基于ZgBee和GPRS的嵌入式橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)

張開洪，李 聰，張文會

(重慶交通大學信息科學與工程學院，重慶400074)

近年來，橋梁因結(jié)構(gòu)老化和損傷而出現(xiàn)垮塌的事件屢見不鮮，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測受到全世界的廣泛關注?，F(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)存在供電難、維護難、成本高、穩(wěn)定性差等問題，難以在中小型橋梁中普及應用，有必要對現(xiàn)有系統(tǒng)進行優(yōu)化改進。

國內(nèi)外在結(jié)構(gòu)環(huán)境結(jié)構(gòu)監(jiān)測方向提出一些優(yōu)秀的成果。Zhuang，等［1］提出了基于 ARM9和 ZigBee的橋梁應力監(jiān)測系統(tǒng);紀航宇，等［2］提出了利用802.15.4協(xié)議組網(wǎng)，并在基站端采用GPRS同上位機通信的梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng);嚴麗平，等［3］提出的一種基于ZigBee與GPRS的嵌入式水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)中，介紹了一種3層體系的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，將ZigBee技術，GPRS技術與嵌入式技術結(jié)合來實現(xiàn)環(huán)境遠程監(jiān)測;T.Harms，等［4］提出基于 GPRS 無線傳輸?shù)倪h程橋梁監(jiān)測系統(tǒng)。但由于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是個長期性工程，如何處理傳感器采集所得龐大的數(shù)據(jù)量以降低網(wǎng)絡傳輸壓力、減少數(shù)據(jù)冗余，以及如何降低整個系統(tǒng)的功耗，這些問題還需要深入研究。

筆者針對橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和傳輸部分，提出基于嵌入式技術、ZigBee無線網(wǎng)絡技術和GPRS無線傳輸技術相結(jié)合的全新的橋梁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用嵌入式結(jié)合GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)處理、誤差分析、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，解決了工控機耗電量大、維護困難的缺點;利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡和傳感器節(jié)點電源自控制技術進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和電源管理，解決了布線困難、布線成本高的缺陷，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。本系統(tǒng)通過嵌入式系統(tǒng)休眠、ZigBee模塊休眠、傳感器節(jié)點電源管理等措施，大大降低了整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功耗。

1 總體設計方案與實現(xiàn)原理

為了對橋梁進行完整地、系統(tǒng)地評估與分析，橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)應具備可靠、穩(wěn)定的分析與評估子系統(tǒng)即遠程數(shù)據(jù)管理與分析中心、數(shù)據(jù)預處理的現(xiàn)場采集子系統(tǒng)、環(huán)境變量采集的傳感器子系統(tǒng)(圖1)。

圖1 系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overview of system architecture

1.1 遠程數(shù)據(jù)管理與分析中心

遠程數(shù)據(jù)管理分析中心由數(shù)據(jù)后期分析再現(xiàn)子系統(tǒng)、專家評估及仿真應用子系統(tǒng)組成，包括數(shù)據(jù)處理程序、參數(shù)仿真程序、數(shù)據(jù)報表程序等。主要功能是對數(shù)據(jù)分析，從中再現(xiàn)問題發(fā)生的時間情況以及生成報表等，比如裂縫發(fā)生的位置、形狀、時間以及其發(fā)展過程。該子系統(tǒng)是基于PC服務器的上位子系統(tǒng)，軟硬件都是成熟產(chǎn)品，本系統(tǒng)中采用重慶交通大學自主研發(fā)的橋梁健康監(jiān)測服務器系統(tǒng)。

1.2 嵌入式環(huán)境數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集子系統(tǒng)

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心，主要完成動態(tài)電源管理功能，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)接收功能，多源異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)庫建立及存儲，通過GPRS上傳數(shù)據(jù)至服務器?？紤]到系統(tǒng)的嵌入式特點，采用通用性強、易裁減、易開發(fā)的嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。

1.3 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡

傳感器子系統(tǒng)主要負責采集不同的橋梁結(jié)構(gòu)、環(huán)境等數(shù)據(jù)，并以無線的方式傳回現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。建立在IEEE 802.15.4(LR_WPAN，低速率無線個人區(qū)域網(wǎng))上的ZigBee技術是由ZigBee聯(lián)盟推出的近距離、低復雜度、低功耗、低成本的新型無線通信技術。將不同類型的傳感器與ZigBee模塊組合成無線傳感器節(jié)點，如溫度測量節(jié)點、濕度測量節(jié)點、撓度測量節(jié)點、應變測量節(jié)點等。由ZigBee無線傳感器組建的網(wǎng)絡匯集所有測量節(jié)點的數(shù)據(jù)給現(xiàn)場采集子系統(tǒng)，再通過GPRS上傳至服務器。

2 嵌入式環(huán)境數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集系統(tǒng)

為了能達到集中分析預處理多源異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)的目的，該子系統(tǒng)中采用目前流行的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本、易開發(fā)的特性。

2.1 硬件設計

選用了Samsung公司基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440A作為系統(tǒng)處理器控制核心;存儲采用Samsung公 司 的 K9F1208，容 量 為 64M;內(nèi) 存 為SST39F1601，大小為64M。硬件設計采用核心板加母板的方式，核心板包含ARM最小系統(tǒng)，母板主要有電源部分、ZigBee基站部分、GPRS模塊部分和接口部分等4大部分，具體硬件結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Overview of hardware architecture of on-site data acquisition system

S3C2440A處理器內(nèi)部自帶的名為“Steppingstone”的4K SRAM緩沖器，用以支持NAND FLASH啟動［5］。系統(tǒng)上電后，NAND FLASH的前4K代碼將被拷貝到處理器內(nèi)部4K RAM中執(zhí)行，實際上前4K代碼即為類似于PC機BIOS引導程序，用以引導操作系統(tǒng)啟動。在前4K的程序中，U-boot將完成中斷向量表初始化、關閉看門狗、設置堆棧地址、代碼拷貝等一系列工作，當將自身拷貝到SDRAM后，即跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存中運行，進而引導Linux操作系統(tǒng)啟動。Linux系統(tǒng)啟動后將通過初始化腳本來自動運行數(shù)據(jù)采集程序。系統(tǒng)中舍棄掉專為方便開發(fā)的NOR FLASH是為了減小板載設備功耗，采用 NAND FALSH+SDRAM的模式，只要對NAND分區(qū)合理，完全能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性的要求。ZigBee基站設計是將帶有完全功能的ZigBee FFD模塊通過SPI總線接入系統(tǒng)母板，可進行高效穩(wěn)定的傳輸數(shù)據(jù)。GPRS模塊與系統(tǒng)則采用RS232接口連接。

2.2 軟件設計

本系統(tǒng)關于橋梁數(shù)據(jù)的用戶層分析是在遠程服務器端進行，所以此處僅介紹在現(xiàn)場采集部分的軟件設計。嵌入式Linux軟件平臺是典型的分層體系，通常是由以下4層構(gòu)成:Bootloader、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、用戶應用程序(圖3)。筆者選用開源的Uboot作為引導程序，Linux 內(nèi)核版本為 Linux 2.6.38.8，文件系統(tǒng)采用cramfs與yaffs結(jié)合的模式，用只讀的cramfs作為根文件系統(tǒng)掛載，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而yaffs的易可讀寫則非常適合應用程序的存放。

圖3 系統(tǒng)軟件分層模型Fig.3 Layered model of system software

2.2.1 嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite3的移植與開發(fā)

SQLite是一款輕量級的開源嵌入式數(shù)據(jù)庫，使用方便，性能出眾，廣泛應用于消費電子、醫(yī)療、工業(yè)控制、軍事等各領域。SQLite3是其最新版本(目前穩(wěn)定版為3.7.11)，SQLite3提供的C接口可方便地為開發(fā)服務:如sqlite_open打開SQLite3數(shù)據(jù)庫，sqlite_close關閉 SQLite3數(shù)據(jù)庫，sqlite_exec執(zhí)行SQL語句等。

Sqlite3的移植過程如下:

1)配置編譯并安裝 sqlite。進入 sqlite-3.7.11根目錄下運行命令“./configure-host=arm-linux-prefix=/usr/local/arm/4.3.2/arm-none-linux-gnueabi/libc/armv4t-disable-tcl”生成Makefile文件。運行命令“make”對 sqlite-3.7.11源代碼進行編譯。運行命令“make install”安裝 sqlite-3.7.11。

2)Sqlite函數(shù)庫及相關頭文件移植。復制/usr/local/arm/4.3.2/arm-none-linux-gnueabi/libc/armv4t/lib/目錄下的libsqlite3.so.0到要制作的目標文件系統(tǒng)的 lib目錄中。復制/usr/local/arm/4.3.2/armnone-linux-gnueabi/libc/armv4t/include/目錄下的sqlite3.h到交叉編譯器的默認頭文件目錄/usr/local/arm/4.3.2/arm-none-linux-gnueabi/include 目錄下。

嵌入式橋梁健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)概念模型設計如圖4。

圖4 概念模型Fig.4 Database conceptual model

創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)表:

1)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫。在應用程序目錄運行命令“sqlite3 bridge_monitoringdata.db”，創(chuàng)建名為 bridge_monitoringdata.db的數(shù)據(jù)庫文件并進入sqlite的操作終端。

2)在終端下輸入以下命令依次創(chuàng)建數(shù)據(jù)表:sqlite＞create table bridge_monitoring_table(bridge_name，bridge_id，bridge_info);sqlite＞create table temperature_info_table(sensor_id，sensor_value，date_time);sqlite＞create table humidity_info_table(sensor_id，sensor_value，date_time);sqlite＞create table strain_info_table(sensor_id，sensor_value，date_time);sqlite＞create table vibration_info_table(sensor_id，sensor_value，date_time);

創(chuàng)建完成的數(shù)據(jù)庫邏輯模型見表1。

表1 數(shù)據(jù)庫邏輯模型Table 1 Logical model of database

2.2.2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)預處理過程設計

遠程橋梁健康監(jiān)測的最終評估是在遠程服務器端進行，而龐大的監(jiān)測數(shù)據(jù)量中數(shù)據(jù)冗余度很高，從而引起ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點間頻繁的信道搶占，導致網(wǎng)絡延時增大甚至網(wǎng)絡癱瘓［6］。為了解決這個問題，采用增加現(xiàn)場數(shù)據(jù)預處理的方法，即在傳感器數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)之前對其進行數(shù)據(jù)融合處理。數(shù)據(jù)預處理流程圖如圖5。

圖5 數(shù)據(jù)預處理流程Fig.5 Data pre-processing progress

2.2.3 GPRS 數(shù)據(jù)發(fā)送程序開發(fā)

GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送程序主要完成在系統(tǒng)啟動時自動撥號上網(wǎng)，并通過檢測數(shù)據(jù)通信流來喚醒休眠系統(tǒng)的機制來大幅降低系統(tǒng)功耗并能確保系統(tǒng)不斷線的實時數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)上電后程序默認進入休眠狀態(tài)，當檢測到通信請求后，判斷請求來自上層服務器還是下層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并按時不同請求完成不同任務，即轉(zhuǎn)發(fā)或預處理存儲。設定一定時間間隔無通信響應則使系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)。

1)移植PPP協(xié)議

PPP協(xié)議工作與Linux系統(tǒng)之上，它支持開機自動撥號，支持常時在線、自動掛斷定時模式。PPP協(xié)議屬于請求-應答方式，用戶端向ISP服務端發(fā)出請求，ISP服務端作出應答。整個協(xié)商完成后便可通過GPRS模塊進行Internet IP數(shù)據(jù)格式傳輸。

根據(jù)板級配置修改ppp-on，ppp-off及ppp-on-dialer等3個配置腳本。在ppp-on中刪除賬號與密碼，并修改電話號碼為相應的GPRS模塊支持的號碼，如*99＊＊＊1#，刪除ppp-on-dialer中的賬號與密碼。并在內(nèi)核配置時增加對PPP與TCP協(xié)議的支持。

2)配置GPRS模塊

正確配置波特率，設置數(shù)據(jù)包格式與默認網(wǎng)關，撥號連接服務器。然后即可進行數(shù)據(jù)通信，整個流程如圖6。

圖6 數(shù)據(jù)預處理流程Fig.6 GPRS dial-up connection progress

3 無線傳感器網(wǎng)絡組建

無線傳感器網(wǎng)絡處于整個監(jiān)測系統(tǒng)的最底層，傳感器節(jié)點根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)要求分布在橋梁內(nèi)外不同監(jiān)測點，將精密傳感器與ZigBee無線傳輸模塊結(jié)合組成無線傳感節(jié)點。每個傳感器節(jié)點包括3個組成部分:精密傳感器、內(nèi)置ZigBee協(xié)議棧的無線單片機模塊(RF-2430)、電源部分(電池組)。

3.1 ZigBee模塊選型

目前ZigBee模塊已經(jīng)比較成熟，本系統(tǒng)選用無線龍ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡專業(yè)開發(fā)模塊RF-2430，它采用德州儀器 ZigBee SOC射頻芯片CC2430-F128作為單片機控制核心，完全滿足IEEE802.15.4標準和ZigBee技術標準，選用成熟的ZigBee模塊可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性同時節(jié)省開發(fā)時間。網(wǎng)關及分類采集節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖如圖7。

圖7 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)Fig.7 Sensor node structure

3.2 ZigBee網(wǎng)絡組建

傳感監(jiān)測節(jié)點分布于橋梁不同監(jiān)測區(qū)域，針對特定的結(jié)構(gòu)可采用不同的組網(wǎng)方式，常用為樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，如圖8。

圖8 ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)Fig.8 ZigBee network topology

組建一個新的ZigBee網(wǎng)絡首先由應用層發(fā)出網(wǎng)絡組建請求，由網(wǎng)絡層向MAC層發(fā)出信道能量檢測、信道掃描等請求并接收返回數(shù)據(jù)包。檢查有無其他網(wǎng)絡最終選擇一個空閑信道，選擇PANID，建立網(wǎng)絡，準許接入點加入網(wǎng)絡并分配地址，成功返回［7］。流程如圖9。

圖9 建立網(wǎng)絡流程Fig.9 Network establishing process

4 實驗結(jié)果分析

4.1 實驗結(jié)果

為了驗證所設計的監(jiān)測系統(tǒng)，在實驗室構(gòu)建了一套實驗系統(tǒng)，受條件限制，實驗時僅加入3種傳感器節(jié)點，風速、溫度、濕度各一個。實驗中采用的ARM系統(tǒng)開發(fā)板自帶了很多可擴展或直接可用的接口，這里并未使用。無線傳感器節(jié)點按照設計頻率將采集所得數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee協(xié)調(diào)器接收至現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理中心，再由GRPS模塊傳送到服務器，圖10～圖12為存儲在服務器中2012-03-01—06的監(jiān)測結(jié)果。

圖10 濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.10 Humidity monitoring data

圖11 應變監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.11 Strain monitoring data

圖12 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.12 Temperature monitoring data

4.2 結(jié)果分析

從實驗結(jié)果可以看出，對于每一監(jiān)測時間點，數(shù)據(jù)與實際所反應的環(huán)境情況完全吻合。實驗過程驗證了系統(tǒng)的實時性，穩(wěn)定性，可靠性，為驗證數(shù)據(jù)預處理的結(jié)果可靠性，可在節(jié)點端用軟件編程方式返回奇異數(shù)據(jù)，實驗證明在現(xiàn)場預處理過程中會將奇異值剔除并備注。

5 結(jié)語

橋梁健康監(jiān)測具有實時性、長期性、條件惡劣等要求，筆者針對橋梁健康監(jiān)測的這些特點，將嵌入式技術與ZigBee無線局域網(wǎng)技術、GPRS技術結(jié)合起來提出了新型的嵌入橋梁健康監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定、低成本、低功耗、安裝方便、易于維護等優(yōu)點，能對橋梁環(huán)境健康進行實時、在線、長期自動監(jiān)測。實驗完成了對該系統(tǒng)的功能可靠與穩(wěn)定性的初步驗證，但是目前該系統(tǒng)還未進行實地領域測試，系統(tǒng)的實地性能還有待進一步考證。

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