淺析基于ZigBee的高大支模無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

黃欣城

（廣州市市政工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

現(xiàn)代人們逐漸不滿足物質(zhì)上的追求，逐漸轉(zhuǎn)向精神上的追求，對(duì)于建筑物的美觀性的要求標(biāo)準(zhǔn)在不斷地提升，對(duì)于外形的要求提升也是對(duì)于技術(shù)水平要求提升，所以對(duì)于模板支撐結(jié)構(gòu)具有更高的安全性要求。所以進(jìn)一步地加強(qiáng)高大支模無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)的提升是十分必要的。

1 高大支模無(wú)線監(jiān)測(cè)的前景優(yōu)勢(shì)以及ZigBee技術(shù)概述

1.1 人工光學(xué)設(shè)備檢測(cè)

較為傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法主要是依靠光學(xué)設(shè)備開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作，就比如全站儀。一般情況下，會(huì)在施工影響的范圍外，在基準(zhǔn)點(diǎn)上進(jìn)行設(shè)置，大約距離施工區(qū)域35m左右，會(huì)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)高程傳遞點(diǎn)進(jìn)行布置。人工監(jiān)測(cè)的資金成本雖然低，但是監(jiān)測(cè)的總體效果不是非常的理想，只能讀與施工現(xiàn)場(chǎng)外誒的觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。高大支模內(nèi)部因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、桿件分布較多，所以監(jiān)測(cè)工作開(kāi)展異常艱難，不僅無(wú)法監(jiān)測(cè)到立桿軸力，還伴隨著檢測(cè)密度過(guò)低的情況。一般監(jiān)測(cè)的時(shí)間間隔大約在30min左右，很難滿足要求，并且不能夠有效地起到預(yù)防的作用[1]。

1.2 測(cè)量機(jī)器人

測(cè)量機(jī)器人在監(jiān)測(cè)行業(yè)起到廣泛的應(yīng)有作用，因?yàn)樗谋O(jiān)測(cè)原理非常簡(jiǎn)單的同時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度還非常的高，所以測(cè)量機(jī)器人被廣泛地應(yīng)用與大壩、滑坡以及橋梁等大型的建筑物變形監(jiān)測(cè)工作當(dāng)中。相較于人工監(jiān)測(cè)，測(cè)量機(jī)器人的檢測(cè)頻率相對(duì)較高，缺點(diǎn)就是測(cè)量機(jī)器人的成本偏高，用在監(jiān)測(cè)點(diǎn)較少的項(xiàng)目工程中時(shí)單次的成本投入過(guò)高。由于測(cè)量機(jī)器人的出檢測(cè)種類非常的單一，無(wú)法對(duì)立桿軸力開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作，對(duì)于高支模內(nèi)部也無(wú)法進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，在測(cè)量機(jī)器人開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度會(huì)受到所處的環(huán)境溫度影響。測(cè)量機(jī)器人并不是高大支模監(jiān)測(cè)工作中的最佳解決方案[2]。

1.3 無(wú)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

無(wú)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)主要是將傳感器與無(wú)線傳輸模塊相連接，將傳感器放置在需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的測(cè)量點(diǎn)上，設(shè)置好固定的參數(shù)數(shù)值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)按照設(shè)置的時(shí)間發(fā)送采集數(shù)據(jù)的指令，讓傳感器開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的工作。無(wú)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)成本是可以人為控制的，投入成本會(huì)隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)的增加而提升，單個(gè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的成本普遍較低，同時(shí)因?yàn)楦叽笾１O(jiān)測(cè)工程的總體周期較短，設(shè)備使用完成后還可以回收進(jìn)行重復(fù)利用，所以綜合使用成本較低。同時(shí)無(wú)線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求的不同，對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度進(jìn)行靈活的調(diào)節(jié)，相較于其他的監(jiān)測(cè)手段，可以測(cè)量更多種類的數(shù)據(jù)。而且無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)在工程建筑的應(yīng)用中，不僅可以讓工作人員獲取非常準(zhǔn)確的施工信息，同時(shí)也可以有效地減少施工人員的工作量[3]。

1.4 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是由非常多個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)組合而成的，眾多節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，可以借助于路由器擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積。ZigBee技術(shù)在很早就已經(jīng)被提出了，在市場(chǎng)中有規(guī)模應(yīng)用，所以此項(xiàng)技術(shù)的可靠性較高，可以收集到此項(xiàng)技術(shù)的相關(guān)資料也比較多。其技術(shù)的特點(diǎn)主要就是網(wǎng)絡(luò)容量大以及功耗非常低兩點(diǎn)，首先就是低功耗，只需要兩節(jié)5號(hào)電池就可以支持終端節(jié)點(diǎn)在PM3模式下可以持續(xù)運(yùn)行幾個(gè)月之久，但是缺點(diǎn)就是會(huì)出現(xiàn)延遲的狀況。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)容量大，在理論上此項(xiàng)技術(shù)可以支持的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大約在65000，在實(shí)際的應(yīng)用中使用上百個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)也表現(xiàn)得較為突出。當(dāng)項(xiàng)目工程額采集布點(diǎn)較多、傳輸數(shù)據(jù)信息量較小、設(shè)備的體積較小可以進(jìn)行電池供電以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)時(shí)就可以利用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。

2 基于ZigBee的高大支模無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器

傳感器是系統(tǒng)中非常重要的組成成分，傳感器就是數(shù)據(jù)的產(chǎn)生者，傳感器會(huì)直接影響到采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，根據(jù)監(jiān)測(cè)需求不同就需要選擇不同類型的傳感器。在傳感器的選擇上需要遵循三點(diǎn)，首先就是對(duì)傳感器廠商的確定，不同廠家生產(chǎn)出來(lái)的傳感器的可靠性會(huì)有較大的差別；其次就是在確定監(jiān)測(cè)工作的需求之后，進(jìn)一步的選擇與監(jiān)測(cè)參數(shù)類型一致的傳感器；最后一點(diǎn)就是根據(jù)工程的實(shí)際情況，預(yù)估監(jiān)測(cè)的范圍以及采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。通常情況下，傳感器直接輸出就是模擬信號(hào)，借助于模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)一步的輸出數(shù)字信號(hào)，同時(shí)會(huì)根據(jù)外界環(huán)境文溫度與電阻進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償，傳感器連接電纜造成的電阻變化過(guò)于輕微，并不會(huì)對(duì)最終的數(shù)據(jù)信息讀取的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。經(jīng)歷過(guò)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)可以作為數(shù)據(jù)信息直接使用，不需要再度進(jìn)行人工轉(zhuǎn)換的步驟了，同時(shí)也有效地保證了數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性[5]。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)會(huì)直接與傳感器進(jìn)行連接，終端節(jié)點(diǎn)的主要作用就是為傳感器與ZigBee網(wǎng)絡(luò)搭建起一個(gè)可以互相傳輸?shù)臉蛄?，終端節(jié)點(diǎn)主要選擇用ZigBee作為開(kāi)發(fā)板，提供連接口以及傳感器連接。傳感器中會(huì)有色種顏色的連接線，且終端接口上方有標(biāo)識(shí)，在連接工作完成后注意接線部位的防水絕緣處理工作，避免安全事故的發(fā)生。下圖就是傳感器的四色連接線。圖1為傳感器的四色連接線。

圖1 傳感器的四色連接線

2.3 中心節(jié)點(diǎn)

中心階段的作用就是將ZigBee的協(xié)調(diào)器與GPS集成進(jìn)行有效的相連，協(xié)調(diào)器上會(huì)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。中心節(jié)點(diǎn)的硬件的地板為主要用于供電以及提供串口通信的調(diào)試工作，如圖2所示。

圖2 中心節(jié)點(diǎn)的硬件

3 基于ZigBee的高大支模無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

將傳感器安裝到項(xiàng)目工程的指定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，再將每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的傳感器與ZigBee的終端進(jìn)行綁定連接，在協(xié)調(diào)器上建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，使ZigBee加入進(jìn)網(wǎng)絡(luò)之中，協(xié)調(diào)器利用網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，協(xié)調(diào)器與服務(wù)器的指定端口建立TCP連接后，服務(wù)器就會(huì)讀取網(wǎng)關(guān)所發(fā)送的心跳包信息，與此同時(shí)，還會(huì)制定一個(gè)定時(shí)的任務(wù)，這樣服務(wù)器就會(huì)定時(shí)將采集指令發(fā)送到自動(dòng)采集器之中，命令自動(dòng)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，定時(shí)任務(wù)的時(shí)間間隔主要是由用戶首次登錄時(shí)進(jìn)行填寫(xiě)，之后也可以隨時(shí)對(duì)時(shí)間間隔進(jìn)行更改，服務(wù)器就收到傳感器上傳的數(shù)據(jù)信息會(huì)，就會(huì)開(kāi)始對(duì)收集得到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析，解析完成后可以將數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)之中，用戶進(jìn)行系統(tǒng)登錄時(shí)，服務(wù)器還可以將已經(jīng)儲(chǔ)存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)提取出來(lái)渲染頁(yè)面。服務(wù)器系統(tǒng)可以按照功能分成兩個(gè)部分也就是采集部分以及展示部分。展示部分主要是進(jìn)行前后端分離開(kāi)發(fā)，后端主要負(fù)責(zé)邏輯處理以及數(shù)據(jù)信息的定時(shí)采集，前端主要負(fù)責(zé)頁(yè)面的展示功能，前后兩端數(shù)據(jù)信息的交互主要是通過(guò)json格式進(jìn)行的。

3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分也就是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)以及程序設(shè)計(jì)，首先就是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，因?yàn)槊恳粋€(gè)賬號(hào)都會(huì)有與之對(duì)應(yīng)且唯一的ID，手機(jī)號(hào)以及賬戶名稱也會(huì)做出相應(yīng)的唯一性處理，登錄的密碼會(huì)先進(jìn)行加密之后存放在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)之中進(jìn)行儲(chǔ)存。每一個(gè)項(xiàng)目工程都會(huì)有與之對(duì)應(yīng)的id，項(xiàng)目工程的賬戶id與工程負(fù)責(zé)人的id相對(duì)應(yīng)，而id就可以決定可以?？错?xiàng)目工程數(shù)據(jù)信息的用戶群體。另一個(gè)部分就是程序的設(shè)計(jì)，傳感器是借助于ZigBee才能與互聯(lián)網(wǎng)相連接，服務(wù)器可以與協(xié)調(diào)器進(jìn)行直接通信，協(xié)調(diào)器在接收到數(shù)據(jù)信息后會(huì)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的廣播服務(wù)器中發(fā)送傳輸過(guò)來(lái)的指令。協(xié)調(diào)器主要是通過(guò)rcp協(xié)議以及服務(wù)器進(jìn)行連接，一般情況下，一個(gè)施工項(xiàng)目中只會(huì)配備一個(gè)協(xié)調(diào)器，而協(xié)調(diào)器在通電之后會(huì)將心跳包服務(wù)發(fā)送到服務(wù)器的3020端口。服務(wù)器使用該類型端口的原因就是可以有效地避免網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)的干擾。協(xié)調(diào)器通電之后會(huì)馬上發(fā)送心跳包，主要是為了避免過(guò)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的發(fā)送，導(dǎo)致的信號(hào)連接中斷的現(xiàn)象，服務(wù)器會(huì)監(jiān)聽(tīng)端口的信息，在服務(wù)器接收到項(xiàng)目工程的編號(hào)后就會(huì)與之前接收到的心跳包中的項(xiàng)目編號(hào)標(biāo)記相連接，之后將項(xiàng)目的編號(hào)以及查詢項(xiàng)目的傳感器制作成表格，每一個(gè)項(xiàng)目工程都會(huì)有數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔，服務(wù)器在監(jiān)聽(tīng)到心跳包后就會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建定時(shí)任務(wù)，定時(shí)向傳感器發(fā)送進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的指令。因?yàn)橐粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳感器只能接受一條指令，即便有多個(gè)傳感器，一次也只能由一個(gè)傳感器接收指令，一次性發(fā)送很多條指令，傳感器也只會(huì)執(zhí)行接收到的第一條信息。所以在下達(dá)指令時(shí)需要進(jìn)行一次發(fā)送。同時(shí)也會(huì)由于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法采集的情況發(fā)生，所以需要稍等，大約10s，在此期間如果沒(méi)有數(shù)據(jù)信息被回傳過(guò)來(lái)，就再次下達(dá)數(shù)據(jù)采集的指令，無(wú)論10s過(guò)后有無(wú)數(shù)據(jù)信息回傳，再次給傳感器下達(dá)數(shù)據(jù)采集指令。

3.3 數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

服務(wù)端不僅監(jiān)聽(tīng)端口，同時(shí)還監(jiān)聽(tīng)用戶的訪問(wèn)情況。用戶界面主要選擇可以不用安裝客戶端的架構(gòu)，這樣就可以進(jìn)一步的節(jié)省設(shè)備的維護(hù)成本，不需要進(jìn)行系統(tǒng)更新，任何適合打開(kāi)展示界面都是最新版的用戶界面。前端頁(yè)面的展示系統(tǒng)主要是利用了vue框架進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，此框架主要是構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式框架，與其他框架有所不同，此框架屬于從下向上的逐層應(yīng)用，還采用了dom算法，系統(tǒng)性能非常的優(yōu)異，被非常多的公司用來(lái)作為前端頁(yè)面。想要保護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全，就需要設(shè)計(jì)用戶的登錄功能，可以勾選保存密碼的功能，這樣瀏覽器就會(huì)將賬戶以及密碼儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫(kù)之中，此后用戶就可以不輸入賬號(hào)密碼，直接登錄進(jìn)入系統(tǒng)頁(yè)面之中。如果不勾選密碼保存就會(huì)在用戶點(diǎn)擊退出登錄或是關(guān)閉頁(yè)面后，消除用戶的登錄信息，以此有效地提升賬號(hào)的安全性。也可以在瀏覽器中增加可視化數(shù)據(jù)庫(kù)，以便于更加直觀地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息的變化趨勢(shì)。

3.4 移動(dòng)端展示界面

為了方便工作人員的訪問(wèn)以及對(duì)數(shù)據(jù)信息的查看，可以進(jìn)一步地研發(fā)移動(dòng)端的展示頁(yè)面，移動(dòng)端提供樣可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行展示，為了更加方便用戶的訪問(wèn)，增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)感，可以通過(guò)移動(dòng)端自帶的瀏覽器打開(kāi)系統(tǒng)頁(yè)面，將網(wǎng)頁(yè)添加到主屏幕之中，在桌面上添加網(wǎng)站入口的便捷方式，但移動(dòng)端相較于pc端會(huì)簡(jiǎn)單一些，只提供數(shù)據(jù)信息的查詢功能，其他功能并不開(kāi)放。這樣就方便點(diǎn)擊進(jìn)入詳情頁(yè)面是展示出此項(xiàng)目每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最新數(shù)據(jù)。同時(shí)可以對(duì)移動(dòng)端頁(yè)面的背景進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)數(shù)據(jù)信息的預(yù)警信息小于80%就可以使用綠色的背景，一旦預(yù)警信息超過(guò)80%但未達(dá)到預(yù)警值時(shí)，背景就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌壬木嫣崾荆坏?shù)據(jù)信息超過(guò)預(yù)警值就可以將背景直接設(shè)置成為紅色并且會(huì)發(fā)送預(yù)警短信。點(diǎn)擊監(jiān)測(cè)點(diǎn)不僅可以查到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息，還可以查到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的歷史數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，對(duì)高大支模無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行更為深入的探索，將分析出來(lái)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)應(yīng)用在高大支模的安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域之中，不僅可以有效地對(duì)建筑工程的變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)還可以進(jìn)行及時(shí)的預(yù)警，所以此項(xiàng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)有非常大的市場(chǎng)應(yīng)用前景。