CN103607464A - 基于ZigBee和GPRS的支架结构无线安全监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于ZigBee和GPRS技术的支架结构无线安全监测系统，其由监测现场和远程监控中心组成；其中，监测现场由ZigBee无线传感器网络组建成小型局域网，远程监控中心通过Internet网络侦听和接收GPRS DTU发送的数据；使用LabVIEW软件构建人机交互界面，将采集数据进行实时显示、存储，并实现数据查询、阈值报警等功能，最终实现对支架结构进行在线、无线、快速实时的安全监测。

Description

基于ZigBee和GPRS的支架结构无线安全监测系统

技术领域

本发明涉及建筑工程施工领域，尤其涉及到使用ZigBee和GPRS技术的支架结构无线安全监测系统及其报警技术。

背景技术

支架现浇法是工程结构物施工中较为常见的一种方法，采用此方法可以组织大规模同步施工，以缩短工期，加快施工速度，增加投资收益。另外，由于支架构件的相关技术成熟、标准统一、重复利用率高、使用成本低且施工方便，支架现浇法获得了广泛的使用。支架结构属于施工中的临时工程，具有搭设形式多样、拆装灵活、搬运方便、维护简单等优点。同时也是支架现浇法施工中的主要支撑结构，其强度、刚度、变形及稳定性直接影响到结构物的质量及施工安全。

在工程施工中，支架结构不仅承受着钢筋、混凝土及其它各种建筑材料和建筑设备等载荷，同时还是施工人员的作业平台和出入现场的通道。因此，支架结构的可靠性直接关系到施工人员的生命安全和工程的顺利进行。长期以来，支架的搭设并没有引起人们的足够重视，很多情况下是根据施工人员的经验来进行。正是由于支架搭设方式多样、不确定因素众多、承受荷载较大、理论计算与现场实际偏差大等特点，致使因支架失效而引起的工程事故频繁发生。在我国，有四分之一的建筑施工事故与此有关，给国家和人民生命财产造成众大损失。支架结构坍塌事故屡屡发生，不但给施工单位造成巨大的经济损失和人员伤亡，也给受难者亲属带来巨大的情感伤痛，更是在社会上产生了极坏的影响，已引起了各方面的高度重视。

目前国内和国际上对支架结构的检测、评价手段极为有限，通常采用在支架搭设前对其构件进行离线的破坏性力学性能测试，以及搭建完成后采用人工现场巡查的方法，检测工具多为经纬仪、水准仪和卷尺等传统量测工具。上述管理手段弊病较大：力学破坏性检测方法属有损检测，只能抽样检测；现场巡查则加大了劳动强度，且不能满足工程快速、全面、实时的检测需要。找到一种可靠、实时、智能的支架结构监控方案，已成为路桥工程质量安全综合监理的重要需求。

发明内容

为了进一步保障工程施工人员的人身安全，提高工程的施工质量，减少由于支架结构坍塌而造成的重大人员伤亡和经济损失，开展支架结构安全监测综合管理系统的研究显得尤为重要。本发明的目的在于针对支架结构施工中的安全问题，提出一种基于ZigBee和GPRS无线通信技术的支架结构安全监测方法，实现快速、全面、在线、实时监测。

本发明使用如下技术方案：

基于ZigBee和GPRS的支架结构无线安全监测系统，由监测现场和远程监控中心组成；其中，监测现场由ZigBee无线传感器网络组建成小型局域网，负责现场传感器节点的数据采集及传输，并将得到的数据通过RS232串口协议发送到GPRS DTU上；远程监控中心通过Internet网络侦听和接收GPRS DTU发送的数据；上位机监测软件将数据进行实时显示、存储，并实现数据查询、阈值报警等功能。另外，该系统在较为恶劣的露天环境中同样能够良好运行。

所述的ZigBee无线传感器网络位于监测现场，由智能无线传感器（1）、路由设备（2）和协调器设备（3）构成。

所述的GPRS无线数据传输网络由GPRS DTU、GPRS网以及Internet网组成。

所述的智能无线传感器（1）体积小巧，能够固定在直径不小于45mm的钢管上。所述的智能无线传感器（1）由传感器模块、无线射频模块和电源管理模块组成。其中，所述的传感器模块所测量的物理量有应变和倾角，应变测量电路包括应变电桥和信号处理两部分；倾角测量电路选用直流供电的加速度传感器，通过三角函数算法计算出倾角值；所述的加速度传感器采用低电压输入；所述的无线射频模块采用CC2530芯片，所述的传感器模块与CC2530芯片中的I/O口连接；CC2530芯片中的无线收发器与天线连接；所述的电源管理模块能够输出稳定的直流电压，该模块采用干电池供电。

所述的路由设备（2）其内部结构不具备传感器模块，其余结构与智能无线传感器（1）相同。

所述的协调器设备（3）由外部供电，其内部结构为：CC2530芯片中的处理器模块与MAX3232芯片相连；RS232串口总线与GPRS DTU连接；CC2530芯片中的无线收发器与天线连接。

所述的GPRS DTU能够进行TCP透明数据传输和UDP透明数据传输，具备在线检测、在线维持、掉线自动重拨功能。

所述支架结构无线安全监测系统上位机软件监测界面由LabVIEW软件编写而成，其包括数据采集模块、数据显示模块、数据存储模块、数据查询模块及报警提示模块。

该系统主要具备以下优势：

(1)分散布置多个新型智能无线传感器，实现对支架结构的全面、多参量的综合监测；

(2)采用无线传感器网络实现对支架结构的无线、远程健康监测；

(3)实现在役、实时、快速的非破坏性监测及数据融合，实现对支架结构安全状况的智能评估。

国内尚未有将智能无线传感器以及相关网络技术应用于路桥等土木工程中常见的支架结构安全监测方面的相关研究。一旦将该技术在国内大面积推广，不但可以节省大量的人力、物力和财力，创造极大的经济效益和社会效益，而且其监测数据可为我国相关技术规范和标准的修改完善提供重要的工程实践数据，具有重要的工程实用价值和意义。

附图说明

图1是本发明的支架结构安全监测系统架构示意图

图2是本发明的智能无线传感器硬件结构示意图

图3是本发明的路由设备硬件结构示意图

图4是本发明的协调器设备硬件结构示意图

图5是本发明的三种设备软件流程图

图6是本发明的远程监控中心上位机软件流程图

图中：1、智能无线传感器；2、路由设备；3、协调器设备

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示，支架结构无线安全监测系统由ZigBee无线传感器网络和GPRS无线数据传输网络搭建而成。其中，ZigBee无线传感器网络位于监测现场，由智能无线传感器1、路由设备2和协调器设备3构成。智能无线传感器1实时监测现场数据，将监测结果传到路由设备2后，路由设备2将所有监测结果转发至协调器设备3。协调器设备3通过RS232串口总线与GPRS DTU连接。GPRS无线数据传输网络由GPRS DTU、GPRS网以及Internet网组成。GPRS DTU接收来自协调器设备3的数据后，将其通过GPRS网以及Internet发送到远程监控中心，最终实现支架结构无线安全监测。

如图2所示，智能无线传感器1由传感器模块、无线射频模块和电源管理模块构成。其中，传感器模块起到信号采集感知的作用，应具有较高的灵敏度、耐高温防水等特点，采集到的参数有应变和倾角两种物理量。应变测量电路包括应变电桥和信号处理两部分，应变电桥主要负责采集结构的应变变形值，将其转化为微弱的电压量，并作为后续调理电路的输入，以便进一步处理；信号处理主要负责将微小的电信号进行放大、滤波。倾角测量电路选用直流供电的加速度传感器，直接输出能够用于微控制器I/O口输入的模拟电信号。再分别将应变和加速度计输出的模拟电信号经微控制器内部的ADC转换为数字信号，由内部CPU对数据进行分析处理，将加速度通过三角函数算法转换为倾角值，并将数据结果进行封装后送至后续无线射频模块。

无线射频模块包含在信号处理模块的微控制器中，它和ADC以及CPU共同集成在同一芯片中。这里选用美国德州仪器公司推出的CC2530芯片。电源管理模块是整个智能无线传感器1的核心，起到能量供给的作用，是整个设备能够正常运行的保障。作为无线传感器，应具备体积小、功耗低的特性，因此选用电池供电。同时，为了延长电池的使用寿命，减小电源功耗，采取CC2530的睡眠模式，当智能无线传感器1不工作时，将其置于睡眠状态；当智能无线传感器1工作时，将其置于唤醒状态。

如图3所示，路由设备2的功能包括协助与其连接的智能无线传感器1和协调器设备3之间的通信，通过多跳传输的方式扩大通信距离。路由设备2不具备数据采集功能，因此路由设备2与智能无线传感器1相比不存在传感器部分。路由设备2与多个智能无线传感器1相连，因此应一直处于工作状态以便随时能够接收来自不同智能无线传感器1的数据包，对设备供电提出了较高的要求。为了保证在电池供电的情形下，智能无线传感器1的数据还能够正确传输，ZigBee网络结构选取网状拓扑，这样可以保证当某些路由设备2失效时，智能无线传感器1可以选择其他路由设备2转发数据包。

如图4所示，协调器设备3与路由设备2相比，增加了串口通信模块。在CC2530芯片和RS232串口总线之间需要接入一个具备电平转换功能的串行转换器，实现将TTL电平转换为RS232电平，这里选用美信公司（Maxim）的MAX3232。协调器设备3负责整个网络的建立和维护，并管理路由设备2或智能无线传感器1的加入和删除。当整个网络的启动和配置完成之后，它的功能和路由设备2一样，此时，可以接收路由设备2或智能无线传感器1发送的数据包，并将该数据包通过串口模块转发到GPRS DTU。协调器设备3是整个无线网络运行的核心，为了保证整个网络的正常运行，协调器设备3采用外部供电的方式。

如图5所示，对于与GPRS DTU相连接的协调器设备3，系统上电后，首先进行硬件和协议栈的初始化，然后进行信道扫描和空闲信道评估，从而选择合适的工作参数，最后允许设备连接，建立网络。网络建成后，协调器设备3一直监测空中无线信号，当检测到数据请求时，会接收并转发数据至串口端。当协调器设备3发送数据完成后，将处于空闲状态，此时若有新的设备加入网络，则协调器设备3将与其建立连接并为其分配网络地址。路由设备2成功加入网络后，一直处于监测空中无线信号的状态。当检测到有数据请求命令时，对该数据进行多跳转发。智能无线传感器1成功加入网络后，则根据程序内部定时器设定的时间进行数据的周期性接收与发送。

如图6所示，远程监控中心上位机监测界面由LabVIEW软件编写而成，其功能包括数据的采集、显示、存储、查询及报警提示。数据采集模块一直侦听监控中心的TCP/IP网络端口，实时接收协调器设备3通过GPRS网络传输的数据；数据显示模块根据接收到的数据包标识，实现监测数据结果的分节点显示；数据存储模块，采用Microsoft Office Access数据库实现数据的保存；数据查询模块具备按时间以及设备号对历史数据进行查询的功能，同时能够将数据结果绘制成曲线形式或者柱状图形式，直观的表示数据变化趋势；报警提示模块具备分级报警的功能，操作人员只需在监控界面输入报警阈值，当数据超过设定的阈值时，即弹出设备报警提示对话框。

本发明使用无线通讯技术，组网灵活，结构简单，使用模块化构造，便于维护，同时，具备在线、实时功能，使得操作人员无需去现场查看即可跟踪支架结构的监测数据。

Claims (9)

1.基于ZigBee和GPRS的支架结构无线安全监测系统，所述的支架结构无线安全监测系统由监测现场和远程监控中心组成；其中，监测现场由ZigBee无线传感器网络组建成小型局域网，负责现场传感器节点的数据采集及传输，并将得到的数据通过RS232串口协议发送到GPRS DTU上；远程监控中心通过Internet网络侦听和接收GPRS DTU发送的数据，其特征在于：所述的ZigBee无线传感网络位于监测现场，由智能无线传感器（1）、路由设备（2）和协调器设备（3）构成，所述的GPRS无线数据传输网络由GPRS DTU、GPRS网以及Internet网组成，所述的智能无线传感器（1）由传感器模块、无线射频模块和电源管理模块构成。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee和GPRS的支架结构无线安全监测系统，其特征在于：所述的智能无线传感器（1）能够固定在直径不小于45mm的钢管上。

3.根据权利要求2所述的基于ZigBee和GPRS的支架结构无线安全监测系统，其特征在于：所述的传感器模块所测量的物理量有应变和倾角，应变测量电路包括应变电桥和信号处理两部分；倾角测量电路选用直流供电的加速度传感器，通过三角函数算法计算出倾角值；所述的加速度传感器采用低电压输入。

4.根据权利要求2所述的基于ZigBee和GPRS的支架结构无线安全监测系统，其特征在于：所述的无线射频模块采用CC2530芯片，所述的传感器模块与CC2530芯片中的I/O口连接；CC2530芯片中的无线收发器与天线连接。

5.根据权利要求2所述的基于ZigBee和GPRS的支架结构无线安全监测系统，其特征在于：所述的电源管理模块采用干电池供电。

6.根据权利要求1所述的基于ZigBee和GPRS的支架结构无线安全监测系统，其特征在于：所述的协调器设备（3）由外部供电，其内部结构为：CC2530芯片中的处理器模块与MAX3232芯片相连；RS232串口总线与GPRS DTU连接；CC2530芯片中的无线收发器与天线连接。

7.根据权利要求1所述的基于ZigBee和GPRS的支架结构无线安全监测系统，其特征在于：所述的GPRS DTU能够进行TCP透明数据传输和UDP透明数据传输，具备在线检测、在线维持、掉线自动重拨功能。

8.根据权利要求1所述的基于ZigBee和GPRS的支架结构无线安全监测系统，其特征在于：系统的上位机软件监测界面由LabVIEW软件编写而成，其包括数据采集模块、数据显示模块、数据存储模块、数据查询模块及报警提示模块。

9.根据权利要求8所述的基于ZigBee和GPRS的支架结构无线安全监测系统，其特征在于：所述的数据采集模块侦听监控中心的TCP/IP网络端口，实时接收协调器设备（3）通过GPRS网络传输的数据；所述的数据显示模块能够根据接收到的数据包标识，实现监测数据结果的分节点显示；所述的数据存储模块采用Microsoft Office Access数据库实现数据的保存；所述的数据查询模块具备按时间以及设备号对历史数据进行查询的功能，同时能够将数据结果绘制成曲线形式或者柱状图形式，直观的表示数据变化趋势；所述的报警提示模块具备分级报警的功能，操作人员只需在监控界面输入报警阈值，当数据超过设定的阈值时，即弹出设备报警提示对话框。

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