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基于傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的巖土工程應(yīng)力監(jiān)測

時間:2011-02-22 11:56:16來源:boulifairy

導(dǎo)語:?隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰飛,公路、大跨度橋梁、大壩等大型巖土建筑數(shù)量越來越多。

      隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰飛,公路、大跨度橋梁、大壩等大型巖土建筑數(shù)量越來越多。而地質(zhì)因素、施工質(zhì)量、建筑老化等問題使巖土建筑的健康狀況的監(jiān)控變得日益迫切,當(dāng)今主流的檢測應(yīng)力方法多為人工定時持應(yīng)力監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行實地測量,這就難免導(dǎo)致數(shù)據(jù)監(jiān)測的不及時,并產(chǎn)生人為誤差。

      本系統(tǒng)主要利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)便捷、成本低和功耗低等優(yōu)點,結(jié)合GPRS(General Packet Radio Service)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用,實現(xiàn)了對巖土建筑應(yīng)力數(shù)據(jù)的實時采集,并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。在成本方面,大大節(jié)約了以往采用人力監(jiān)測的資源消耗;同時,GPRS網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Networks)技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用,使監(jiān)測方式變得簡單易行,并更具可操作性[1]。

      系統(tǒng)主要利用了無線收發(fā)芯片、低功耗單片機(jī)以及GPRS模塊,通過數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點將從巖土建筑采集得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)測人員手中,從而實現(xiàn)了遠(yuǎn)程實時監(jiān)測的目的。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點組成,通過寫入?yún)f(xié)議棧,設(shè)置協(xié)調(diào)器、路由器和數(shù)據(jù)終端,組建基于ZigBee協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)采集范圍可隨采集節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的增加而擴(kuò)大[2]。網(wǎng)絡(luò)先通過“多跳的方式”將多點數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,然后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以短消息方式發(fā)送到遠(yuǎn)端的接收端。另外,通過使用GPRS模塊的TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能,應(yīng)力數(shù)據(jù)可以同步傳輸?shù)絇C終端,從而實現(xiàn)在線監(jiān)測。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1 硬件平臺的設(shè)計

1.1 整體平臺

      本文系統(tǒng)主要通過單片機(jī)分別控制無線發(fā)射模塊和GPRS模塊,通過從傳感器采集數(shù)據(jù),再經(jīng)2.4 GHz頻段信道傳送到終端發(fā)送節(jié)點,最后通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)以短信模式發(fā)送出去。硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

      微控制器MCU(Micro Control Unit)選用了MSP430F1611,它是具有超低功耗的16位單片機(jī)。在活動模式下,MSP430的功耗可以達(dá)到280 ?滋A。其次,12位帶采樣保持的A/D轉(zhuǎn)換模塊可以為傳感器數(shù)據(jù)采集提供模數(shù)轉(zhuǎn)換。兩路串行通信口USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)可以滿足通過SPI口對射頻模塊進(jìn)行控制的同時,還可以對GPRS模塊實現(xiàn)操作[3]。

      無線收發(fā)芯片選用了TI公司的CC2420,這款芯片兼容IEEE 802.15.4無線收發(fā)芯片,性能優(yōu)良,功耗低,體積小,非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。CC2420具有完全集成的壓控振蕩器,只需要在外圍擴(kuò)充天線及16 MHz晶振等少許元件,就可以在2.4 GHz頻段使用。該芯片配有SPI口,便于與微控制器連接使用。本方案選用MSP430F1611作為微控制器,對CC2420進(jìn)行寄存器配置、讀取狀態(tài)位,以及控制收發(fā)數(shù)據(jù)等操作[4]。

      GPRS模塊選用SIMCOM 300,它具有支持AT命令控制、RS232、TTL電平雙模式控制等優(yōu)點,十分有利于系統(tǒng)的應(yīng)用。

      JTAG接口主要用于下載、調(diào)試程序,USB接口可實現(xiàn)與計算機(jī)直接通信。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

      傳感器:本系統(tǒng)選用了傳統(tǒng)貼式應(yīng)變片,通過設(shè)計放大、保持電路,將形變量轉(zhuǎn)換成電信號。應(yīng)力數(shù)據(jù)采集部分將應(yīng)變片黏貼于橋梁模型上,輸出電壓為:

      式中ε為應(yīng)變片電橋激勵電壓, ε為應(yīng)變片形變量,A為信號調(diào)理電路放大倍數(shù)。在本文所用橋梁模型中,輸出電壓信號范圍為1 V~2 V。

1.2 硬件連接

      CC2420在通信中主要使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳說明通信狀態(tài)。SFD引腳表明是否在接收或發(fā)送數(shù)據(jù)幀;FIFO在接收中指示接收緩沖器中是否有數(shù)據(jù);FIFOP用于指示接收數(shù)據(jù)的上限到達(dá)或者完整地接收幀;CCA用于查看信道是否為空。

      CC2420與MSP430的連接非常方便。只需要使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài);而處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令。SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引腳組成。處理器通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和儲存器。在訪問過程中,接收來自處理器的時鐘信號和片選信號,并在處理器的控制下執(zhí)行輸入/輸出操作。在本方案設(shè)計中,MSP430處于主模式,CC2420處于從模式。

      MSP430與SIM300的硬件連接通過RX、TX和GND三線連接。處理器用USART0串行通信口通過此三線運(yùn)用異步通信模式向GPRS模塊寫入AT命令,以達(dá)到控制其發(fā)送短信的目的。具體硬件連接圖如圖4所示。

      傳感器與單片機(jī)的連接通過將傳感器的輸出端連接到單片機(jī)上相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道接口。

2 軟件設(shè)計

      系統(tǒng)主要通過TI公司提供的編譯器IAR Embedded Workbench 430 4.21進(jìn)行編程,通過對SPI口、ADC口、定時器以及CC2420的配置,完成一系列數(shù)據(jù)收發(fā)。本文將以點對點通信為例,將系統(tǒng)程序分為數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊予以介紹。

2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

      本模塊主要負(fù)責(zé)控制傳感器定時采集數(shù)據(jù),并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將采集到的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù),最后通過設(shè)置CC2420將數(shù)據(jù)通過2.4 GHz信道發(fā)送出去。

      程序首先對單片機(jī)的各個需要模塊進(jìn)行初始化,再通過SPI串口對CC2420進(jìn)行配置寄存器以及設(shè)置源地址、目的地址等。初始化完成后,單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式等待定時中斷到來。通過軟件設(shè)置,可以設(shè)定采集數(shù)據(jù)周期。當(dāng)采集數(shù)據(jù)數(shù)目達(dá)到預(yù)定值后,將按預(yù)先規(guī)定格式將所采集數(shù)據(jù)、目的地址等依次寫入發(fā)送緩沖器,然后發(fā)送出去。按照自定義協(xié)議,若數(shù)據(jù)成功接收,發(fā)送端將會接收到確認(rèn)幀。具體發(fā)送流程如圖 5所示。

2.2 數(shù)據(jù)接收模塊

      數(shù)據(jù)接收模塊的功能是把從發(fā)送節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù),通過單片機(jī)控制GPRS模塊,將數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送出去,具體程序流程如圖6所示 。初始化過程與數(shù)據(jù)采集模塊相同,初始化完成后單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式等待接收數(shù)據(jù)。在配置CC2420時,已預(yù)先設(shè)置好觸發(fā)FIFOP中斷的條件,當(dāng)接收數(shù)據(jù)長度超出預(yù)設(shè)值時,F(xiàn)IFOP電平變化,觸發(fā)單片機(jī)中斷。CC2420首先進(jìn)行地址確認(rèn),若數(shù)據(jù)中的目的地址與本節(jié)點地址吻合,則地址確認(rèn)成功,硬件自動發(fā)送確認(rèn)幀。發(fā)送后,按照協(xié)議規(guī)定,依次讀出幀長度、控制幀以及用戶數(shù)據(jù)等。通過對收到數(shù)據(jù)的分析,在應(yīng)力數(shù)據(jù)值超過預(yù)定門限值時,調(diào)用函數(shù)將應(yīng)力數(shù)據(jù)通過短信發(fā)送到監(jiān)測人員手機(jī)。

      另外,傳感器采集節(jié)點發(fā)送的整型數(shù)據(jù)需要通過ASCII碼轉(zhuǎn)換將其變?yōu)樽址蛿?shù)據(jù)才能發(fā)送。將編碼后的數(shù)據(jù)封裝到AT命令中,然后通過串口寫入GPRS模塊便可達(dá)到發(fā)送短信的目的。

3 模擬驗證

      通過鋼條模擬橋梁狀況,用本文設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行模擬驗證,可實現(xiàn)應(yīng)力數(shù)據(jù)的實時采集。在9 V干電池供電的情況下,通過施加給鋼板不同大小的垂直作用力,產(chǎn)生不同強(qiáng)度的形變量,電壓信號可從2 V~1 V變化。相應(yīng)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和線性處理后的數(shù)字信號,指示的數(shù)據(jù)可從0 N~80 N之間進(jìn)行對應(yīng)的線性變化。通過軟件設(shè)置大約20 s的采樣間隔,并設(shè)置固定門限值后,在人力施加外力導(dǎo)致鋼板形變大約15 s后能接收到短信報警信號,并能顯示相應(yīng)的應(yīng)力值。

      本文介紹的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)將高性能、低功耗的MSP430單片機(jī)與射頻模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來,通過利用2.4 GHz頻段的便捷通信使遠(yuǎn)程實時監(jiān)控變得更容易,同時大大降低了人力物力的消耗。節(jié)點在低功耗模式下,功耗電流可低至36 μA,使用單節(jié)AA電池供電就可以支撐較長時間。無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪J?,擺脫了由于布線受地理因素影響的限制。該系統(tǒng)硬件連接簡單,易于實現(xiàn)和維護(hù),功耗極低,便于長期使用。

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