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(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(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Networks)技術(shù)的結(jié)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(yīng)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(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)的增加而擴大[2],。網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(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。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(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(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(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(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(shè)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(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(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(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。
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,，功耗極低,，便于長期使用。