基于ZlgBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

朱俊明，郝萬君，李澤，季海潮，張晨

（蘇州科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

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基于ZlgBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

朱俊明，郝萬君，李澤，季海潮，張晨

（蘇州科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，江蘇蘇州215009）

摘要：針對傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的通過導(dǎo)線連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備而存在的性價比低、遠距離數(shù)據(jù)傳輸能力較弱、靈活性差等問題，本系統(tǒng)通過箔式金屬應(yīng)變片電橋測量電路性能試驗，利用ZjgBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、微傳感器、微信號處理等技術(shù)，進行節(jié)點的軟硬件設(shè)計，并結(jié)合GPRS技術(shù)實現(xiàn)遠程傳輸。實驗數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)能較好地滿足建筑墻體健康在線監(jiān)測的要求。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)健康；實時狀態(tài)監(jiān)測；網(wǎng)關(guān)；ZjgBee

隨著建筑結(jié)構(gòu)使用時間的增長以及地震等自然災(zāi)害的作用，致使許多建筑的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進行實時監(jiān)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(yīng)的修復(fù)、加固或抗震控制措施，具有十分重大的現(xiàn)實意義。

常規(guī)的建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)都是通過導(dǎo)線連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備，即各個傳感器采集的數(shù)據(jù)均通過導(dǎo)線傳輸?shù)街醒胩幚砥鬟M行集中處理和診斷。這種方法對實驗室里的模型結(jié)構(gòu)或簡單結(jié)構(gòu)物監(jiān)測是有效的，但對于大型建筑物或者舊式建筑群，有線監(jiān)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(tǒng)采用ZjgBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)健康的監(jiān)測系統(tǒng)，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(shù)據(jù)傳輸速率無線通信所需要的一系列通信協(xié)議。ZjgBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域中一種新興的信息獲取和處理技術(shù)，系統(tǒng)中每個傳感器節(jié)點都具有無線通信功能，各個測點的傳感器節(jié)點對各處的參數(shù)進行測量，并組成一個無線網(wǎng)絡(luò)，將測量數(shù)據(jù)通過本網(wǎng)絡(luò)以無線方式傳送到控制中心與移動設(shè)備［3］。系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測將是非常好的選擇。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于文獻［4］的基礎(chǔ)上，設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，其主要包括3個部分：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠程監(jiān)控中心。系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

將大量ZjgBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點部署在所監(jiān)測區(qū)域中，通過箔式金屬應(yīng)變片傳感器采集墻體形變參數(shù)與墻體承受壓力參數(shù)，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)處理與儲存。每個傳感器節(jié)點分配到不同簇，簇中的節(jié)點可以相互通信。每個傳感器節(jié)點的覆蓋范圍必須包含另外兩個節(jié)點，以防傳輸線路中有節(jié)點出現(xiàn)故障時數(shù)據(jù)的傳輸中斷。數(shù)據(jù)采集節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)打包傳送給簇首節(jié)點，簇首節(jié)點接收、存儲分簇內(nèi)采集節(jié)點發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)包，對其進行分析、匯總、格式轉(zhuǎn)換等處理后，通過網(wǎng)關(guān)傳送給遠程控制中心；同時，接收遠程控制中心發(fā)送的指令數(shù)據(jù)包，并根據(jù)指令內(nèi)容調(diào)整分簇子網(wǎng)的運行狀態(tài)、參數(shù)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

在ZjgBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個傳感器節(jié)點都包含數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊與電源構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊是節(jié)點對監(jiān)測區(qū)域周邊環(huán)境進行感知與監(jiān)測的途徑。處理器對采集的數(shù)據(jù)進行濾波、放大，發(fā)送給無線通信模塊。無線通信模塊確保數(shù)據(jù)正常傳輸，并且要節(jié)省能量。因無線信號收發(fā)數(shù)據(jù)時消耗的能量遠遠大于靜止時，所以本系統(tǒng)初始化為任務(wù)空閑，直到有數(shù)據(jù)傳遞，產(chǎn)生中斷響應(yīng)，系統(tǒng)切換到執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)，執(zhí)行任務(wù)完成后再次回到任務(wù)空閑狀態(tài)，等待下一個中斷信號響應(yīng)。電源為節(jié)點的運行提供能量，保證節(jié)點正常運行。傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

2.1數(shù)據(jù)采集模塊

對箔式金屬應(yīng)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(guān)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(jié)果圖如圖4所示。

圖4　電橋測量電路數(shù)據(jù)圖

由仿真結(jié)果圖可以看出：全橋電路的應(yīng)變片發(fā)生形變和恢復(fù)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，并傳給ZjgBee采集節(jié)點。A/D轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)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(jié)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(nèi)核與有眾多的數(shù)字外設(shè)，并且，它采用與8051兼容的指令系統(tǒng)，方便地實現(xiàn)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(nèi)核與相互兼容的指令系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用雙向兩線串行數(shù)據(jù)接口進行通訊，可在保持數(shù)據(jù)傳輸通暢情況下保證信息的實時性。

2.3無線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊模塊設(shè)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(tǒng)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(jié)的閃存空間與8 kB的RAM空間，有串口及LED顯示燈，數(shù)據(jù)通信是通過一個完全集成的高性能的RF收發(fā)器，其具有接收器靈敏度高和抗干擾性強的特點。CC2530系統(tǒng)芯片與RF收發(fā)器的接線圖如圖5所示。

2.4網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點的任務(wù)是接收數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點必須在處理數(shù)據(jù)、儲存數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等方面的能力都比較強。它通過CC2530芯片與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相連，接收傳感器節(jié)點測量的數(shù)據(jù)，然后通過GPRS通信模塊與Internet外部網(wǎng)絡(luò)相連，GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的相融合，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測與通信傳輸。GPRS的短信功能配合SIM，實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)節(jié)點有CC2530芯片，處理器（含有數(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)節(jié)點模塊結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖5　射頻電路原理圖

圖6　網(wǎng)關(guān)節(jié)點模塊結(jié)構(gòu)圖

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1節(jié)點程序設(shè)計與工作過程流程圖

節(jié)點程序底層為實時操作系統(tǒng)和存儲卡支持庫，中間層為以太網(wǎng)和WjFj網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、Zjgbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、文件系統(tǒng)，高層為實現(xiàn)信號采樣、數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)通信等應(yīng)用功能的任務(wù)函數(shù)。

傳感器節(jié)點程序設(shè)計是基于文獻［5］的基礎(chǔ)上設(shè)計的，首先是節(jié)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(jié)點自動向模塊發(fā)出加入無線網(wǎng)絡(luò)請求，如沒有加入繼續(xù)加入，加入節(jié)點網(wǎng)絡(luò)后獲得分配地址。傳感器節(jié)點在沒有任務(wù)時，處于空閑狀態(tài)，減少節(jié)點能耗。當需要測量數(shù)據(jù)，節(jié)點退出空閑狀態(tài)被喚醒測量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)測量結(jié)束后，傳感器繼續(xù)休眠。采集后數(shù)據(jù)通過簡單處理和儲存，在設(shè)定時間里調(diào)用發(fā)送函數(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸出去。數(shù)據(jù)發(fā)送成功，節(jié)點進入睡眠模式，等待下次數(shù)據(jù)發(fā)送。傳感器節(jié)點工作流程如圖7所示。

3.2無線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊程序設(shè)計

CC2530數(shù)據(jù)幀通訊格式如圖8所示。其網(wǎng)絡(luò)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(jié)，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(jù)應(yīng)用的不同定義了3種類型的幀：數(shù)據(jù)幀、命令幀和應(yīng)答幀。

CC2530發(fā)送和接收處理的程序設(shè)計流程如圖8所示。

CC2530的發(fā)送數(shù)據(jù)時，在CC2530完成初始化工作之后，檢查要發(fā)送的數(shù)據(jù)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(fā)送。若數(shù)據(jù)幀格式正確且有空閑信道時清空發(fā)送緩沖區(qū)，接著將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入TXFIFO緩沖區(qū)，最后啟動射頻將要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送出去［7］。

CC2530在接收到數(shù)據(jù)包時，幀首定界符（SFD）首先由低電平變?yōu)楦唠娖綇亩|發(fā)中斷請求中斷，在中斷服務(wù)程序中調(diào)用接收數(shù)據(jù)處理的程序。接著程序判斷接收到的數(shù)據(jù)是否完整，若數(shù)據(jù)完整則做接收數(shù)據(jù)的準備反之結(jié)束接收數(shù)據(jù)。在完成接收數(shù)據(jù)步驟之后，CC2530判斷該數(shù)據(jù)是否是發(fā)往本節(jié)點的數(shù)據(jù)，若是則對接收的數(shù)據(jù)進行處理反之則停止接收數(shù)據(jù)。

圖7　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點工作流程圖

圖8　CC2530發(fā)送/接收數(shù)據(jù)程序流程圖

4　數(shù)據(jù)分析

為監(jiān)測系統(tǒng)性能，將設(shè)計的建筑結(jié)構(gòu)健康自動監(jiān)測系統(tǒng)進行實地試驗，選取其中的5個傳感器節(jié)點，1個網(wǎng)關(guān)節(jié)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(shù)據(jù)，對箔式金屬應(yīng)變片的壓力參數(shù)與形變參數(shù)比例關(guān)系進行分析，計算出傳感器監(jiān)測區(qū)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(shù)據(jù)如表1所示。

表1　試驗數(shù)據(jù)

5　結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)房屋健康監(jiān)測中都是通過導(dǎo)線將數(shù)據(jù)與采集設(shè)備連接的局限性，利用ZjgBee［9］無線傳感網(wǎng)絡(luò)，微傳感器，微信號處理等技術(shù)，進行節(jié)點的軟硬件設(shè)計，通過GPRS技術(shù)實現(xiàn)遠程傳輸。本系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，實現(xiàn)實時在線功能，為維護提供數(shù)據(jù)參考。

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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(wǎng)絡(luò)、電氣自動化。