示接收數(shù)據(jù)的上限到達(dá)或者完整地接收幀；CCA用于查看信道是否為空。

CC2420與MSP430的連接非常方便。只需要使用SFD、FIFO、FIFOP和 CCA 4個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)；而處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令。SPI接口由 CSn、SI、SO和SCLK引腳組成。處理器通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和儲存器。在訪問過程中，接收來自處理器的時(shí)鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入/輸出操作。在本方案設(shè)計(jì)中，MSP430處于主模式，CC2420處于從模式。

MSP430與SIM300的硬件連接通過 RX、TX和GND三線連接。處理器用USART0串行通信口通過此三線運(yùn)用異步通信模式向GPRS模塊寫入AT命令，以達(dá)到控制其發(fā)送短信的目的。具體硬件連接圖如圖4所示。

傳感器與單片機(jī)的連接通過將傳感器的輸出端連接到單片機(jī)上相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道接口。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要通過TI公司提供的編譯器IAR Embedded Workbench 430 4.21進(jìn)行編程，通過對SPI口、ADC口、定時(shí)器以及CC2420的配置，完成一系列數(shù)據(jù)收發(fā)。本文將以點(diǎn)對點(diǎn)通信為例，將系統(tǒng)程序分為數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊予以介紹。

2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

本模塊主要負(fù)責(zé)控制傳感器定時(shí)采集數(shù)據(jù)，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將采集到的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，最后通過設(shè)置CC2420將數(shù)據(jù)通過2.4 GHz信道發(fā)送出去。

程序首先對單片機(jī)的各個(gè)需要模塊進(jìn)行初始化，再通過SPI串口對CC2420進(jìn)行配置寄存器以及設(shè)置源地址、目的地址等。初始化完成后，單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式等待定時(shí)中斷到來。通過軟件設(shè)置，可以設(shè)定采集數(shù)據(jù)周期。當(dāng)采集數(shù)據(jù)數(shù)目達(dá)到預(yù)定值后，將按預(yù)先規(guī)定格式將所采集數(shù)據(jù)、目的地址等依次寫入發(fā)送緩沖器，然后發(fā)送出去。按照自定義協(xié)議，若數(shù)據(jù)成功接收，發(fā)送端將會接收到確認(rèn)幀。具體發(fā)送流程如圖 5所示。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊流程圖

2.2 數(shù)據(jù)接收模塊

數(shù)據(jù)接收模塊的功能是把從發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)控制GPRS模塊，將數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送出去，具體程序流程如圖6所示 。初始化過程與數(shù)據(jù)采集模塊相同，初始化完成后單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式等待接收數(shù)據(jù)。在配置CC2420時(shí)，已預(yù)先設(shè)置好觸發(fā)FIFOP中斷的條件，當(dāng)接收數(shù)據(jù)長度超出預(yù)設(shè)值時(shí)，F(xiàn)IFOP電平變化，觸發(fā)單片機(jī)中斷。CC2420首先進(jìn)行地址確認(rèn)，若數(shù)據(jù)中的目的地址與本節(jié)點(diǎn)地址吻合，則地址確認(rèn)成功，硬件自動(dòng)發(fā)送確認(rèn)幀。發(fā)送后，按照協(xié)議規(guī)定，依次讀出幀長度、控制幀以及用戶數(shù)據(jù)等。通過對收到數(shù)據(jù)的分析，在應(yīng)力數(shù)據(jù)值超過預(yù)定門限值時(shí)，調(diào)用函數(shù)將應(yīng)力數(shù)據(jù)通過短信發(fā)送到監(jiān)測人員手機(jī)。

圖6 數(shù)據(jù)接收模塊流程圖

另外，傳感器采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的整型數(shù)據(jù)需要通過ASCII碼轉(zhuǎn)換將其變?yōu)樽址蛿?shù)據(jù)才能發(fā)送。將編碼后的數(shù)據(jù)封裝到AT命令中，然后通過串口寫入GPRS模塊便可達(dá)到發(fā)送短信的目的。

3 模擬驗(yàn)證

通過鋼條模擬橋梁狀況，用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。在9 V干電池供電的情況下，通過施加給鋼板不同大小的垂直作用力，產(chǎn)生不同強(qiáng)度的形變量，電壓信號可從2 V～1 V變化。相應(yīng)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和線性處理后的數(shù)字信號，指示的數(shù)據(jù)可從0 N～80 N之間進(jìn)行對應(yīng)的線性變化。通過軟件設(shè)置大約20 s的采樣間隔，并設(shè)置固定門限值后，在人力施加外力導(dǎo)致鋼板形變大約15 s后能接收到短信報(bào)警信號，并能顯示相應(yīng)的應(yīng)力值。

本文介紹的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)將高性能、低功耗的MSP430單片機(jī)與射頻模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，通過利用2.4 GHz頻段的便捷通信使遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控變得更容易，同時(shí)大大降低了人力物力的消耗。節(jié)點(diǎn)在低功耗模式下，功耗電流可低至36 μA,使用單節(jié) AA電池供電就可以支撐較長時(shí)間。無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?，擺脫了由于布線受地理因素影響的限制。該系統(tǒng)硬件連接簡單，易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，功耗極低，便于長期使用。

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