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基于ZigBee和GPRS的支架結構安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

文檔作者：王澤林1 褚彬潛1 干嘯洪2 李子明3 劉增華3 翟弢1 文檔來源： 1.浙江省交通運輸廳2.慈溪市公路建設工程指揮部 3.北京工業(yè)大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月21日
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現(xiàn)代電子技術
Modern Electronics Technique 2013年12月15日
第36卷第24期Dec. 2013
Vol. 36 No. 24
支架法作為路橋施工中常見的一種方法，由于其施
工技術成熟和方便、造價低廉、使用壽命長，因此獲得了
廣泛的使用[1]。支架結構作為路橋結構施工的載體，不
僅承受著鋼筋混凝土及各種建筑材料和建筑設備等載
荷，同時還是施工人員垂直交通的通道和作業(yè)平臺[2]。
目前我國對支架結構的施工監(jiān)理、在役監(jiān)測手段極
為有限，通常采用在支架結構構件組裝前對其進行離線
的破壞性力學性能測試，以及搭建完成后監(jiān)理人員的現(xiàn)
場巡查檢測，檢測工具多為經(jīng)緯儀、卷尺、角尺等傳統(tǒng)量
測工具。這些力學破壞性檢測方法屬有損檢測，現(xiàn)場巡
查的檢測方法更是加大了工程監(jiān)理人員的勞動強度，并
且只能抽樣檢測，完全不能滿足工程實際快速、實時、全
面的檢測需要。因此，迫切需要發(fā)展一種無線安全監(jiān)測
技術，從而實現(xiàn)對支架結構的全面健康監(jiān)測。
常見的無線通信技術從通信距離上可劃分為遠距
離無線通信（如GPRS，GSM，LTE，CDMA等）和近距離無
線通信（如UWB，WiFi，ZigBee，IrDA，Bluetooth 等）。其
中，GPRS技術由于具有永久在線、遠距離傳輸、數(shù)據(jù)傳
輸速率高、按流量計費等特點而廣泛應用于移動商務、
移動互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等領域。ZigBee技術由于具有低
基于ZigBee 和GPRS 的支架結構安全監(jiān)測系統(tǒng)設計
王澤林1，褚彬潛1，干嘯洪2，李子明3，劉增華3，翟弢1
（1.浙江省交通運輸廳工程質量監(jiān)督局，浙江杭州311215；
2.慈溪市公路建設工程指揮部，浙江慈溪315300；3.北京工業(yè)大學機電學院，北京100124）
摘要：作為路橋施工中常見的一種結構，路橋支架結構存在施工監(jiān)理和在役監(jiān)測難，以及檢測手段有限等問題。在
此提出了一種基于Zigbee和GPRS無線通信技術的支架結構安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由ZigBee技術組成無線傳感器網(wǎng)絡對支
架結構立桿及剪刀撐部位進行應變和傾角的數(shù)據(jù)采集，智能無線傳感器將所采集數(shù)據(jù)直接或通過路由設備無線發(fā)送至協(xié)調
器。GPRS網(wǎng)絡再將ZigBee協(xié)調器匯聚數(shù)據(jù)進行無線遠傳至遠程監(jiān)控中心監(jiān)測軟件。上位機監(jiān)測軟件采用LabVIEW編寫，
實時顯示監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并能夠實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、查詢及報警。實驗測試結果表明該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對支架結構的在線、快
速、準確測量，從而滿足對支架結構進行長期實時監(jiān)測的要求。
關鍵詞：支架結構；數(shù)據(jù)采集；ZigBee協(xié)議；無線傳感器網(wǎng)絡；GPRS
中圖分類號：TN919?34；TM933.2 文獻標識碼：A 文章編號：1004?373X（2013）24?0090?04
Design of supporting structure monitoring system based on ZigBee and GPRS
WANG Ze?lin1，CHU Bin?qian1，GAN Xiao?hong2，LI Zi?ming3，LIU Zeng?hua3，ZHAI Tao1
（1. Engineering Quality Supervision Bureau，transportation Department of Zhejiang Province，Hangzhou 311215，China；
2. Cixi City Expressway Construction Headquarter，Cixi 315300，China；
3. College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）
Abstract：As one of common structure forms of road and bridge construction，there are some difficulties of construction su?
pervision and in?service monitoring and a limitation of inspection methods in the project construction of supporting structure. In
this paper，a supporting structure safety monitoring system based on ZigBee and GPRS wireless communication technique is pro?
posed. In the system，strain and angle about upright tube and diagonal bridging are collected by ZigBee wireless sensor net?
work，then the collected data is transmitted straightly or through router to coordinator，and the aggregated data is wirelessly
transmitted to remote monitoring center through GPRS subsequently. LabVIEW is adopted for compiling the PC monitoring soft?
ware，which is used for real?time data display of the monitored field，data storage，query and alarm. The test results show that
the system can realize the online，rapid and accurate measurement for the supporting structure，so as to meet the requirements
of long?term real?time monitoring to the supporting structure.
Keywords：supporting structure；data acquisition；ZigBee protocol；wireless sensor network；GPRS
收稿日期：2013?09?17
基金項目：國家自然科學基金資助項目(11272021)；浙江
省交通運輸廳科技計劃項目(2012H02)
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第24期王澤林，等：基于ZigBee和GPRS的支架結構安全監(jiān)測系統(tǒng)設計
成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率以及較遠的傳輸距
離等特點，廣泛應用于智能家居、無線抄表、工業(yè)控制、
手機終端、樓宇自動化等領域，在無線通信領域具有顯
而易見的優(yōu)勢和潛在的應用價值[3]。在充分利用GPRS
遠距離通信技術以及ZigBee近距離無線組網(wǎng)技術的基
礎上，將二者的優(yōu)勢相互結合，開發(fā)了一種基于ZigBee
和GPRS的支架結構安全監(jiān)測系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體架構
整個系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡、GPRS網(wǎng)絡和In?
ternet組成[4]。其中，無線傳感器網(wǎng)絡采用ZigBee技術在
支架施工現(xiàn)場進行無線組網(wǎng)，不同類型的設備分散布置
于支架結構的被測位置處。其中，智能無線傳感器設備
負責采集支架自身監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)
通過無線射頻模塊發(fā)送，路由設備接收采集到的數(shù)據(jù)并
將其轉發(fā)至ZigBee協(xié)調器設備，協(xié)調器設備再將路由設
備轉發(fā)的數(shù)據(jù)通過RS 232 串口傳輸至數(shù)據(jù)傳輸單元
（Data Transmit Unit，GPRS DTU），GPRS 網(wǎng)絡與Internet
網(wǎng)相連將數(shù)據(jù)送至遠程監(jiān)控中心（即指揮中心）PC機網(wǎng)
絡端口，并在LabVIEW人機交互軟件界面上顯示，最終
實現(xiàn)支架結構無線安全監(jiān)測。圖1 為本系統(tǒng)整體框
架圖。
圖1 系統(tǒng)整體框架圖
2 系統(tǒng)硬件電路設計
2.1 智能無線傳感器
智能無線傳感器分散布置在支架結構的關鍵部位，
根據(jù)對支架結構倒塌原因的分析研究，總結出所需的被
測物理量。常見的倒塌原因有[5]：
（1）支架承載力不滿足要求，局部立桿被壓彎失穩(wěn)
導致整體坍塌；
（2）立桿垂直高度誤差偏大，部分扣件未擰緊，水平
桿連接未采用搭接方式；
（3）實際施工中產(chǎn)生局部地基不均勻下沉（整體均
勻下沉另當別論），下沉的立桿所應該分擔的荷載轉嫁
到未下沉立桿上，造成未下沉立桿超載失穩(wěn)；
（4）不均勻加載；
（5）混凝土澆筑過程中出現(xiàn)異常振動，未引起重視。
因此，通過測量支架結構的應力、位移、應變、振動、
傾角等物理量，能夠實現(xiàn)支架結構整體的測量。將上述
物理量之間相互轉換，最終可歸納為測量支架結構的應
變和傾角。通過測量這兩個物理量，即可達到對支架結
構進行全面監(jiān)測的效果。智能無線傳感器由數(shù)據(jù)采集
模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線射頻模塊和電源管理模塊
4 部分組成[6]。圖2為智能無線傳感器硬件框架圖。數(shù)
據(jù)采集模塊采集支架監(jiān)測區(qū)域關鍵部位的應變和傾角
信息。應變片主要負責采集支架立桿結構的應變值，通
過惠斯通電橋將其轉化為微弱變化的電壓量。傾角傳
感器則負責監(jiān)測支架結構傾斜角度的變化，并通過角度
變化的相對值來判斷支架整體結構的安全穩(wěn)定性。
圖2 智能無線傳感器硬件框架圖
數(shù)據(jù)處理模塊主要功能是將微弱的電信號進行放
大、濾波，再將處理后的模擬電信號經(jīng)微控制器內(nèi)部的
ADC 轉換為數(shù)字信號。在此選擇美國AD 公司的
AD626實現(xiàn)。AD626是由精密平衡衰減器、低漂移前置
放大器和輸出緩沖放大器組成的差分放大器。既可在
單電源2.4~10 V 下工作，又可在雙電源1.2~±6 V 下工
作。用于精確放大小的差分信號并且不使用其他有源
元件對大共模電壓濾波，同時，該芯片具有低成本、低功
耗、低供電等特點[7]。AD626具有8個引腳。其中1腳、
8 腳用于差模電壓輸入，5腳用于放大電壓的輸出，2腳
接地，3腳、6腳分別為電源供電的正負接線端，4腳接一
電容可實現(xiàn)低通濾波，濾波器截止頻率fw 計算公式如
式（1）所示：
fw = 1
2πCf × 1 × 105 （1）
式中Cf為4腳外接電容容值。
7 腳通過改正外接電阻阻值來調整電路放大倍
數(shù)。AD626芯片引腳連接圖如圖3所示。
無線射頻模塊選用美國TI 公司推出的CC2530 芯
片。它是一款完全兼容8051 內(nèi)核，同時支持IEEE
802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機，是一個真正的系統(tǒng)芯
片（System on a Chip，SoC）CMOS解決方案[8]。芯片內(nèi)部
CPU對ADC轉換數(shù)據(jù)進行分析處理后將數(shù)據(jù)結果以數(shù)
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現(xiàn)代電子技術2013年第36卷
據(jù)包形式通過無線射頻進行發(fā)送。
圖3 AD626引腳連接圖
電源管理模塊是整個設備能夠正常運行的保障。
選用電池供電能夠滿足無線傳感器小體積、低功耗、低
成本的要求。為了保證采集數(shù)據(jù)的精度及整個智能無
線傳感器模塊的工作性能，采用REG1117?3.3穩(wěn)壓芯片
搭建電源穩(wěn)壓電路，以減少電源波動對整個硬件電路的
影響。
2.2 路由設備
路由設備主要負責協(xié)助與其連接的智能無線傳感
器和協(xié)調器設備之間的通信，并通過多跳路由的方式進
行中繼傳輸，擴大通信距離。路由設備也是分散的安裝
在支架結構上，安裝時遵照無線連接覆蓋智能無線傳感
器設備數(shù)量最多的原則。路由設備只負責傳輸數(shù)據(jù)，因
此與智能無線傳感器相比，不具備數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)
處理模塊。
2.3 協(xié)調器設備
協(xié)調器設備負責整個網(wǎng)絡的建立和維護，并管理路
由設備或智能無線傳感器的加入和刪除[8]。協(xié)調器設備
最好安裝在監(jiān)測現(xiàn)場中心位置，這樣能夠保證整個Zig?
Bee網(wǎng)絡拓撲層數(shù)盡量少，減少設備資源的浪費。當整
個網(wǎng)絡的啟動和配置功能完成之后，協(xié)調器設備便退化
為一個普通的路由設備，此時，可以接收路由設備或智
能無線傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并將這些數(shù)據(jù)包通過
RS 232 串口轉發(fā)到GPRS DTU。協(xié)調器設備硬件框架
圖如圖4所示。
圖4 協(xié)調器設備硬件框架圖
協(xié)調器設備是整個無線網(wǎng)絡運行的核心，在其運行
和維護中起著關鍵作用[9]。為了保證整個網(wǎng)絡的正常運
行，協(xié)調器設備采用外部供電的方式。
2.4 GPRS通信模塊
GPRS模塊將無線傳感器網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡相連，
實現(xiàn)了數(shù)據(jù)從監(jiān)測現(xiàn)場到遠程監(jiān)控中心的無線傳輸。
模塊選用廈門某通信公司的CM3160P，該設備具備TCP
透明數(shù)據(jù)傳輸和UDP透明數(shù)據(jù)傳輸，在線檢測、在線維
持、掉線自動重撥等功能，通過使用相應配置軟件，可以
實現(xiàn)GPRS DTU的本地串口配置，為數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收
做準備。
3 系統(tǒng)軟件程序設計
3.1 下位機程序設計
下位機程序設計使用IAR Embedded Workbench集
成開發(fā)環(huán)境，在TI 公司提供的ZStack?CC2530?2.2.2?
1.3.0協(xié)議棧的基礎上進行該系統(tǒng)應用程序的開發(fā)[10]。
對于與GPRS DTU 相連接的協(xié)調器設備。系統(tǒng)上
電后，首先進行硬件和協(xié)議棧的初始化，然后進行能量
檢測，選擇出合適的工作參數(shù)，最后允許設備連接，啟動
網(wǎng)絡[11]。之后，協(xié)調器設備處于一直監(jiān)測空中無線信號
的狀態(tài)，當檢測到數(shù)據(jù)請求時，會接收并轉發(fā)數(shù)據(jù)至串
口端。當協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，將處于空閑狀態(tài)，此
時若有新的設備加入網(wǎng)絡，則協(xié)調器將與其建立連接并
為其分配網(wǎng)絡地址。
路由設備成功加入網(wǎng)絡后，一直處于監(jiān)測空中無線
信號的狀態(tài)。當檢測到有來自其他設備的數(shù)據(jù)請求命
令時，則對該數(shù)據(jù)包進行路由轉發(fā)。智能無線傳感器設
備成功加入網(wǎng)絡后，則根據(jù)程序內(nèi)部定時器已經(jīng)設定好
的時間間隔周期性地對應變值和傾角值進行采集與發(fā)
送。圖5為協(xié)調器設備、路由設備和只能無線傳感器設
備等三種設備節(jié)點的程序流程圖。
3.2 上位機軟件設計
本系統(tǒng)基于美國NI 公司的LabVIEW 軟件開發(fā)平
臺，設計了支架結構無線安全監(jiān)控系統(tǒng)上位機軟件，
圖6為系統(tǒng)上位機軟件設計流程。
首先，ZigBee 網(wǎng)絡中的協(xié)調器節(jié)點通過RS 232 串
口和GPRS 網(wǎng)絡將采集到的數(shù)據(jù)無線傳輸至遠程監(jiān)控
中心PC機上，上位機軟件偵聽網(wǎng)絡端口號信息，根據(jù)接
收到的數(shù)據(jù)包標識，將采集到的支架結構各個位置應變
和傾角信息實時顯示到人機交互界面的對應位置，同時
保存至Microsoft Office Access 數(shù)據(jù)庫。當用戶需要對
應變值和傾角值進行數(shù)據(jù)分析時，可根據(jù)采集時間以及
設備號查詢歷史數(shù)據(jù)，并將查詢結果以曲線形式進行顯
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第24期王澤林，等：基于ZigBee和GPRS的支架結構安全監(jiān)測系統(tǒng)設計
示。除此之外，軟件采用分級閾值報警機制對數(shù)據(jù)進行
分類，當數(shù)據(jù)超過規(guī)定限值時，彈出報警提示對話框，并
分別對應變和傾角使用狀態(tài)指示燈對不同等級的報警
進行顯示，以便用戶及時采取相應措施，避免事故的
發(fā)生。
圖5 設備節(jié)點軟件流程圖
圖6 系統(tǒng)上位機軟件設計流程
4 系統(tǒng)測試
所搭建的支架結構安全監(jiān)測實驗系統(tǒng)由協(xié)調器設
備、路由設備、兩個智能無線傳感器設備、GPRS DTU、
SIM卡及PC機監(jiān)控軟件組成。智能無線傳感器分別安
裝在支架結構的不同立桿上，應變片連接成半橋形式與
智能無線傳感器相連，如圖7所示。
圖7 智能無線傳感器安裝圖
將SIM 卡置于GPRS DTU 中并開通GPRS 上網(wǎng)功
能，協(xié)調器設備通過RS 232 串口與GPRS DTU 連接。
開始測試時，上位機軟件設置好網(wǎng)絡端口號，并與
GPRS DTU建立無線連接。然后，按順序依次啟動協(xié)調
器設備、路由設備、智能無線傳感器。向支架立桿施加
壓力，觀察上位機監(jiān)測軟件得到的應變和傾角值。軟件
測試輸出結果如圖8所示。
圖8 LabVIEW軟件輸出結果
根據(jù)軟件測試結果，可知該系統(tǒng)在初始位置具有初
應變及傾角值，這是由于支架在搭建時，支架本身的立
桿、橫桿、膠木板等會在所測位置形成由重力引起的初
應力。而圖7中，智能無線傳感器安裝時近似垂直，因
此測試結果也顯示支架立桿處角度為89°。
隨著時間的推移，通過向立桿上方逐漸增加重物，
可以看出應變和傾角曲線同時出現(xiàn)了較大的變化。應
變曲線變化較明顯，這是因為應變電橋具有高靈敏度，
同時微弱信號又被放大，因此能夠很容易被檢測出。而
傾角則由于立桿上方被壓了重物，而造成立桿有小范圍
的傾斜，直到最后不再施加壓力，應變值和傾角值才趨
于穩(wěn)定。
通過上述分析，該系統(tǒng)能夠通過無線通信方式實現(xiàn)
對支架結構監(jiān)測區(qū)域應變和傾角的在線、快速、準確測
（下轉第98頁）
93
現(xiàn)代電子技術2013年第36卷
果數(shù)據(jù)發(fā)送/接收正確，返回OK；否則，返回error。
4 結語
本文介紹的工具適用于UART接口和SPI接口的功
能、性能和兼容性測試，可實現(xiàn)測試的自動化。
采用該測試工具，一方面提高了測試效率，大大節(jié)
約了人力資源，時間和人力成本節(jié)約了50%以上；另一
方面可以保證測試用例100%的覆蓋。
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作者簡介：李欣偉女，1985年出生，山東菏澤人，碩士研究生，中級工程師。主要研究方向為自動化測試、嵌入式測試。
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（上接第93頁）
量，從而滿足對支架結構進行長期實時監(jiān)測的要求。
5 結語
本文建立基于ZigBee和GPRS無線通信技術支架結
構安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過分布式無線傳感器網(wǎng)絡采
集支架結構的應變和傾角等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)PC機監(jiān)測軟件實
時采集數(shù)據(jù)與閾值報警的功能。該系統(tǒng)組網(wǎng)靈活、簡單，
可靠性強、實時性強。上位機監(jiān)測軟件功能模塊獨立有
序運行，操作界面友好。相比傳統(tǒng)有線監(jiān)測該系統(tǒng)更智
能、方便，使用戶足不出戶就可隨時掌握現(xiàn)場狀況。
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決方案[J].現(xiàn)代計算機，2012，29（3）：33?38.
作者簡介：王澤林男，1973年出生，四川南充人，工學碩士，高級工程師。主要從事公路橋梁方面的研究。
褚彬潛男，1973年出生，江西宜春人，工程師。主要從事公路橋梁方面的研究。
劉增華男，1973年出生，博士，副教授。研究方向為現(xiàn)代測控技術與方法。
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