基于ZigBee+云服務(wù)器的橋梁基質(zhì)穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)

唐磊++余金暉++徐曉露++邢恩惠

摘 要：隨著科技的發(fā)展，人類對災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警要求也越來越高，橋梁的基質(zhì)穩(wěn)定性是整個橋梁穩(wěn)定性的重要基礎(chǔ)，直接關(guān)系到群眾的生命財產(chǎn)安全。文中設(shè)計(jì)了一套實(shí)時監(jiān)測橋梁基質(zhì)高度變化的物聯(lián)網(wǎng)+云服務(wù)器系統(tǒng)。利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)的高度監(jiān)測傳感器監(jiān)測各橋墩的基質(zhì)高度，利用云服務(wù)器分析處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測及預(yù)警功能。

關(guān)鍵詞：CC2530；SIM900A；云服務(wù)器；橋梁穩(wěn)定性

中圖分類號：TP277.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

在橋梁工程領(lǐng)域，隨著各類自然及人為災(zāi)害的增加，對橋梁穩(wěn)定性監(jiān)測和預(yù)警的要求也越來越高。目前，橋梁監(jiān)測主要集中在橋面、橋墩等橋體的監(jiān)測，而對于橋梁橋墩所在基質(zhì)（基礎(chǔ)地質(zhì)條件）的監(jiān)測卻相對較少?；|(zhì)是橋梁穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)，當(dāng)基質(zhì)經(jīng)過流水沖刷，地質(zhì)條件發(fā)生變化時，橋墩的穩(wěn)定性會隨基質(zhì)變化直接影響整個橋梁的穩(wěn)定性。

本文設(shè)計(jì)了一個基于CC2530無線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用GPRS通訊及云服務(wù)器的橋梁基質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了將監(jiān)測所得的各橋墩基質(zhì)高度數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器處理并預(yù)警的功能。

1 系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含物聯(lián)網(wǎng)層、承載網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層三個部分，其中物聯(lián)網(wǎng)層將CC2530作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)監(jiān)測基質(zhì)高度的無線傳感器，每個橋墩都安裝一個傳感器作為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的終端或中繼設(shè)備。協(xié)調(diào)器與SIM900A通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，控制SIM900A連接GPRS，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)至服務(wù)器或接收來自服務(wù)器的指令。系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)[1]，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用短地址進(jìn)行通訊，而重新組網(wǎng)后短地址可能會發(fā)生變化，系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用CC2530的長地址（IEEE地址）作為區(qū)分唯一設(shè)備的ID，長地址為64位全球唯一識別碼，不會更改。服務(wù)器數(shù)據(jù)庫保存橋墩的長地址，每次終端注冊時數(shù)據(jù)庫更新長地址對應(yīng)的短地址。物聯(lián)網(wǎng)層與服務(wù)器通訊簡圖如圖2所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)一座橋只有一個協(xié)調(diào)器和GSM模塊，即一座橋只有一個確定的IP地址和端口。如圖2所示，系統(tǒng)要與某座橋的某個橋墩進(jìn)行通訊的步驟為：查詢橋墩綁定的長地址——查詢長地址對應(yīng)的IP、端口及短地址——往IP和端口發(fā)送包含短地址的數(shù)據(jù)——IP對應(yīng)的GSM模塊收到數(shù)據(jù)——發(fā)送到協(xié)調(diào)器——通過短地址發(fā)送到終端。如此，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與多座橋不同橋墩傳感器之間的通訊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 基質(zhì)監(jiān)測傳感器設(shè)計(jì)

由于橋梁橋墩基質(zhì)測量的特殊性，沒有現(xiàn)成的即方便又經(jīng)濟(jì)的傳感器可以使用，論文以CC2530為核心芯片設(shè)計(jì)了一款綜合測量和無線通訊傳感器。傳感器采用磁環(huán)+普通的霍爾傳感器作為測量部分[2]，CC2530作為中控部分，磁環(huán)和塑料墊片相隔放置于一定長度的PVC管中，一個磁環(huán)和墊片的高度為5 mm，即測量的精度為5 mm。傳感器樣機(jī)如圖3所示。

圖中所示為橫向放置，正常安裝時為豎向安裝，傳感器底座和PVC管為一體，穿過CC2530電路板，兩者之間可以相互移動，當(dāng)有位移時，電路板上的霍爾傳感器感應(yīng)到變化則通知CC2530產(chǎn)生一次中斷，每產(chǎn)生一次中斷移動5 mm距離。傳感器在橋墩上安裝的示意圖如圖4所示。

由圖4可知，無線傳感器的CC2530部分與大鋼管為一體，安裝固定在橋墩上，底座、PVC管同小鋼管固定，PVC管穿過CC2530的感應(yīng)器，小鋼管套入大鋼管內(nèi)，底座沉入水底與基質(zhì)接觸。當(dāng)基質(zhì)高度降低時，小鋼管跟隨降低，當(dāng)降低高度達(dá)到分辨率5 mm時，CC2530產(chǎn)生一次中斷，系統(tǒng)監(jiān)測到高度變化后，傳感器計(jì)算當(dāng)前高度，將高度數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器發(fā)送到服務(wù)器。

2.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器電路設(shè)計(jì)與常用CC2530電路設(shè)計(jì)類似，加入SIM900A模塊，利用串口與協(xié)調(diào)器通訊。其樣機(jī)如圖5所示。

2.3 供電設(shè)計(jì)

考慮到設(shè)備都在戶外運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器和傳感器都采用太陽能板+蓄電池的供電模式。

3 CC2530程序設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能，程序設(shè)計(jì)分為協(xié)調(diào)器程序和無線傳感器程序兩個部分。無線傳感器可以作為終端或中繼使用。

3.1 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要用于數(shù)據(jù)處理，組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接收橋墩的監(jiān)測數(shù)據(jù)并通過SIM900A發(fā)送到服務(wù)器，接收服務(wù)器的控制查詢數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)下發(fā)至終端或中繼設(shè)備。程序主要分為組網(wǎng)、串口通訊、無線通訊三個模塊。

在組網(wǎng)程序方面，協(xié)調(diào)器運(yùn)行Z-Stack協(xié)議棧與終端或中繼設(shè)備組網(wǎng)，該部分程序只需在Z-Stack協(xié)議棧[3]基礎(chǔ)上稍做修改即可。

串口程序的設(shè)計(jì)主要使用AT指令與SIM900A模塊進(jìn)行通訊。通過程序設(shè)計(jì)，讓CC2530根據(jù)AT指令模式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)并判斷命令類型，實(shí)現(xiàn)GPRS連接和數(shù)據(jù)傳輸。與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)通訊通過UDP實(shí)現(xiàn)。

無線通訊程序主要接收處理橋墩終端上傳的數(shù)據(jù)，包括注冊、心跳、高度數(shù)據(jù)、報警等，將數(shù)據(jù)按照協(xié)議格式通過串口和GPRS發(fā)送至服務(wù)器。處理串口轉(zhuǎn)換過來的相關(guān)指令并發(fā)送至橋墩終端。協(xié)調(diào)器端程序流程圖如圖6所示。

3.2 終端傳感器程序設(shè)計(jì)

終端傳感器的主要功能包括與協(xié)調(diào)器組網(wǎng)通訊，接收協(xié)調(diào)器指令進(jìn)行查詢、設(shè)置基質(zhì)初始高度等，監(jiān)測基質(zhì)高度變化，并將變化后的高度數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器。按照功能區(qū)分，將終端程序的設(shè)計(jì)分為組網(wǎng)程序、傳感器程序和無線接收處理三個模塊。傳感器端程序流程如圖7所示。

圖7 傳感器端程序流程

終端組網(wǎng)程序同樣使用Z-Stack協(xié)議棧，在協(xié)議棧的基礎(chǔ)上稍做修改，組網(wǎng)時讀取短地址和長地址并發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

傳感器程序主要利用I/O口中斷，每中斷一次表明基質(zhì)高度發(fā)生5 mm變化，程序根據(jù)初始設(shè)置高度值計(jì)算當(dāng)前高度并上報至協(xié)調(diào)器，若短時間內(nèi)高度變化過快則發(fā)送報警指令等。

無線數(shù)據(jù)處理模塊主要處理來自協(xié)調(diào)器的指令，包括查詢、設(shè)置高度等指令。程序接收到指令后，根據(jù)協(xié)議做相應(yīng)的處理。此外，程序還設(shè)計(jì)了1分鐘定時向服務(wù)器發(fā)送心跳的功能，以表明設(shè)備在網(wǎng)，方便服務(wù)器處理。

4 云服務(wù)器功能設(shè)計(jì)

云服務(wù)器是系統(tǒng)運(yùn)行的核心部分，論文所用系統(tǒng)將阿里云的云服務(wù)器作為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)橋梁基質(zhì)的實(shí)時監(jiān)測。云服務(wù)器主要包含數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)和應(yīng)用層設(shè)計(jì)三個模塊。人機(jī)界面設(shè)計(jì)如圖8所示。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)使用SQL Server2008進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，根據(jù)系統(tǒng)功能數(shù)據(jù)庫保存橋梁各橋墩傳感器的長地址和短地址，保存每座橋梁SIM900A的IP地址和端口及每個橋墩的高度數(shù)據(jù)等。

網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)主要用于服務(wù)器跟橋梁和橋墩傳感器之間的通訊。論文使用UDP完成，根據(jù)設(shè)計(jì)的通信協(xié)議以及數(shù)據(jù)庫功能保證通訊正常進(jìn)行。通訊指令包含注冊、心跳、高度數(shù)據(jù)、設(shè)置、報警等類型。

應(yīng)用層設(shè)計(jì)主要是人機(jī)界面設(shè)計(jì)。論文采用地圖供應(yīng)商提供的接口[4]，將監(jiān)測的橋梁以地圖模式顯示，此外，還包括設(shè)備綁定、查詢、報警等功能。

圖中左側(cè)為各橋梁以及橋墩的信息，中間為當(dāng)前橋梁的地圖位置，下方為橋梁各橋墩的基質(zhì)高度信息。菜單包括綁定傳感器、設(shè)置等功能。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種監(jiān)測橋墩基質(zhì)高度變化的傳感器，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)+云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)測橋梁橋墩基質(zhì)高度變化的功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面將監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀展現(xiàn)，系統(tǒng)無需人工值守即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測、報警等功能。目前，該系統(tǒng)已在麗水市宣平港大橋投入測試階段，測試期間系統(tǒng)穩(wěn)定，各項(xiàng)功能均正常運(yùn)行。

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