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(cè)

隨著我國(guó)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(lái)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(cè)應(yīng)力方法多為人工定時(shí)持應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，這就難免導(dǎo)致數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的不及時(shí),并產(chǎn)生人為誤差。

本系統(tǒng)主要利用了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)便捷、成本低和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合GPRS（General Packet Radio Service）網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖土建筑應(yīng)力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(cè)的資源消耗；同時(shí)，GPRS網(wǎng)絡(luò)和無(wú)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(cè)方式變得簡(jiǎn)單易行，并更具可操作性[1]。

系統(tǒng)主要利用了無(wú)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(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)將從巖土建筑采集得到的應(yīng)力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)測(cè)人員手中，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

1 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1.1 整體平臺(tái)

本文系統(tǒng)主要通過單片機(jī)分別控制無(wú)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(diǎn)，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(diǎn)

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(dòng)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(duì)射頻模塊進(jìn)行控制的同時(shí)，還可以對(duì)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)操作[3]。

無(wú)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(wú)線收發(fā)芯片，性能優(yōu)良，功耗低，體積小，非常適用于無(wú)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(duì)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)與計(jì)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(jì)放大、保持電路，將形變量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。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(lì)電壓, ε為應(yīng)變片形變量，A為信號(hào)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(hào)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(gè)引腳說(shuō)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(gè)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(chǔ)存器。在訪問過程中，接收來(lái)自處理器的時(shí)鐘信號(hào)和片選信號(hào)，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(jì)中，MSP430處于主模式，CC2420處于從模式。