基于ZlgBee無線傳感器網絡的建筑結構健康監測系統設計與實現

朱俊明，郝萬君，李澤，季海潮，張晨

（蘇州科技學院電子與信息工程學院，江蘇蘇州215009）

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基于ZlgBee無線傳感器網絡的建筑結構健康監測系統設計與實現

朱俊明，郝萬君，李澤，季海潮，張晨

（蘇州科技學院電子與信息工程學院，江蘇蘇州215009）

摘要：針對傳統建筑結構健康監測系統的通過導線連接到數據采集設備而存在的性價比低、遠距離數據傳輸能力較弱、靈活性差等問題，本系統通過箔式金屬應變片電橋測量電路性能試驗，利用ZjgBee無線傳感網絡、微傳感器、微信號處理等技術，進行節點的軟硬件設計，并結合GPRS技術實現遠程傳輸。實驗數據表明，本系統能較好地滿足建筑墻體健康在線監測的要求。

關鍵詞：建筑結構健康；實時狀態監測；網關；ZjgBee

隨著建筑結構使用時間的增長以及地震等自然災害的作用，致使許多建筑的結構在抗震性能方面迅速下降或逐步進入老化階段［1］，如何對在役或舊式建筑物進行結構健康狀態進行實時監測和診斷，以便對其安全性和剩余壽命做出合理的評估，并及時采取相應的修復、加固或抗震控制措施，具有十分重大的現實意義。

常規的建筑結構健康監測系統都是通過導線連接到數據采集設備，即各個傳感器采集的數據均通過導線傳輸到中央處理器進行集中處理和診斷。這種方法對實驗室里的模型結構或簡單結構物監測是有效的，但對于大型建筑物或者舊式建筑群，有線監測方案由于其繁雜的布線問題一直沒有被工程人員廣泛采用［2］。

針對上述問題，本系統采用ZjgBee無線傳感器網絡構建建筑結構健康的監測系統，解決由于布線問題帶來的不足。ZjgBee是一種標準，該標準定義了短距離、低數據傳輸速率無線通信所需要的一系列通信協議。ZjgBee無線傳感器網絡系統是建筑結構健康監測領域中一種新興的信息獲取和處理技術，系統中每個傳感器節點都具有無線通信功能，各個測點的傳感器節點對各處的參數進行測量，并組成一個無線網絡，將測量數據通過本網絡以無線方式傳送到控制中心與移動設備［3］。系統具有安裝方便，維護成本低和部署靈活等特點，將無線傳感器網絡技術引入結構健康監測將是非常好的選擇。

1　系統結構

基于文獻［4］的基礎上，設計建筑結構健康監測系統，其主要包括3個部分：無線傳感器網絡（WSN）、GPRS網絡與遠程監控中心。系統的拓撲結構如圖1所示。

將大量ZjgBee數據采集節點部署在所監測區域中，通過箔式金屬應變片傳感器采集墻體形變參數與墻體承受壓力參數，并將采集到的數據經模擬/數字轉換器進行數據處理與儲存。每個傳感器節點分配到不同簇，簇中的節點可以相互通信。每個傳感器節點的覆蓋范圍必須包含另外兩個節點，以防傳輸線路中有節點出現故障時數據的傳輸中斷。數據采集節點將收集到的數據打包傳送給簇首節點，簇首節點接收、存儲分簇內采集節點發送的采樣數據包，對其進行分析、匯總、格式轉換等處理后，通過網關傳送給遠程控制中心；同時，接收遠程控制中心發送的指令數據包，并根據指令內容調整分簇子網的運行狀態、參數。

2　系統硬件設計

在ZjgBee無線傳感器網絡中，每個傳感器節點都包含數據采集模塊、數據處理模塊、無線通信模塊與電源構成。數據采集模塊是節點對監測區域周邊環境進行感知與監測的途徑。處理器對采集的數據進行濾波、放大，發送給無線通信模塊。無線通信模塊確保數據正常傳輸，并且要節省能量。因無線信號收發數據時消耗的能量遠遠大于靜止時，所以本系統初始化為任務空閑，直到有數據傳遞，產生中斷響應，系統切換到執行任務狀態，執行任務完成后再次回到任務空閑狀態，等待下一個中斷信號響應。電源為節點的運行提供能量，保證節點正常運行。傳感器節點結構圖如圖2所示。

圖2　傳感器節點結構圖

2.1數據采集模塊

對箔式金屬應變片進行性能實驗，采用3種電橋電路。通過加法碼和減法碼的方式測試在壓力變大和壓力減小情況下的電壓與壓力的關系。3種不同電橋測量電路如圖3所示。

圖3　電橋測量電路圖

最后實驗結果圖如圖4所示。

圖4　電橋測量電路數據圖

由仿真結果圖可以看出：全橋電路的應變片發生形變和恢復形變的能力幾乎沒有差別，而且電壓和壓力的線性化程度比較高，我們最終采用全橋電路作為測量墻體形變壓力的電路。將采集到的電流模擬信號通過A/D轉換器轉換得到數字信號，并傳給ZjgBee采集節點。A/D轉換器選用TI公司ADS774JU芯片，125K的SRAM，精度為12位，并行28個引腳。

2.2數據處理模塊

數據處理模塊是由處理器和存儲器組成的，處理器的性能決定整個節點的性能。處理器采用Ramtron公司的VRS51L2070的處理器，它擁有速度高達40MIPS的單周期8051內核與有眾多的數字外設，并且，它采用與8051兼容的指令系統，方便地實現程序移植。無線通信模塊進行通訊，Ramtron公司的VRS51L2070的處理器可以與在相同的內核與相互兼容的指令系統的基礎上采用雙向兩線串行數據接口進行通訊，可在保持數據傳輸通暢情況下保證信息的實時性。

2.3無線網絡通訊模塊

無線傳感器網絡通訊模塊設計以TI公司CC2530為核心，使用增強型8051MCU作為處理器，主要包括CC2530單片機、電源電路、I/O口接口電路與射頻電路等模塊。CC2530系統芯片功耗低，能極大滿足無線傳感器所需要的低功耗要求，支持2.4 GHz IEEE.802.15.4標準，同時，其有256 kB字節的閃存空間與8 kB的RAM空間，有串口及LED顯示燈，數據通信是通過一個完全集成的高性能的RF收發器，其具有接收器靈敏度高和抗干擾性強的特點。CC2530系統芯片與RF收發器的接線圖如圖5所示。

2.4網關節點設計

網關節點的任務是接收數據并發送數據，網關節點必須在處理數據、儲存數據、發送數據等方面的能力都比較強。它通過CC2530芯片與無線傳感器網絡相連，接收傳感器節點測量的數據，然后通過GPRS通信模塊與Internet外部網絡相連，GPRS與Internet網絡協議的相融合，最終實現數據的遠程監測與通信傳輸。GPRS的短信功能配合SIM，實現數據與手機實時交互的功能，可以及時了解情況，做好防范措施。網關節點有CC2530芯片，處理器（含有數據儲存），GPRS模塊以及電源四部分組成。其中GPRS通信模塊采用MC55模塊，因為其尺寸較小，而且支持語音通信和短消息通信功能。網關節點模塊結構圖如圖6所示。

圖5　射頻電路原理圖

圖6　網關節點模塊結構圖

3　系統軟件設計

3.1節點程序設計與工作過程流程圖

節點程序底層為實時操作系統和存儲卡支持庫，中間層為以太網和WjFj網絡協議棧、Zjgbee網絡協議棧、文件系統，高層為實現信號采樣、數據分析、網絡通信等應用功能的任務函數。

傳感器節點程序設計是基于文獻［5］的基礎上設計的，首先是節點的初始化，初始化包括：振蕩器初始化，I/O端口初始化，串口初始化以及定時器初始化。然后節點自動向模塊發出加入無線網絡請求，如沒有加入繼續加入，加入節點網絡后獲得分配地址。傳感器節點在沒有任務時，處于空閑狀態，減少節點能耗。當需要測量數據，節點退出空閑狀態被喚醒測量數據，數據測量結束后，傳感器繼續休眠。采集后數據通過簡單處理和儲存，在設定時間里調用發送函數，將數據傳輸出去。數據發送成功，節點進入睡眠模式，等待下次數據發送。傳感器節點工作流程如圖7所示。

3.2無線網絡通訊模塊程序設計

CC2530數據幀通訊格式如圖8所示。其網絡通信幀由幀頭和幀凈載荷兩部分組成。幀頭一般包括幀控制和尋址信息；幀凈載荷長度可變，它包含幀類型所指定的信息。幀控制域長度為一個字節，其包含的信息有幀類型域、地址域和其他控制標志域［6］。根據應用的不同定義了3種類型的幀：數據幀、命令幀和應答幀。

CC2530發送和接收處理的程序設計流程如圖8所示。

CC2530的發送數據時，在CC2530完成初始化工作之后，檢查要發送的數據格式幀是否正確，若正確則查詢是否有空閑信道，反之則停止發送。若數據幀格式正確且有空閑信道時清空發送緩沖區，接著將需要發送的數據送入TXFIFO緩沖區，最后啟動射頻將要發送的數據發送出去［7］。

CC2530在接收到數據包時，幀首定界符（SFD）首先由低電平變為高電平從而觸發中斷請求中斷，在中斷服務程序中調用接收數據處理的程序。接著程序判斷接收到的數據是否完整，若數據完整則做接收數據的準備反之結束接收數據。在完成接收數據步驟之后，CC2530判斷該數據是否是發往本節點的數據，若是則對接收的數據進行處理反之則停止接收數據。

圖7　網絡節點工作流程圖

圖8　CC2530發送/接收數據程序流程圖

4　數據分析

為監測系統性能，將設計的建筑結構健康自動監測系統進行實地試驗，選取其中的5個傳感器節點，1個網關節點與筆記本電腦作為遠程控制中心。遠程控制終端顯示出各個傳感器采集的墻體形變數據，對箔式金屬應變片的壓力參數與形變參數比例關系進行分析，計算出傳感器監測區域所受壓力的大小，最終通過遠程控制終端顯示出來［8］。具體的試驗數據如表1所示。

表1　試驗數據

5　結論

本文針對傳統房屋健康監測中都是通過導線將數據與采集設備連接的局限性，利用ZjgBee［9］無線傳感網絡，微傳感器，微信號處理等技術，進行節點的軟硬件設計，通過GPRS技術實現遠程傳輸。本系統具有安裝方便，維護成本低，部署靈活和工作時間長等特點，將無線傳感器網絡技術引入結構健康監測，實現實時在線功能，為維護提供數據參考。

參考文獻：

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［9］張強武，唐露新.基于ZjgBee的變電站智能門禁系統設計［J］.電子設計工程，2014，22（9）：170-172.

The observatlon system deslgn of the bulldlng structural health based on ZlgBee

ZHU Jun-mjng，HAO Wan-jun，LI Ze，JI Haj-chao，ZHANG Chen
（School of Electronic & Information Engineering，USTS，Suzhou 215009，China）

Abstract:Wjth reference to the prob1ems of 1ow performance-prjce ratjo jn hea1th monjtorjng system of tradjtjona1 buj1djng structures attachjng wjres to data-co11ectjng devjces，weak capacjty for 1ong-djstance data transmjssjon，1ack of f1exjbj1jty，the system，based on the performance testjng of measurjng cjrcujt by means of foj1 strajn gage brjdge，utj1jzes the technjques of ZjgBee wjre1ess sensjng network，mjcro-sensors and mjcro-sjgna1 processjng to execute the noda1 software and hardware desjgn jn order to jmp1ement the 1ong-djstance transmjssjon ajded by the GPRS techno1ogy. Experjmenta1 data demonstrate that the system can meet the requjrements of monjtorjng the hea1th condjtjon of buj1djng wa11s we11.

Key words:buj1djng structura1 hea1th；status observatjon jn rea1 tjme；gateway；ZjgBee

中圖分類號：TN925

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0083-04

收稿日期：2015-04-26稿件編號：201504278

作者簡介：朱俊明（1993—），男，江蘇鹽城人。研究方向：無線傳感器網絡、電氣自動化。