基于ZlgBee无线传感器网络的建筑结构健康监测系统设计与实现

朱俊明，郝万君，李泽，季海潮，张晨

（苏州科技学院电子与信息工程学院，江苏苏州215009）



基于ZlgBee无线传感器网络的建筑结构健康监测系统设计与实现

朱俊明，郝万君，李泽，季海潮，张晨

（苏州科技学院电子与信息工程学院，江苏苏州215009）

摘要：针对传统建筑结构健康监测系统的通过导线连接到数据采集设备而存在的性价比低、远距离数据传输能力较弱、灵活性差等问题，本系统通过箔式金属应变片电桥测量电路性能试验，利用ZjgBee无线传感网络、微传感器、微信号处理等技术，进行节点的软硬件设计，并结合GPRS技术实现远程传输。实验数据表明，本系统能较好地满足建筑墙体健康在线监测的要求。

关键词：建筑结构健康；实时状态监测；网关；ZjgBee

随着建筑结构使用时间的增长以及地震等自然灾害的作用，致使许多建筑的结构在抗震性能方面迅速下降或逐步进入老化阶段［1］，如何对在役或旧式建筑物进行结构健康状态进行实时监测和诊断，以便对其安全性和剩余寿命做出合理的评估，并及时采取相应的修复、加固或抗震控制措施，具有十分重大的现实意义。

常规的建筑结构健康监测系统都是通过导线连接到数据采集设备，即各个传感器采集的数据均通过导线传输到中央处理器进行集中处理和诊断。这种方法对实验室里的模型结构或简单结构物监测是有效的，但对于大型建筑物或者旧式建筑群，有线监测方案由于其繁杂的布线问题一直没有被工程人员广泛采用［2］。

针对上述问题，本系统采用ZjgBee无线传感器网络构建建筑结构健康的监测系统，解决由于布线问题带来的不足。ZjgBee是一种标准，该标准定义了短距离、低数据传输速率无线通信所需要的一系列通信协议。ZjgBee无线传感器网络系统是建筑结构健康监测领域中一种新兴的信息获取和处理技术，系统中每个传感器节点都具有无线通信功能，各个测点的传感器节点对各处的参数进行测量，并组成一个无线网络，将测量数据通过本网络以无线方式传送到控制中心与移动设备［3］。系统具有安装方便，维护成本低和部署灵活等特点，将无线传感器网络技术引入结构健康监测将是非常好的选择。

1　系统结构

基于文献［4］的基础上，设计建筑结构健康监测系统，其主要包括3个部分：无线传感器网络（WSN）、GPRS网络与远程监控中心。系统的拓扑结构如图1所示。

将大量ZjgBee数据采集节点部署在所监测区域中，通过箔式金属应变片传感器采集墙体形变参数与墙体承受压力参数，并将采集到的数据经模拟/数字转换器进行数据处理与储存。每个传感器节点分配到不同簇，簇中的节点可以相互通信。每个传感器节点的覆盖范围必须包含另外两个节点，以防传输线路中有节点出现故障时数据的传输中断。数据采集节点将收集到的数据打包传送给簇首节点，簇首节点接收、存储分簇内采集节点发送的采样数据包，对其进行分析、汇总、格式转换等处理后，通过网关传送给远程控制中心；同时，接收远程控制中心发送的指令数据包，并根据指令内容调整分簇子网的运行状态、参数。

2　系统硬件设计

在ZjgBee无线传感器网络中，每个传感器节点都包含数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块与电源构成。数据采集模块是节点对监测区域周边环境进行感知与监测的途径。处理器对采集的数据进行滤波、放大，发送给无线通信模块。无线通信模块确保数据正常传输，并且要节省能量。因无线信号收发数据时消耗的能量远远大于静止时，所以本系统初始化为任务空闲，直到有数据传递，产生中断响应，系统切换到执行任务状态，执行任务完成后再次回到任务空闲状态，等待下一个中断信号响应。电源为节点的运行提供能量，保证节点正常运行。传感器节点结构图如图2所示。

图2　传感器节点结构图

2.1数据采集模块

对箔式金属应变片进行性能实验，采用3种电桥电路。通过加法码和减法码的方式测试在压力变大和压力减小情况下的电压与压力的关系。3种不同电桥测量电路如图3所示。

图3　电桥测量电路图

最后实验结果图如图4所示。

图4　电桥测量电路数据图

由仿真结果图可以看出：全桥电路的应变片发生形变和恢复形变的能力几乎没有差别，而且电压和压力的线性化程度比较高，我们最终采用全桥电路作为测量墙体形变压力的电路。将采集到的电流模拟信号通过A/D转换器转换得到数字信号，并传给ZjgBee采集节点。A/D转换器选用TI公司ADS774JU芯片，125K的SRAM，精度为12位，并行28个引脚。

2.2数据处理模块

数据处理模块是由处理器和存储器组成的，处理器的性能决定整个节点的性能。处理器采用Ramtron公司的VRS51L2070的处理器，它拥有速度高达40MIPS的单周期8051内核与有众多的数字外设，并且，它采用与8051兼容的指令系统，方便地实现程序移植。无线通信模块进行通讯，Ramtron公司的VRS51L2070的处理器可以与在相同的内核与相互兼容的指令系统的基础上采用双向两线串行数据接口进行通讯，可在保持数据传输通畅情况下保证信息的实时性。

2.3无线网络通讯模块

无线传感器网络通讯模块设计以TI公司CC2530为核心，使用增强型8051MCU作为处理器，主要包括CC2530单片机、电源电路、I/O口接口电路与射频电路等模块。CC2530系统芯片功耗低，能极大满足无线传感器所需要的低功耗要求，支持2.4 GHz IEEE.802.15.4标准，同时，其有256 kB字节的闪存空间与8 kB的RAM空间，有串口及LED显示灯，数据通信是通过一个完全集成的高性能的RF收发器，其具有接收器灵敏度高和抗干扰性强的特点。CC2530系统芯片与RF收发器的接线图如图5所示。

2.4网关节点设计

网关节点的任务是接收数据并发送数据，网关节点必须在处理数据、储存数据、发送数据等方面的能力都比较强。它通过CC2530芯片与无线传感器网络相连，接收传感器节点测量的数据，然后通过GPRS通信模块与Internet外部网络相连，GPRS与Internet网络协议的相融合，最终实现数据的远程监测与通信传输。GPRS的短信功能配合SIM，实现数据与手机实时交互的功能，可以及时了解情况，做好防范措施。网关节点有CC2530芯片，处理器（含有数据储存），GPRS模块以及电源四部分组成。其中GPRS通信模块采用MC55模块，因为其尺寸较小，而且支持语音通信和短消息通信功能。网关节点模块结构图如图6所示。

图5　射频电路原理图

图6　网关节点模块结构图

3　系统软件设计

3.1节点程序设计与工作过程流程图

节点程序底层为实时操作系统和存储卡支持库，中间层为以太网和WjFj网络协议栈、Zjgbee网络协议栈、文件系统，高层为实现信号采样、数据分析、网络通信等应用功能的任务函数。

传感器节点程序设计是基于文献［5］的基础上设计的，首先是节点的初始化，初始化包括：振荡器初始化，I/O端口初始化，串口初始化以及定时器初始化。然后节点自动向模块发出加入无线网络请求，如没有加入继续加入，加入节点网络后获得分配地址。传感器节点在没有任务时，处于空闲状态，减少节点能耗。当需要测量数据，节点退出空闲状态被唤醒测量数据，数据测量结束后，传感器继续休眠。采集后数据通过简单处理和储存，在设定时间里调用发送函数，将数据传输出去。数据发送成功，节点进入睡眠模式，等待下次数据发送。传感器节点工作流程如图7所示。

3.2无线网络通讯模块程序设计

CC2530数据帧通讯格式如图8所示。其网络通信帧由帧头和帧净载荷两部分组成。帧头一般包括帧控制和寻址信息；帧净载荷长度可变，它包含帧类型所指定的信息。帧控制域长度为一个字节，其包含的信息有帧类型域、地址域和其他控制标志域［6］。根据应用的不同定义了3种类型的帧：数据帧、命令帧和应答帧。

CC2530发送和接收处理的程序设计流程如图8所示。

CC2530的发送数据时，在CC2530完成初始化工作之后，检查要发送的数据格式帧是否正确，若正确则查询是否有空闲信道，反之则停止发送。若数据帧格式正确且有空闲信道时清空发送缓冲区，接着将需要发送的数据送入TXFIFO缓冲区，最后启动射频将要发送的数据发送出去［7］。

CC2530在接收到数据包时，帧首定界符（SFD）首先由低电平变为高电平从而触发中断请求中断，在中断服务程序中调用接收数据处理的程序。接着程序判断接收到的数据是否完整，若数据完整则做接收数据的准备反之结束接收数据。在完成接收数据步骤之后，CC2530判断该数据是否是发往本节点的数据，若是则对接收的数据进行处理反之则停止接收数据。

图7　网络节点工作流程图

图8　CC2530发送/接收数据程序流程图

4　数据分析

为监测系统性能，将设计的建筑结构健康自动监测系统进行实地试验，选取其中的5个传感器节点，1个网关节点与笔记本电脑作为远程控制中心。远程控制终端显示出各个传感器采集的墙体形变数据，对箔式金属应变片的压力参数与形变参数比例关系进行分析，计算出传感器监测区域所受压力的大小，最终通过远程控制终端显示出来［8］。具体的试验数据如表1所示。

表1　试验数据

5　结论

本文针对传统房屋健康监测中都是通过导线将数据与采集设备连接的局限性，利用ZjgBee［9］无线传感网络，微传感器，微信号处理等技术，进行节点的软硬件设计，通过GPRS技术实现远程传输。本系统具有安装方便，维护成本低，部署灵活和工作时间长等特点，将无线传感器网络技术引入结构健康监测，实现实时在线功能，为维护提供数据参考。

参考文献：

［1］罗辉，宋文，宫鹤.既有老旧砌体加固研究现状［J］.建筑与预算，2014（2）：109-110.

［2］董苏媛.高层及超高层建筑结构分析与设计［J］.中华民居，2014 （2）：55-58.

［3］何浩祥，闫维明，马华，等.结构健康监测系统设计标准化评述与展望［J］.地震工程与工程振动，2008，28（4）：154-160.

［4］陈绮，韩冰，秦伟俊.基于Zjgbee/GPRS物联网网关系统的设计与实现［J］.计算机研究与发展，2011（48）：367-372.

［5］章伟聪，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZjgBee协议栈设计无线网络传感器节点［J］.计算机系统应用，2011，20（7）：184-187.

［6］王小强，欧阳骏，黄宁淋.ZjgBee无线传感器网络设计与实现［M］.北京：化学工业出版社，2012.

［7］陈继海，魏晓慧.基于ZjgBee无线网络的气体监测报警系统设计［J］.电子科技，2012，10：29-31.

［8］张黎军，陈昌华，滕雁.HPM辐射场测量系统功率分配设计［J］.现代应用物理，2015，4：269-274.

［9］张强武，唐露新.基于ZjgBee的变电站智能门禁系统设计［J］.电子设计工程，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

中图分类号：TN925

文献标识码：A

文章编号：1674-6236（2016）07-0083-04

收稿日期：2015-04-26稿件编号：201504278

作者简介：朱俊明（1993—），男，江苏盐城人。研究方向：无线传感器网络、电气自动化。