基于傳感器網(wǎng)絡和GPRS網(wǎng)絡的巖土工程應力監(jiān)測

隨著我國經(jīng)濟的騰飛，公路、大跨度橋梁、大壩等大型巖土建筑數(shù)量越來越多。而地質因素、施工質量、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，當今主流的檢測應力方法多為人工定時持應力監(jiān)測設備進行實地測量，這就難免導致數(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)絡便捷、成本低和功耗低等優(yōu)點，結合GPRS（General Packet Radio Service）網(wǎng)絡的運用，實現(xiàn)了對巖土建筑應力數(shù)據(jù)的實時采集，并通過GPRS網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)進行遠程傳輸。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)絡和無線傳感器網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Networks)技術的結合運用，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力數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)竭h端的監(jiān)測人員手中，從而實現(xiàn)了遠程實時監(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，設置協(xié)調器、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，數(shù)據(jù)采集范圍可隨采集節(jié)點網(wǎng)絡的增加而擴大[2]。網(wǎng)絡先通過“多跳的方式”將多點數(shù)據(jù)進行匯總，然后通過GPRS網(wǎng)絡以短消息方式發(fā)送到遠端的接收端。另外，通過使用GPRS模塊的TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡傳輸功能，應力數(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 硬件平臺的設計
1.1 整體平臺
本文系統(tǒng)主要通過單片機分別控制無線發(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。硬件結構示意圖如圖2所示。

1.1.1 網(wǎng)絡節(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。在活動模式下，MSP430的功耗可以達到280 ?滋A。其次，12位帶采樣保持的A/D轉換模塊可以為傳感器數(shù)據(jù)采集提供模數(shù)轉換。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)絡領域。CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要在外圍擴充天線及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)的應用。
JTAG接口主要用于下載、調試程序，USB接口可實現(xiàn)與計算機直接通信。
1.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊
傳感器：本系統(tǒng)選用了傳統(tǒng)貼式應變片，通過設計放大、保持電路，將形變量轉換成電信號。應力數(shù)據(jù)采集部分將應變片黏貼于橋梁模型上,輸出電壓為：

式中ε為應變片電橋激勵電壓, ε為應變片形變量，A為信號調理電路放大倍數(shù)。在本文所用橋梁模型中，輸出電壓信號范圍為1 V～2 V。
傳感器電路圖如圖3所示。

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用異步通信模式向GPRS模塊寫入AT命令，以達到控制其發(fā)送短信的目的。具體硬件連接圖如圖4所示。

傳感器與單片機的連接通過將傳感器的輸出端連接到單片機上相應的模數(shù)轉換通道接口。
2 軟件設計
系統(tǒng)主要通過TI公司提供的編譯器IAR Embedded Workbench 430 4.21進行編程，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
本模塊主要負責控制傳感器定時采集數(shù)據(jù)，并通過模數(shù)轉換將采集到的電信號轉換為數(shù)據(jù)，最后通過設置CC2420將數(shù)據(jù)通過2.4 GHz信道發(fā)送出去。
程序首先對單片機的各個需要模塊進行初始化，再通過SPI串口對CC2420進行配置寄存器以及設置源地址、目的地址等。初始化完成后，單片機進入低功耗模式等待定時中斷到來。通過軟件設置，可以設定采集數(shù)據(jù)周期。當采集數(shù)據(jù)數(shù)目達到預定值后，將按預先規(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進入低功耗模式等待接收數(shù)據(jù)。在配置CC2420時，已預先設置好觸發(fā)FIFOP中斷的條件，當接收數(shù)據(jù)長度超出預設值時，F(xiàn)IFOP電平變化，觸發(fā)單片機中斷。CC2420首先進行地址確認，若數(shù)據(jù)中的目的地址與本節(jié)點地址吻合，則地址確認成功，硬件自動發(fā)送確認幀。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，在應力數(shù)據(jù)值超過預定門限值時，調用函數(shù)將應力數(shù)據(jù)通過短信發(fā)送到監(jiān)測人員手機。

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，用本文設計的系統(tǒng)進行模擬驗證，可實現(xiàn)應力數(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)生不同強度的形變量，電壓信號可從2 V～1 V變化。相應經(jīng)過模數(shù)轉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之間進行對應的線性變化。通過軟件設置大約20 s的采樣間隔，并設置固定門限值后，在人力施加外力導致鋼板形變大約15 s后能接收到短信報警信號，并能顯示相應的應力值。
本文介紹的應力監(jiān)測系統(tǒng)將高性能、低功耗的MSP430單片機與射頻模塊和GPRS網(wǎng)絡結合起來，通過利用2.4 GHz頻段的便捷通信使遠程實時監(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剑瑪[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，功耗極低，便于長期使用。
參考文獻
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[3] 沈建華，楊艷琴，翟曉曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.
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