基于ZgBee和GPRS的嵌入式橋梁健康監測系統

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，橋梁因結構老化和損傷而出現垮塌的事件屢見不鮮，橋梁結構健康監測受到全世界的廣泛關注。現有橋梁健康監測系統存在供電難、維護難、成本高、穩定性差等問題，難以在中小型橋梁中普及應用，有必要對現有系統進行優化改進。

國內外在結構環境結構監測方向提出一些優秀的成果。Zhuang，等［1］提出了基于 ARM9和 ZigBee的橋梁應力監測系統;紀航宇，等［2］提出了利用802.15.4協議組網，并在基站端采用GPRS同上位機通信的梁結構監測系統;嚴麗平，等［3］提出的一種基于ZigBee與GPRS的嵌入式水質監測系統中，介紹了一種3層體系的水質監測系統，將ZigBee技術，GPRS技術與嵌入式技術結合來實現環境遠程監測;T.Harms，等［4］提出基于 GPRS 無線傳輸的遠程橋梁監測系統。但由于橋梁結構健康監測是個長期性工程，如何處理傳感器采集所得龐大的數據量以降低網絡傳輸壓力、減少數據冗余，以及如何降低整個系統的功耗，這些問題還需要深入研究。

筆者針對橋梁健康監測系統的現場數據采集和傳輸部分，提出基于嵌入式技術、ZigBee無線網絡技術和GPRS無線傳輸技術相結合的全新的橋梁數據采集系統。利用嵌入式結合GPRS網絡實現控制數據采集、數據融合、數據處理、誤差分析、數據存儲和數據傳輸的功能，解決了工控機耗電量大、維護困難的缺點;利用ZigBee無線傳感網絡和傳感器節點電源自控制技術進行數據采集、數據傳輸和電源管理，解決了布線困難、布線成本高的缺陷，提高了數據的可靠性。本系統通過嵌入式系統休眠、ZigBee模塊休眠、傳感器節點電源管理等措施，大大降低了整個數據采集系統的功耗。

1 總體設計方案與實現原理

為了對橋梁進行完整地、系統地評估與分析，橋梁健康監測系統應具備可靠、穩定的分析與評估子系統即遠程數據管理與分析中心、數據預處理的現場采集子系統、環境變量采集的傳感器子系統(圖1)。

圖1 系統總體方案Fig.1 Overview of system architecture

1.1 遠程數據管理與分析中心

遠程數據管理分析中心由數據后期分析再現子系統、專家評估及仿真應用子系統組成，包括數據處理程序、參數仿真程序、數據報表程序等。主要功能是對數據分析，從中再現問題發生的時間情況以及生成報表等，比如裂縫發生的位置、形狀、時間以及其發展過程。該子系統是基于PC服務器的上位子系統，軟硬件都是成熟產品，本系統中采用重慶交通大學自主研發的橋梁健康監測服務器系統。

1.2 嵌入式環境數據現場采集子系統

現場數據采集系統是該系統的核心，主要完成動態電源管理功能，網絡數據接收功能，多源異構傳感器數據預處理、數據庫建立及存儲，通過GPRS上傳數據至服務器。考慮到系統的嵌入式特點，采用通用性強、易裁減、易開發的嵌入式Linux作為操作系統。

1.3 ZigBee無線傳感器網絡

傳感器子系統主要負責采集不同的橋梁結構、環境等數據，并以無線的方式傳回現場數據采集子系統。建立在IEEE 802.15.4(LR_WPAN，低速率無線個人區域網)上的ZigBee技術是由ZigBee聯盟推出的近距離、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點，如溫度測量節點、濕度測量節點、撓度測量節點、應變測量節點等。由ZigBee無線傳感器組建的網絡匯集所有測量節點的數據給現場采集子系統，再通過GPRS上傳至服務器。

2 嵌入式環境數據現場采集系統

為了能達到集中分析預處理多源異構傳感器數據的目的，該子系統中采用目前流行的嵌入式Linux操作系統，實現了系統的低成本、易開發的特性。

2.1 硬件設計

選用了Samsung公司基于ARM920T內核的S3C2440A作為系統處理器控制核心;存儲采用Samsung公 司 的 K9F1208，容 量 為 64M;內 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，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，具體硬件結構如圖2。

圖2 現場數據采集子系統硬件結構Fig.2 Overview of hardware architecture of on-site data acquisition system

S3C2440A處理器內部自帶的名為“Steppingstone”的4K SRAM緩沖器，用以支持NAND FLASH啟動［5］。系統上電后，NAND FLASH的前4K代碼將被拷貝到處理器內部4K RAM中執行，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，即跳轉到內存中運行，進而引導Linux操作系統啟動。Linux系統啟動后將通過初始化腳本來自動運行數據采集程序。系統中舍棄掉專為方便開發的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分區合理，完全能夠滿足系統穩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總線接入系統母板，可進行高效穩定的傳輸數據。GPRS模塊與系統則采用RS232接口連接。

2.2 軟件設計

本系統關于橋梁數據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層構成:Bootloader、Linux內核、文件系統、用戶應用程序(圖3)。筆者選用開源的Uboot作為引導程序，Linux 內核版本為 Linux 2.6.38.8，文件系統采用cramfs與yaffs結合的模式，用只讀的cramfs作為根文件系統掛載，增加系統的穩定性，而yaffs的易可讀寫則非常適合應用程序的存放。

圖3 系統軟件分層模型Fig.3 Layered model of system software

2.2.1 嵌入式數據庫SQLite3的移植與開發

SQLite是一款輕量級的開源嵌入式數據庫，使用方便，性能出眾，廣泛應用于消費電子、醫療、工業控制、軍事等各領域。SQLite3是其最新版本(目前穩定版為3.7.11)，SQLite3提供的C接口可方便地為開發服務:如sqlite_open打開SQLite3數據庫，sqlite_close關閉 SQLite3數據庫，sqlite_exec執行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。

嵌入式橋梁健康監測的數據概念模型設計如圖4。

圖4 概念模型Fig.4 Database conceptual model

創建數據庫與數據表:

1)創建數據庫。在應用程序目錄運行命令“sqlite3 bridge_monitoringdata.db”，創建名為 bridge_monitoringdata.db的數據庫文件并進入sqlite的操作終端。

2)在終端下輸入以下命令依次創建數據表: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);

創建完成的數據庫邏輯模型見表1。

表1 數據庫邏輯模型Table 1 Logical model of database

2.2.2 現場數據預處理過程設計

遠程橋梁健康監測的最終評估是在遠程服務器端進行，而龐大的監測數據量中數據冗余度很高，從而引起ZigBee網絡節點間頻繁的信道搶占，導致網絡延時增大甚至網絡癱瘓［6］。為了解決這個問題，采用增加現場數據預處理的方法，即在傳感器數據存儲轉發之前對其進行數據融合處理。數據預處理流程圖如圖5。

圖5 數據預處理流程Fig.5 Data pre-processing progress

2.2.3 GPRS 數據發送程序開發

GPRS數據發送程序主要完成在系統啟動時自動撥號上網，并通過檢測數據通信流來喚醒休眠系統的機制來大幅降低系統功耗并能確保系統不斷線的實時數據傳輸。系統上電后程序默認進入休眠狀態，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據采集系統，并按時不同請求完成不同任務，即轉發或預處理存儲。設定一定時間間隔無通信響應則使系統進入休眠狀態。

1)移植PPP協議

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

根據板級配置修改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。并在內核配置時增加對PPP與TCP協議的支持。

2)配置GPRS模塊

正確配置波特率，設置數據包格式與默認網關，撥號連接服務器。然后即可進行數據通信，整個流程如圖6。

圖6 數據預處理流程Fig.6 GPRS dial-up connection progress

3 無線傳感器網絡組建

無線傳感器網絡處于整個監測系統的最底層，傳感器節點根據橋梁結構要求分布在橋梁內外不同監測點，將精密傳感器與ZigBee無線傳輸模塊結合組成無線傳感節點。每個傳感器節點包括3個組成部分:精密傳感器、內置ZigBee協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模塊已經比較成熟，本系統選用無線龍ZigBee無線傳感器網絡專業開發模塊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模塊可提高系統穩定性同時節省開發時間。網關及分類采集節點硬件結構圖如圖7。

圖7 傳感器節點結構Fig.7 Sensor node structure

3.2 ZigBee網絡組建

傳感監測節點分布于橋梁不同監測區域，針對特定的結構可采用不同的組網方式，常用為樹狀拓撲結構，如圖8。

圖8 ZigBee網絡拓撲結構Fig.8 ZigBee network topology

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

圖9 建立網絡流程Fig.9 Network establishing process

4 實驗結果分析

4.1 實驗結果

為了驗證所設計的監測系統，在實驗室構建了一套實驗系統，受條件限制，實驗時僅加入3種傳感器節點，風速、溫度、濕度各一個。實驗中采用的ARM系統開發板自帶了很多可擴展或直接可用的接口，這里并未使用。無線傳感器節點按照設計頻率將采集所得數據經ZigBee協調器接收至現場數據處理中心，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的監測結果。

圖10 濕度監測數據Fig.10 Humidity monitoring data

圖11 應變監測數據Fig.11 Strain monitoring data

圖12 溫度監測數據Fig.12 Temperature monitoring data

4.2 結果分析

從實驗結果可以看出，對于每一監測時間點，數據與實際所反應的環境情況完全吻合。實驗過程驗證了系統的實時性，穩定性，可靠性，為驗證數據預處理的結果可靠性，可在節點端用軟件編程方式返回奇異數據，實驗證明在現場預處理過程中會將奇異值剔除并備注。

5 結語

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

［1］ Zhuang Xiaoqi，Zhang Lijun，Fang Min，et al.An Embedded System of Bridge Stress Monitoring Based on ARM9 and Zigbee［C］//2010 International Conference on Electrical and Control Engineering.Wuhan:ICECE，2010:5007-5010.

［2］ 紀航宇，劉曉平.無線傳感器網絡在梁結構監測系統中的應用［J］.儀表技術，2007(12):62-64.

Ji Hangyu，Liu Xiaoping.Application of wireless sensor network for beam structure monitoring system［J］.Instrument Technology，2007(12):62-64.

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［5］ SAMSUNG Semiconductor Inc..S3C2440A 32-Bit CMOS Microcontroller User’s Manual:Revision 1［G］.Yongin-City，Gyeonggi-Do，Korea:SAMSUNG Semiconductor Inc.，2004.

［6］ 王平，程明傳，翁宗煌.數據融合處理算法在ZigBee中的應用［J］.計算機應用，2009，29(7):1897-1900.

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