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(wèn)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(xiàn)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(guò)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(xiàn)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(xiàn)收發(fā)芯片,、低功耗單片機(jī)以及GPRS模塊，通過(guò)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(guò)寫(xiě)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(guò)“多跳的方式”將多點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,，然后通過(guò)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(guò)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(xiàn)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(guò)單片機(jī)分別控制無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊和GPRS模塊,，通過(guò)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(guò)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(mǎn)足通過(guò)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(xiàn)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(xiàn)收發(fā)芯片,，性能優(yōu)良,，功耗低，體積小,，非常適用于無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(guò)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,。
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(guò)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(guò)SPI接口訪(fǎng)問(wèn)CC2420內(nèi)部寄存器和儲(chǔ)存器,。在訪(fǎng)問(wèn)過(guò)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,。
MSP430與SIM300的硬件連接通過(guò)RX,、TX和GND三線(xiàn)連接。處理器用USART0串行通信口通過(guò)此三線(xiàn)運(yùn)用異步通信模式向GPRS模塊寫(xiě)入AT命令,，以達(dá)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(jī)的連接通過(guò)將傳感器的輸出端連接到單片機(jī)上相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道接口,。
2 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要通過(guò)TI公司提供的編譯器IAR Embedded Workbench 430 4.21進(jìn)行編程,，通過(guò)對(duì)SPI口、ADC口,、定時(shí)器以及CC2420的配置,，完成一系列數(shù)據(jù)收發(fā)。本文將以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(fù)責(zé)控制傳感器定時(shí)采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù),，最后通過(guò)設(shè)置CC2420將數(shù)據(jù)通過(guò)2.4 GHz信道發(fā)送出去,。
程序首先對(duì)單片機(jī)的各個(gè)需要模塊進(jìn)行初始化，再通過(guò)SPI串口對(duì)CC2420進(jìn)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(jī)進(jìn)入低功耗模式等待定時(shí)中斷到來(lái),。通過(guò)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(dá)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(xiě)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(huì)接收到確認(rèn)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(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)單片機(jī)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(guò)程與數(shù)據(jù)采集模塊相同，初始化完成后單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式等待接收數(shù)據(jù),。在配置CC2420時(shí),，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(zhǎng)度超出預(yù)設(shè)值時(shí),，F(xiàn)IFOP電平變化,，觸發(fā)單片機(jī)中斷。CC2420首先進(jìn)行地址確認(rèn),，若數(shù)據(jù)中的目的地址與本節(jié)點(diǎn)地址吻合,，則地址確認(rèn)成功，硬件自動(dòng)發(fā)送確認(rèn)幀,。發(fā)送后,，按照協(xié)議規(guī)定，依次讀出幀長(zhǎng)度,、控制幀以及用戶(hù)數(shù)據(jù)等,。通過(guò)對(duì)收到數(shù)據(jù)的分析，在應(yīng)力數(shù)據(jù)值超過(guò)預(yù)定門(mén)限值時(shí),，調(diào)用函數(shù)將應(yīng)力數(shù)據(jù)通過(guò)短信發(fā)送到監(jiān)測(cè)人員手機(jī),。
另外，傳感器采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的整型數(shù)據(jù)需要通過(guò)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(guò)串口寫(xiě)入GPRS模塊便可達(dá)到發(fā)送短信的目的。
3 模擬驗(yàn)證
通過(guò)鋼條模擬橋梁狀況,，用本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬驗(yàn)證,，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。在9 V干電池供電的情況下,，通過(guò)施加給鋼板不同大小的垂直作用力,，產(chǎn)生不同強(qiáng)度的形變量，電壓信號(hào)可從2 V～1 V變化,。相應(yīng)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換和線(xiàn)性處理后的數(shù)字信號(hào)，指示的數(shù)據(jù)可從0 N～80 N之間進(jìn)行對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性變化,。通過(guò)軟件設(shè)置大約20 s的采樣間隔,，并設(shè)置固定門(mén)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(bào)警信號(hào),，并能顯示相應(yīng)的應(yīng)力值,。
本文介紹的應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將高性能、低功耗的MSP430單片機(jī)與射頻模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái),，通過(guò)利用2.4 GHz頻段的便捷通信使遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控變得更容易,，同時(shí)大大降低了人力物力的消耗,。節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)時(shí)間,。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?，擺脫了由于布線(xiàn)受地理因素影響的限制。該系統(tǒng)硬件連接簡(jiǎn)單,，易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù),，功耗極低，便于長(zhǎng)期使用,。