CN112762996A - 基于无线传感网的u型渠变形精密监测系统 - Google Patents

Abstract

一种超声声层析流场成像方法及其装置。本发明主要由硬件系统和对应的软件模块组成，硬件系统主要包括ZigBee控制传输结点、ZigBee数据采集结点、温湿度传感器、位移精密传感器和相适应的三轴安装架，太阳能板和配套的锂电池，以及上位机；而系统的软件模块又分为二部分，一部分是上位机对应软件，另一部分是嵌入到ZigBee结点上的程序。本发明完全能够满足U型渠变形精密监测要求，接口灵活多样，外扩丰富规范，能够搭载多类传感器，自行组建无线网络，并具备网络故障自我修复能力，通过移动互联网实现与远端控制中心的信息交换与系统控制，同时根据使用的外部环境搭载太阳能电池，并利用单片机开发嵌入式系统实现供能管理分配策略，实现供能的自给自足。

Description

基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统

技术领域

本发明涉及一种无线传感网变形监测系统，特别涉及一种基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，属于变形精密监测技术领域。

背景技术

随着社会生产力的高速提升，造型各异、功能不同的高层建筑、公路桥梁、水库大坝等新型建筑如雨后春笋般层出不穷，然而，在这些看似风光的高规格建筑背后，越来越多的建筑安全问题开始进入大众视野，逐步引起了越来越多的关注。在已经出现的各种建筑安全事故中，无论何种原因导致的，无一例外都会给人民的生命财产造成不可估量的损失。因此，防范于未然，确保这些建筑的安全，变得越来越重要，最关键的方法便是实时了解这些建筑物的内外部结构，进行变形监测，并根据监测结果对建筑物进行状态评估和预测，预防安全事故的发生，确保建筑和人民生命财产安全。

很多建筑安全事故，在其发生的前夕，建筑物本身都发生了结构变化，如表面开裂、地基下沉、构件疲劳等现象，如果采用一定的监测检测手段，很有可能在事故发生之前有所防范处理，避免事故的发生或在避免不了的情况下将事故可能带来的破坏性降到最低，从而达到降低事故灾害带来的损失的目的。因此，全方面的评估建筑物的健康状况，为诊断建筑物是否安全，以便之后的施工、检修、加固、改建等决策从而避免事故的发生，对建筑物的健康状况监测的作用越来越重要，用现代化的测量手段使用传感器对建筑物的形变等信息进行实时采集、实时分析从而反馈出建筑物的健康状况信息是有效手段。

现有技术建筑物变形精密监测主要采用有线传感器网络来实现，但是此类监测方法存在着布线量大且局部布线困难、安装维护费用过高、可靠性差等缺陷，随着传感器制造技术、无线局域网通信技术和MEMS技术的发展，无线传感网技术应运而生，取得了长足的发展，能克服传统监测手段所固有的缺陷，在实际应用中具有重要的意义。

在测绘科学的工程实践与研发活动中，变形精密监测的重要性不容忽视，电站U型渠的修建，从正式开工动土之前到建成竣工验收结束，乃至于建筑落成后整个正常运转周期都需要不间断的变形监测，了解建筑结构情况，及时找出安全隐患，保证建筑物及其中人的生命财产安全。U型渠变形精密监测的主要目标就是要得到U型渠(变形体)形变的空间状态和时间特性，而且还需要说明其形变的原因。

但由于电站U型渠环境与建筑特点，现有技术的变形监测系统无法适用，也达不到U型渠的精密监测要求，现有技术的难点和本发明解决的问题主要集中在以下方面：

第一，U型渠监测的精度要求高：与城市工程测量等工作相比，U型渠变形精密监测的精度需求很高，最低不小于1毫米或者相对精度指标不低于10-6数量级，选定合乎需求的精度限制是非常有必要的，如果设定的阈值太高会让监测工作的复杂度变大，对应的也会增加时间与金钱的花费；过低的精度又会降低系统的灵敏度，使得相关形变分析的难度加大，同时监测误差也会变大，最终导致难以得到理想的正确结论；若具体到本发明的话，适当的高精度要求最大的依靠就是高精度的传感器，提出的要求便是所选取的传感器在满足各种各样物理量采集的过程中，处理按时按量采集到所需数据，还必须满足足够的精度要求；通过无线网络进行的数据互传和指令反馈也不能出现错码、丢码的情况；

第二，重复性观测要求高：变形精密监测的过程都是不断重复的，通过对某一个或者一组特定变形量的长期重复观测，得到对应变形的集合解释，同时变形精密监测的频率的选择因素为变形量的大小、速度以及工程建筑物本身的特性。根据过往的经验，U型渠建成的初期，各方面情况不是很稳定，变形精密监测所需要的频率大一些，经过一定时期的稳定之后，各方面情况开始稳定下来，便可以降低变形精密监测采样频率，但仍然需要进行持续的一定频率的观测；具体到本发明，重复性观测的实现依靠的主要就是整个无线传感网体统的休眠唤醒功能，在定时休眠，定时唤醒的循环过程中，一方面满足了重复性观测的变形精密监测的要求；一方面也对整个系统的能量供给构件设定了一定的要求；

第三，综合性观测难度大：在电站U型渠的变形精密监测过程中，应该全方位思量各项变形精密监测手段的综合应用，优势互补，互为检验，除了用传统的测量手段好方法采集几何变形量意外，也需要量取温度、应力、湿度、倾斜度等等非几何参数；具体到本发明，综合性的观测手段以及几何变形量和物理参数的同步获取依靠的便是具备多种功能的传感器，监测如位移、温湿度、应力、压力等等各种参数，利用系统中接入的多种多样的传感器实现对几何变形量以及物理参数的同步获取。

第四，多学科技术融合难度大：除了拟定精度的阈值，优化布测方案，合理的分析变形精密监测的结果之外，还需要考虑到多学科知识的配合使用，依托于ZigBee的无线传感器变形精密监测网络系统中，有两个很关键的点就是多学科知识的综合使用：一是利用4G/5G网络的接入，利用它的数据联网传输功能，实现监测数据报表的定期发送，以便该监测网络的所有者实时了解到形变体的情况；二是利用太阳能给整个系统供电，利用太阳能这一清洁无害的能量实现整个监测网络的供能自我获取的功能，彻底摆脱对传统布线的依赖；

第五，U型渠安全问题是电站U型渠保持健康稳定状态的关键因素，U型渠物理结构的稳定性是防止发生U型渠安全事故的重要保障，因此U型渠在役前和在役期间均需要进行变形精密监测，主要方式是通过变形精密监测来验证U型渠的结构强度符合标准，确保U型渠的安全运行，但现有技术传统的人工检测、仪器监测等手段效率低，准确性得不到保证，且无法对形变数据信息进行有效管理和长期演变评估，现有技术的变形监测系统又无法适应电站U型渠的监测环境和条件，监测精度也达不到要求，U型渠的健康监测成为当前亟待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一套基于ZigBee协议的无线传感网U型渠变形精密监测系统，其接口灵活多样，外扩丰富规范，能够搭载多类传感器，自行组建无线网络，并具备网络故障自我修复能力，在本地安装具备数据存储、处理、收集能力的工控机，并且在工控机上接入4G/5G网络，通过移动互联网实现与远端控制中心的信息交换与系统控制，同时根据使用的外部环境搭载太阳能电池，并利用单片机开发嵌入式系统实现供能管理分配策略，实现供能的自给自足，使整个无线传感网摆脱传统布线的限制。

为达到以上技术效果，本发明所采用的技术方案如下：

基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，基于ZigBee协议的无线传感网U型渠变形精密监测系统主要由硬件系统和对应的软件模块组成，硬件系统主要包括ZigBee控制传输结点、ZigBee数据采集结点、温湿度传感器、位移精密传感器和相适应的三轴安装架，太阳能板和配套的锂电池，以及上位机；而系统的软件模块又分为二部分，一部分是上位机对应软件，主要是根据网络同步时间给整个无线传感网发布指令，选择休眠或者唤醒整个系统，选择是否给传感器上电，同时收集处理整个无线传感网搜集的几何形变数据信息和相关的物理参数；另一部分是嵌入到ZigBee结点上的程序，主要为等待上位机的指令，并转发到ZigBee终端，让传感器采集所需的几何数据信息与物理信息，然后将采集到的数据信息搜集并反馈到上位机；

基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统主要包括：

第一，根据电站U型渠的环境与建筑的不利条件提出对应解决方案，系统需求包括，一是工作时间要求，基于变形精密监测的稳定性与长期性，每天必须达到一定的监测取样数据频率；二是精度要求，对于重点关注的U型构件接缝，监测精度必须达到0.01mm；三是传输与存储要求，保证数据传输存储的准确度，长期监测积累数据量巨大，物理存储空间也需得到保证；四是引入太阳能供能，彻底摆脱布线的限制，实现长期稳定的跟踪监测；

第二，对硬件系统的各设备组件进行研发设计，主要包括：数字式LVDT位移精密传感器与三轴安装架的组合，主要位移精密传感器的最小分辨率与所测位移的方向，通过设备设计与架构布置，确保能监测相邻U型构件接缝三个互相垂直方向的相对位移变化情况，同时精度能达到0.01mm；太阳能供电系统确保系统不需要外接电源而仅依靠太阳能蓄电池系统进行供电；温度与湿度信息的采集选用DHT11数字式传感器，确保形变物理参数获取的精度；无线网络通讯系统采用ZigBee短距离无线通讯协议；

第三，提出硬件系统的工作流程和变形精密监测方案，通过多个位移精密传感器与温湿度传感器同时采集，在太阳能供电系统的辅助下，获得完整而精确的U型渠形变的几何数据信息和物理参数信息；

第四，根据系统功能架构与硬件选材，对软件模块进行需求分析与模块设计，包括各软件功能以及数据库，软件模块主要包括：一是数据采集监控软件，配合硬件系统使用，实现形变数据采集的自动化，确保数据采集符合精度与频率要求，主要包括温湿度采集控制模块、位移数据采集控制模块、太阳能系统控制模块与ZigBee数据传输模块，这些模块都是片上系统模块，即都是嵌入安装到ZigBee芯片上的程序；二是上位机软件，安装到工控机上配合硬件系统使用，包括采集控制模块，通过与工控机相连的ZigBee协调器发送有效指令给各个终端并自动接收各个终端反馈的数据信息，还包括形变数据处理模块和报告预警模块；

第五，根据无线传感网变形精密监测中数据采集采样率和数据分析的要求，确定整个网络中每个无线传感器结点所需的时间同步的精度要求，考察ZigBee结点内部晶体振荡器的时钟稳定度，分析监测网络中所能提供的理论时钟同步精度后，采用上位机统一唤醒ZigBee模块并发布各项指令，同时同步接收采集到的各项数据，整个系统只采用上位机上的时间，而ZigBee网络的延时极短，解决传感器网络时间同步问题；

本发明主要工作流程为：第一，太阳能板以及配套的锂电池在电池能量不足的情况下，自动开启充电模式，随时保证蓄电池的电量处于饱和状态；第二，当上位机时间到达预设的数据采集时间时，上位机发送指令，唤醒ZigBee模块，并打开电能供给系统，给传感器和与之配对的ZigBee工业级结点上电，开机正常后反馈信息给上位机；第三，上位机发布信息采集指令，通过ZigBee网络将指令发送给各个ZigBee结点模块和对应的传感器；第四，位移精密传感器和温湿度传感器在接收到上位机的指令后，将采集到的数据通过网络系统反馈回上位机；第五，上位机将反馈回来的数据解析、处理并存储，然后在每天预设的时间将这些信息汇总生成报告并通过4G/5G网络发送给指定人员；第六，如果在监测过程中出现异常值，系统上位机将以短信/微信或者紧急邮件的形式将预警信息发送给指定人员；

变形监测系统的硬件系统：主要包括数据信息采集模块、网络传输模块、电能供给模块、计算机模块；

数据信息采集模块：由位移精密传感器以及对应的三轴机械夹持装置组成，位移精密传感器采集U型渠U型结构块之间的空间位置的相对变化情况，此外还有温湿度传感器，采集终端结点附近的温度湿度数据；

网络传输模块：基于ZigBee协议的无线网络系统，主要由ZigBee结点构成，负责整套监测系统的数据传输，发送上位机发布的指令以及收集终端结点传感器采集到的形变数据；

电能供给模块：基于太阳能板以及锂电池的能量系统，负责每个传感器网络中每个终端结点的电能供给，保证ZigBee模块的和各个传感器的电能供给，利用清洁能源使终端结点摆脱对传统布线的依赖；

计算机模块：主要包括上位机，包含一台工控机以及附属的4G/5G无线网络模块，上位机发布指令和收集汇总几何物理信息，自动生成报告并发送给该系统的管理者；

变形监测系统的软件模块：包括两大模块，一是安装于上位机的控制软件，负责发布指令、收集处理信息以及生成并发送报告；二是嵌入到ZigBee模块上的软件，负责接收转发上位机的指令，启动传感器，接收并回传反馈信息，同时实现预设的太阳能系统的能量管理策略。

基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，进一步的，变形精密监测系统的硬件系统的核心是传感器，主要包括数字式LVDT位移精密传感器以及采集物理参数的温湿度传感器，把三个位移精密传感器互相垂直装配于特制的金属夹持结构上，在一系列软硬件配合下对U型渠构件接缝处进行相对位移参数的采集并获取对应的温湿度物理参数，通过ZigBee网络系统将采集的几何形变参数与物理参数传输回上位机，之后再经过数据处理软件，汇总出接缝变化信息，包括接缝宽度变化量、U型构建在空间其他两个方向的变化量，最后给出关于接缝变化情况的技术报告，为U型渠的结构安全情况提供参考；

U型渠变形精密监测的第一步是对监测对象形变数据的获取、传输和存储，外界数据主要包括硬件系统采集获得的U型渠构件相对空间位置变化情况和U型构件接缝所在位置的物理属性，其中最重要的数据为U型构件空间位置相对变化情况，通过对U型构件接缝的变化情况监测获得，变形精密监测依靠位移精密传感器，利用软件对位移精密传感器的自动控制完成对U型渠构件接缝情况的实时获取，采集到的变化情况通过自主编写的软件进行处理，实现对接缝的量测和监测，并根据需求生成监测报告，并根据实际情况让管理人员选择是否采取预警或者修复措施，实现从形变量采集、形变量测到统计报告的一整套自动监测工作，本发明基于ZigBee的无线传感网形变监测系统在每个监测结点加装太阳能供电系统，利用锂电池储备太阳能，以备长期阴雨天气下系统正常运转，摆脱对传统布线或者更换电池的限制。

基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，进一步的，三轴机械安装装置：架构一套能够同时测量三个方向上的位移变化量的设备，根据U型构件接缝两侧是U型构件本身的混泥土结构，必须架构的是固定在接缝两侧的一种同时能观测到三个方向相对位移的安装架性结构，支架分为两部分，即两块地板分别利用膨胀螺栓固定在左右接缝两侧的混泥土结构中，然后传感器的固定端分别固定在互相垂直方向的三个塑料夹持机构上，任何一个传感器的活动端的遮挡板一定固定在另一块固定板上，获得互相垂直的三个方向的相对位移变化量。

基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，进一步的，太阳能供电系统分为三部分：一是太阳能电池组，变形精密监测系统每个结点由一个控制作用的ZigBee结点和三个数据采集作用的ZigBee结点以及与之相连的3个LVDT数字位移精密传感器组成，此外还有DHT11温湿度传感器一个，总功率很小，因此选用的太阳能电池组为5w12v单晶硅太阳能板；二是太阳能控制器，控制电池方阵队蓄电池充电和逆变负载供电的自动控制的设备，具备调节功率、负载控制、电气保护、过热短路过流保护，修正蓄电池的放电特性，实现准确放点控制；三是蓄电池，由于铅酸蓄电池体积较大，再加上单个结点所需电能很少，故选用锂电池；

根据系统实际需求，给每个结点的太阳能供电系统配备3块4.5V1200mA的锂离子充电电池，并且为了提高电压，将三块电池串联使用，即相当于配备一个13.5V3600mA的蓄电池组。

基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，进一步的，采集结点组装搭建：控制功能的终端结点的底板上直接焊接好温湿度传感器的接口，故略去一个ZigBee数据采集结点，温湿度传感器DHT11直接连接到控制ZigBee结点上并利用该结点板上的电源供电，直接通过杜邦线与该结点进行数据交换；

位移精密传感器并不直接连通到控制ZigBee结点，ZigBee数据采集结点的底板经过改装，直接通过RS485与数字式位移精密传感器相连接，便于以后添加更多功能的传感器组件；

ZigBee数据采集结点以及与之相连的LVDT数字式位移精密传感器通过RS485进行连接，进行数据交换，同时二者在不需要进行数据采集时不需要供电，即此三个ZigBee结点都不进行休眠，可直接切断电源处于关机的状态，与之相连的位移精密传感器在不需要进行数据采集的时候处于断路的状态，而ZigBee结点和与之相连的位移精密传感器从关机到上电开机并能正常工作所需的时间设置为25秒，因此在时间达到预设采样时间前1分钟的时候，ZigBee控制传输结点控制连接在其底板上的继电器，接通ZigBee数据采集结点以及LVDT位移精密传感器的电源，在确认其正常工作后，系统预设数据采集的时间给网络系统发送采样指令，位移精密传感器做出响应反馈位移变化量信息。

基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，进一步的，上位机组装：上位机最主要的组件是新汉NISE103工控机，主要负责监视整个ZigBee无线传感网，向网络广播发送相关指令，收集反馈信息并处理得到的几何变形参数与相关物理参数，综合处理后得到报告并通过4G/5G网络发送给指定人员，ZigBee协调器一与ZigBee协调器二分别通过串口RS485连接到工控机上，选择两个协调器是因为每个采集结点拥有两种类型的ZigBee模块，一是ZigBee控制传输结点，另一种与位移精密传感器相连的ZigBee数据采集结点，这两种结点分别位于不同的网段，ZigBee控制传输结点仅负责控制功能，而ZigBee数据采集结点更便于与各种各样的功能各异的传感器相连，便于系统扩展，整个区域内存在两个不同网段的ZigBee无线网；

ZigBee协调器一负责与整个无线传感网中所有的ZigBee控制传输结点相连，组成一个控制网络，上位机发出的任何指令都将通过协调器一发送至整个网络中的控制器，这些指令包括ZigBee控制结点的唤醒与休眠，温湿度传感器数据采集指令，继电器开关指令，对应的反馈信息也会通过协调器一发送给上位机，以便上位机掌握整个网络状态；

ZigBee协调器二负责与整个无线传感网中的所有的采集终端结点组成数据采集传输网络，负责除DHT11以外的传感器，主要指LVDT数字式位移精密传感器相连，由上位机发布的位移采集指令通过ZigBee协调器二广播发布给所有ZigBee数据采集结点，然后控制LVDT位移精密传感器采集位移变化几何数据信息，传感器反馈的数据信息通过ZigBee协调器二发回给上位机。

基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，进一步的，串口通讯的配置与使用：采用ZigBee底板上配置FT232串口转换芯片，实现USB到串行UART接口的快速转换，P0_2、P0_3配置为外设功能时：P0_2为RX，P0_3为TX.USART0和USART1串行通信接口，它们各自启用异步UART通信模式或同步SPI通信模式，两个串行接口安排在单独的I/O引脚；

同时，跟串口通讯相关的寄存器有UxGCR、UxCSR、UxCSR、UxBUF、CLKCONCMD、UxBAUD、CLKCONSTA，由寄存器UxBAUD.BAUD_M[7：0]和UxGCR.BAUD_E[4：0]定义波特率，对CC2530配置串口的步骤为：

第一步，配置IO，使用外部设备功能，配置P0_2和P0_3用作串口UART0；

第二步，配置对应串口的控制及状态寄存器；

第三步，配置串口工作的波特率；

每个ZigBee程序的编写都需要对串口进行配置，只有进行过串口配置，才能在终端与终端之间，末梢与协调器之间以及协调器与上位机之间进行数据信息通讯；

温湿度采集控制模块：DHT11数字温湿度传感器按照3V3接模块VCC、GND接模块的GND、P07接到模块数据输出脚连接DHT11与ZigBee底板，然后进行嵌入式程序开发即可使用，DHT11程序采用模块化编程，只需调用温度函数读取即可，首先设置DHT11的IO口，通过语句P0SEL&＝0x7f实现，然后在DHT11.c的头文件中定义DATA_PINP0_7，通过该函数自动获得DHT11数字温湿度传感器采集到的温湿度信息，通过串口上传给协调器与上位机。

基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，进一步的，太阳能系统控制模块：依靠太阳能控制器中的时钟很难解决供电与系统中其他组件的同步问题，本发明的解决方案是使用继电器，利用ZigBee板件上的小电流去控制位移采集组件大电流的开与关，具体实现方式是在ZigBee数据采集板件上加装继电器，再利用嵌入式程序控制该继电器，将继电器安装控制传输ZigBee底板上的J9安装座上，使用P0.4口作为继电器的信号输入端，高电平时继电器断开，低电平时继电器吸合，即通过P0.4的高低电平控制位移精密传感器的开与关，相关程序为：首先配置与板件相连的继电器IO引脚，定义P0.4为信号出入口；其次，利用P0.4的高低电平来控制相关组件的开关，控制位移精密传感器的供电。

基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，进一步的，位移数据采集控制模块：对于位移精密传感器的使用是通过ZigBee无线网络让上位机的有效指令消息到达每一个位移精密传感器，并能把位移精密传感器反馈的位移数据通过该ZigBee网络发送回上位机，供上位机处理和存储，Soway位移精密传感器的信息传输采用8位数据位传输，并伴有偶校验方式，波特率为9600bps，对于位移精密传感器的使用，设置一个ZigBee透明传输程序，结点与结点之间、结点与中继或结点与路由之间使用2.4G的ZigBee无线网络进行传输，而协调器与上位机、位移精密传感器与终端结点之间则利用RS485串口UART进行连接，实现数据点对点的无线透明传输，把具有无线透明传输功能的ZigBee模块视为无线串口，其具体实现为：

步骤一，上电初始化：上电后，各层函数执行，进入osalInitTasks(void)，执行初始化，SerialApp_Init(taskID)最后进入应用层；判断数据来源，若为ZDO层，则执行SerialApp_ProcessZDOMsgs函数，若为按键事件，则执行SerialApp_HandleKeys函数，若为AF层数据来源，即接收到无线数据事件，则执行SerialApp_ProcessMSGCmd函数；

步骤二，数据接收的处理：在触发AF层接收数据事件后，SerialApp_ProcessMSGCmd函数中判断数据簇，若为SERIALAPP_CLUSTERID1簇，进行数据的序列判断，若正确，则将数据写入串口，利用下列串口操作函数：

HalUARTWrite(SERIAL_APP_PORT,pkt->cmd.Data+1,(pkt->cmd.DataLength-1))；

步骤三，数据串口发送：由上位机传输的数据存放于otaBuf中，利用函数rxcB进行数据发送的事件触发，串口配置中uartConfig.callBackFunc＝rxCB；即当串口出现数据时，调用rxcB函数，触发osal_set_event(SerialApp_TaskID,SERIALAPP_MSG_SEND_EVT)；发送事件，进而SerialApp_SendData(otaBuf,otaLen)；

步骤四，AF_DataRequest()函数发送：参数(afAddrType_t*dstAddr,endPointDesc_t*srcEP,uint16CID,uint16len,uint8*buf,uint8*transID,uint8options,uint8radius)(地址和发送模式，端点描述，簇，字节数，数据，传输序列号，选项，最大半径(发送的跳数))，利用广播模式发送，尽快将指令发送给每一个位移精密传感器并快速得到所有传感器反馈的位移信息。

基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，进一步的，上位机软件包含采集控制模块、形变数据处理模块和报告预警三个模块，采集控制模块负责整套无线传感网系统对U型渠变形精密监测采样时间、频率的控制；形变数据处理模块负责接收和处理无线传感网反馈的各项形变的几何数据信息和物理参数；报告预警模块根据每天采集的形变数据信息生成报告并通过电子邮件的形式发送给指定人员；

采集控制模块：上位机直接与ZigBee协调器一、二相连，采用串口通讯的方式给协调器发送有效指令，然后协调器将指令在ZigBee无线网中广播发送到每个终端结点，利用内部参数和硬件资源都已标准化的ZigBee无线模块，访问和控制ZigBee模块上附带的各种组件，完成数据的传递、参数的访问；组件的控制和反馈参数的获取都采用帧格式的报文，所有帧都以3A标记为开始，所有控制结点的地址都设定为4位短地址，功能码已预先设定好，有两位的16进制数组成，报文的最后都以23结束，在上位机程序中，利用C#串口通讯在预设的时间将预定指令发送给协调器，协调器再将这些指令发送给整个系统中的其他结点。

与现有技术相比，本发明的贡献和创新点在于：

第一，本发明提供一套基于ZigBee协议的无线传感网U型渠变形精密监测系统，其接口灵活多样，外扩丰富规范，能够搭载多类传感器，自行组建无线网络，并具备网络故障自我修复能力，在本地安装具备数据存储、处理、收集能力的工控机，并且在工控机上接入4G/5G网络，通过移动互联网实现与远端控制中心的信息交换与系统控制，同时根据使用的外部环境搭载太阳能电池，并利用单片机开发嵌入式系统实现供能管理分配策略，实现供能的自给自足，使整个无线传感网摆脱传统布线的限制；

第二，满足U型渠变形精密监测作业时间要求，变形精密监测是一个重复性的形变数据信息的采集过程，要求按一定的频率要求采集变形体的几何形变数据信息以及相关的物理参数，本发明在U型渠建成以后正常运转通水期间，监测U型结构块之间的相对位移变化的情况，根据以往的人工观测的数据以及相关经验来看，采样频率在每天4次就可以满足监测其形变的要求，以一次的采集过程为例，上午9点采集第一次数据，无线传感网从休眠到唤醒接入网络正常开始工作只需要30s的时间，对应的位移精密传感器从上电到能够正常数据采集需要的时间为15s，配套附属的温度传感器、湿度传感器等等都是零延迟，考虑到传感器采样稳定所需要的时间，在9点提前2分钟启动整套网络系统便可，采集9点整的数据之后，整套系统便又可以重新进入休眠之中了，一次的采集过程前后只需3分钟的时间，一日采集4次所需要的时间仅12分钟，高效快速并且节能；

第三，满足U型渠变形精密监测精度要求，本发明用于U型渠接缝变形精密监测，三个方向的位移的观测精度达到0.01mm，温度作为辅助物理参数的采集，精度达到1℃；湿度也作为辅助物理参数，误差在2％以内，满足变形精密监测的需求，本发明在耗能最小，成本最低、可靠性高的前提下，监测精度完全能够腕足U型渠变形精密监测要求；

第四，满足图像数据传输与存储要求，整个无线传感网中，每个ZigBee终端搭载3个数字式LVDT位移精密传感器，以及1个温湿度传感器，一个位移精密传感器每次发送16字节的数据，温湿度传感器每次发送8个字节的数据，即一次正常监测数据获取过程中，每个ZigBee终端结点回传的数据量为56字节，而整个利用ZigBee协议组件的无线局域网络的互传速率为50kbps，完全能够满足系统带宽的要求；同时最终生成报告通过4G/5G网络上传给监测系统的管理员，整个采集的信息量很少，一个结点合计才56字节的数据，即使整个网络有成百上千个终端结点，其数据量依然很小，无论是ZigBee网络或是工控机都能够完成数据信息传输、处理的功能，总之，根据信息的传输、存储和运算的要求，系统的硬件设备完全满足要求。

第五，结合监测要求和工作环境特点，创造性的提出了现有技术无法完成的U型渠变形精密监测硬件系统方案，主要包括：数字式LVDT位移精密传感器与三轴安装架的组合，主要位移精密传感器的最小分辨率与所测位移的方向，通过设备设计与架构布置，确保能监测相邻U型构件接缝三个互相垂直方向的相对位移变化情况，同时精度能达到0.01mm；太阳能供电系统确保系统不需要外接电源而仅依靠太阳能蓄电池系统进行供电，摆脱传统限制；温度与湿度信息的采集选用DHT11数字式传感器，确保形变物理参数获取的精度；无线网络通讯系统采用ZigBee短距离无线通讯协议，通过多个位移精密传感器与温湿度传感器同时采集，在太阳能供电系统的辅助下，获得完整而精确的U型渠形变的几何数据信息和物理参数信息；

第六，结合监测要求和硬件工作环境特点，提出了对软件模块的创新设计，主要包括：一是数据采集监控软件，配合硬件系统使用，实现形变数据采集的自动化，确保数据采集符合精度与频率要求；二是上位机软件，安装到工控机上配合硬件系统使用，包括采集控制模块，通过与工控机相连的ZigBee协调器发送有效指令给各个终端并自动接收各个终端反馈的数据信息；确定整个网络中每个无线传感器结点所需的时间同步的精度要求，考察ZigBee结点内部晶体振荡器的时钟稳定度，分析监测网络中所能提供的理论时钟同步精度后，本发明放弃使用ZigBee芯片里的时钟，而采用上位机统一唤醒ZigBee模块并发布各项指令，同时同步接收采集到的各项数据，整个系统只采用上位机上的时间，而ZigBee网络的延时极短，这样便解决了传感器网络时间同步问题。

附图说明

图1是本发明硬件系统的工作架构组成示意图。

图2是本发明LVDT位移精密传感器原理示意图。

图3是本发明的采集结点组装搭建结构示意图。

图4是本发明的上位机组装电路连接示意图。

图5是本发明的温度采集可视化界面示意图。

图6是本发明的位移采集可视化界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提供的基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统的技术方案进行进一步的描述，使本领域的技术人员能够更好的理解本发明并能予以实施。

本发明提供一套基于ZigBee协议的无线传感网U型渠变形精密监测系统，其接口灵活多样，外扩丰富规范，能够搭载多类传感器，自行组建无线网络，并具备网络故障自我修复能力，在本地安装具备数据存储、处理、收集能力的工控机，并且在工控机上接入4G/5G网络，通过移动互联网实现与远端控制中心的信息交换与系统控制，同时根据使用的外部环境搭载太阳能电池，并利用单片机开发嵌入式系统实现供能管理分配策略，实现供能的自给自足，使整个无线传感网摆脱传统布线的限制。

一、U型渠变形精密监测总体架构

(一)系统总体架构

本发明基于ZigBee协议的无线传感网U型渠变形精密监测系统主要由硬件系统和对应的软件模块组成，硬件系统主要包括ZigBee控制传输结点、ZigBee数据采集结点、温湿度传感器、位移精密传感器和相适应的三轴安装架，太阳能板和配套的锂电池，以及上位机；而系统的软件模块又分为二部分，一部分是上位机对应软件，主要是根据网络同步时间给整个无线传感网发布指令，选择休眠或者唤醒整个系统，选择是否给传感器上电，同时收集处理整个无线传感网搜集的几何形变数据信息和相关的物理参数；另一部分是嵌入到ZigBee结点上的程序，主要为等待上位机的指令，并转发到ZigBee终端，让传感器采集所需的几何数据信息与物理信息，然后将采集到的数据信息搜集并反馈到上位机。

(二)系统工作流程

本发明主要工作流程为：第一，太阳能板以及配套的锂电池在电池能量不足的情况下，自动开启充电模式，随时保证蓄电池的电量处于饱和状态；第二，当上位机时间到达预设的数据采集时间时，上位机发送指令，唤醒ZigBee模块，并打开电能供给系统，给传感器和与之配对的ZigBee工业级结点上电，开机正常后反馈信息给上位机；第三，上位机发布信息采集指令，通过ZigBee网络将指令发送给各个ZigBee结点模块和对应的传感器；第四，位移精密传感器和温湿度传感器在接收到上位机的指令后，将采集到的数据通过网络系统反馈回上位机；第五，上位机将反馈回来的数据解析、处理并存储，然后在每天预设的时间将这些信息汇总生成报告并通过4G/5G网络发送给指定人员；第六，如果在监测过程中出现异常值，系统上位机将以短信/微信或者紧急邮件的形式将预警信息发送给指定人员。

(三)变形监测系统的硬件系统

硬件系统主要包括数据信息采集模块、网络传输模块、电能供给模块、计算机模块。

1.数据信息采集模块：由位移精密传感器以及对应的三轴机械夹持装置组成，位移精密传感器采集U型渠U型结构块之间的空间位置的相对变化情况，此外还有温湿度传感器，采集终端结点附近的温度湿度数据；

2.网络传输模块：基于ZigBee协议的无线网络系统，主要由ZigBee结点构成，负责整套监测系统的数据传输，发送上位机发布的指令以及收集终端结点传感器采集到的形变数据；

3.电能供给模块：基于太阳能板以及锂电池的能量系统，负责每个传感器网络中每个终端结点的电能供给，保证ZigBee模块的和各个传感器的电能供给，利用清洁能源使终端结点摆脱对传统布线的依赖；

4.计算机模块：主要包括上位机，包含一台工控机以及附属的4G/5G无线网络模块，上位机发布指令和收集汇总几何物理信息，自动生成报告并发送给该系统的管理者。

(四)变形监测系统的软件模块

软件模块有两大模块：一是安装于上位机的控制软件，负责发布指令、收集处理信息以及生成并发送报告；二是嵌入到ZigBee模块上的软件，负责接收转发上位机的指令，启动传感器，接收并回传反馈信息，同时实现预设的太阳能系统的能量管理策略。

二、变形精密监测系统的硬件系统

硬件系统的核心是传感器，主要包括数字式LVDT位移精密传感器以及采集物理参数的温湿度传感器，把三个位移精密传感器互相垂直装配于特制的金属夹持结构上，在一系列软硬件配合下对U型渠构件接缝处进行相对位移参数的采集并获取对应的温湿度物理参数，通过ZigBee网络系统将采集的几何形变参数与物理参数传输回上位机，之后再经过数据处理软件，汇总出接缝变化信息，包括接缝宽度变化量、U型构建在空间其他两个方向的变化量，最后给出关于接缝变化情况的技术报告，为U型渠的结构安全情况提供参考。硬件系统的工作架构组成如图1所示。

U型渠变形精密监测的第一步是对监测对象形变数据的获取、传输和存储，外界数据主要包括硬件系统采集获得的U型渠构件相对空间位置变化情况和U型构件接缝所在位置的物理属性，其中最重要的数据为U型构件空间位置相对变化情况，通过对U型构件接缝的变化情况监测获得，变形精密监测依靠位移精密传感器，利用软件对位移精密传感器的自动控制完成对U型渠构件接缝情况的实时获取，采集到的变化情况通过自主编写的软件进行处理，实现对接缝的量测和监测，并根据需求生成监测报告，并根据实际情况让管理人员选择是否采取预警或者修复措施，实现从形变量采集、形变量测到统计报告的一整套自动监测工作，本发明基于ZigBee的无线传感网形变监测系统在每个监测结点加装太阳能供电系统，利用锂电池储备太阳能，以备长期阴雨天气下系统正常运转，彻底摆脱对传统布线或者更换电池的限制。

(一)变形精密监测系统的要求

U型渠变形精密监测系统满足对电站U型渠构件的变形情况进行定期实时精密监测的要求，必须要达到相应的技术指标，同时这些指标也直接关系到硬件系统的配置设计，硬件系统需要满足以下要求：第一，功能性要求：通过机械装置安置在U型构件接缝处，安装位移精密传感器后获取空间三维的构件相对变化情况，通过ZigBee网络实现指令与数据的实时稳定传输；第二，便利性要求：变形精密监测系统设备采用积木化架构，便于安装、运输、组装、拆卸；第三，场地适应性要求：充分考虑U型渠现场情况的复杂性和差异性，避免强太阳光、高湿度、高温、近海空气中的盐分对系统安装和操作的不利影响；第四，工作效率要求：完成全网一次采样的时间在5分钟以内，且采集的数据满足测量精度要求，设定的采样频率覆盖全天候24小时任意时间进行采样操作；第五，精度要求：U型渠构件接缝的变化情况，测量误差为0.01mm，温度测量误差为±1℃，湿度测量误差为±1.5％；第六：供电要求：变形精密监测系统正常运行期间，具备能源获取能力，并具备一定的能量储备能力，彻底摆脱传统布线或者人为更换电池的限制；第七：存储和兼容性要求：设备自身具有存储功能，具备在PC端的兼容性，检查人员能实时监控U型渠形变状态。

(二)硬件系统设计

硬件系统主要包括各类传感器、基于ZigBee协议的无线网络和上位机，三部分的主要设备包括：位移精密传感器、温湿度传感器、三轴机械安装装置、ZigBee网络系统、太阳能供电系统以及上位控制工控机，三轴机械安装装置直接安装在接缝两侧的U型构件的混凝土结构上，位移精密传感器则安置于三轴机械安装装置上，温湿度传感器以及太阳能供电系统安置在U型构件结点附近，而网络系统则布置于整个监测范围内，为形变数据和系统指令提供传输服务。

1.位移精密传感器设计

作为整套U型渠变形精密监测系统最核心的组件，位移精密传感器担当采集接缝位移量的高精度测量任务，位移精密传感器的质量与精密程度直接选择整套监测系统的精度与质量，所以位移精密传感器的设计尤为关键。

位移精密传感器采用数字位移精密传感器，主要由两部分元器件构成，一是差动变压器LVDT，二是电测仪，其结构由衔铁、铁心、首级线圈、次级线圈组成，如图2所示，在传感器内部布置一个初级线圈，并在内部左边和右边各布置一个次级线圈，且呈左右相对安装，当利用外接交流电给首级线圈供电后，两个相位相反链接的次级线圈产生相位相反的电压，它输出的电信号预期分离式铁芯的位移成正比。

差动变压器LVDT把目标位移量转变为电信号输出，结构简单、应用简便、生命周期长、动态特性好、工作可靠，直接用于测量物体之间的相对变位，能直接将信号送入计算机系统，其主要优点包括：一是无摩擦测量，差动变压器LVDT的核心铁芯与内部线圈之间无需直接接触；二是无限的机械寿命，数字式位移精密传感器无摩擦运转，整个传感器不产生任何的磨损，理论上LVDT的使用寿命没有限制，是一种高可靠性的位移测量装置；三是无限的分辨率，基于LVDT电感应以及其无摩擦的特性，差动变压器可达到极高的精度，对最小的铁芯动作做出响应并给出对应的信号输出；四是坚固耐用适用性强，数字式位移精密传感器使用的原材料以及处理工艺使它十分耐用，对线圈密封后，LVDT在任何困难环境下都可使用。

综合上述各项因素，本发明最终选择LVDT数字式位移精密传感器作为核心部件，经过多项对比，实施例挑选深圳信为科技公司的SDVH20长导轨回弹式位移精密传感器。

2.温湿度传感器

温湿度传感器是辅助采集监控结点附近物理形变参数的组件，经过多项对比，本发明采用数字式DHT11温湿度传感器，DHT11数字温湿度传感器数字输出信号已经经过精密校准，具有很高的精度和稳定性，DHT11的主要元器件为一个NTC测温部件和一个电阻式感湿部件，两个元器件与一部单片机相连，传感器出厂前进行精密鉴定室校准，校准得到的相关参数以程序的格式存在于DHT11的系统闪存中，DHT11每次使用在最终输出信号时都会提取使用这些校准参数。因此，DHT11数字温度传感器具有很小的体积、极低的功耗、超快的反映、较强的抗干扰能力以及低廉的价格。

3.三轴机械安装装置

电站U型渠是由一段一段的U型构件拼接而成的，因而U型渠的形变主要就是U型构件互相拼接的状况，即互相邻接的构件之间的接缝变化情况，不仅是简单的接缝宽窄变化的情况，还包括空间中其他两个相互垂直的方向的变化情况，相邻的U型构件之间的空间位置变化情况是三维的，而不是接缝宽度变化量所体现的一维变化情况。

因此，架构一套能够同时测量三个方向上的位移变化量的设备，根据U型构件接缝两侧是U型构件本身的混泥土结构，此外并没有其他可供固定的部位，因此必须架构的是固定在接缝两侧的一种同时能观测到三个方向相对位移的安装架性结构，支架分为两部分，即两块地板分别利用膨胀螺栓固定在左右接缝两侧的混泥土结构中，然后传感器的固定端分别固定在互相垂直方向的三个塑料夹持机构上，任何一个传感器的活动端的遮挡板一定固定在另一块固定板上，这样，便能获得互相垂直的三个方向的相对位移变化量。

4.ZigBee网络系统

本发明采用ZigBee协议作为无线监测网络组网协议，ZigBee板件采用德州仪器公司的CC2530，在内存、尺寸、RF性能等方面都有了重大改进，CC2530针对CC2430在实际使用中的不足进行了提升，缓存存储容量最多支持到256K，因此可不再因为存储容量不够而缩减代码，而且通信距离也增加到最大可达400m，不用再通过增加功放模块来扩展通信距离，也不用增加能量供给。

为了实现各种扩展功能，在CC2530的基础上，本发明还配备开发底板，开发底板搭载在CC2530核心芯片上，辅助实现各种功能扩展，配备开发底板具有以下特点：一是开发底板上接口丰富，许多通用的传感器插上能直接使用，摆脱传统芯片短路帽插拔的不便；二是采用的开发底板加CC2530核心板的组合架构，便于更换带PA发射模块或者板载天线模块；三是加装FT232RL转串口电路，方便数据与上位机的连接方便指令的发送和数据接收；四是引出CC2530核心板的所有IO口，方便调试与外接新的功能模块。

5.太阳能供电系统

为彻底摆脱传统布线或仍需人工更换电源的缺陷，设置太阳能供电系统，使整套监测系统获得自动获取储备太阳能的功能，太阳能供电系统分为三部分：一是太阳能电池组，变形精密监测系统每个结点由一个控制作用的ZigBee结点和三个数据采集作用的ZigBee结点以及与之相连的3个LVDT数字位移精密传感器组成，此外还有DHT11温湿度传感器一个，总功率很小，因此选用的太阳能电池组为5w12v单晶硅太阳能板；二是太阳能控制器，控制电池方阵队蓄电池充电和逆变负载供电的自动控制的设备，具备调节功率、负载控制、电气保护、过热短路过流保护，修正蓄电池的放电特性，实现准确放点控制；三是蓄电池，由于铅酸蓄电池体积较大，再加上单个结点所需电能很少，故选用锂电池。

根据系统实际需求，给每个结点的太阳能供电系统配备3块4.5V1200mA的锂离子充电电池，并且为了提高电压，将三块电池串联使用，即相当于配备一个13.5V3600mA的蓄电池组。

6.上位机

上位机和ZigBee无线传感网的协调器相连，是系统的控制终端和后期数据处理系统，完成指令发送、数据处理和数据存储，上位机要满足系统稳定性，处理高性能和数据存储的可靠性。权衡工控机的质量和成本因素，实施例采用新汉工控机产品。

(三)硬件系统搭建

硬件系统的搭建包括采集结点组装搭建、上位机控制端组装搭建和整个无线传感网搭建。

1.采集结点组装搭建

采集结点主要由LVDT位移精密传感器、温湿度传感器、ZigBee数据采集结点、ZigBee控制传输结点以及太阳能供电系统组成，如图3所示：粗线条代表电源正极，细线条代表电源负极，而虚线代表有线数据通讯链路，太阳能板受到太阳光的照射，隐含在单晶硅中的半导体光电二极管在受到太阳管的照射后会把光能转换为电能，产生电流，流向太阳能控制器，太阳能控制器随时监控锂电池中的电量，当蓄电池中的电量不满时，控制器允许来自太阳能板的电流流向蓄电池，让蓄电池蓄积电能，ZigBee控制传输结点是一直处于电源接通状态，来自蓄电池的供能持续供给该终端，虽然持续保持供电，但该终端绝大时间处于休眠状态，耗电量极低，而即使是被唤醒之后，其正常工作功率也很低，基本上不耗费蓄电池的供能，而控制端结点也会一直处于低功耗休眠状态，保证随时能接收上位机的指令，切换自身休眠与唤醒状态，随时使整个无线传感网变形精密监测网络工作起来。

控制功能的终端结点的底板上直接焊接好温湿度传感器的接口，故略去一个ZigBee数据采集结点，温湿度传感器DHT11直接连接到控制ZigBee结点上并利用该结点板上的电源供电，直接通过杜邦线与该结点进行数据交换。

位移精密传感器并不直接连通到控制ZigBee结点，主要原因是LVDT位移精密传感器的正常工作电压为9V，而控制功能的ZigBee结点底板上能提供的电压只有5V，不足以供给位移精密传感器正常工作，其次是因为LVDT位移精密传感器并不能进行休眠，一接通电源就持续处于工作状态，其功率并不低，耗能会比较高，因此在不需要正常工作时切断它的供电，降低整个系统的功耗，延长锂电池的续航时间，以免在长期阴雨天气下蓄电池电能耗尽。此外，ZigBee数据采集结点的底板经过改装，能直接通过RS485与数字式位移精密传感器相连接，也考虑到RS485是主流连接方式，便于以后添加更多功能的传感器组件，避免控制结点出现接口不够的情况。

ZigBee数据采集结点以及与之相连的LVDT数字式位移精密传感器通过RS485进行连接，进行数据交换，同时二者在不需要进行数据采集时不需要供电，即此三个ZigBee结点都不进行休眠，可直接切断电源处于关机的状态，与之相连的位移精密传感器在不需要进行数据采集的时候处于断路的状态，而ZigBee结点和与之相连的位移精密传感器从关机到上电开机并能正常工作所需的时间设置为25秒，因此在时间达到预设采样时间前1分钟的时候，ZigBee控制传输结点控制连接在其底板上的继电器，接通ZigBee数据采集结点以及LVDT位移精密传感器的电源，在确认其正常工作后，系统预设数据采集的时间给网络系统发送采样指令，位移精密传感器做出响应反馈位移变化量信息。

2.上位机组装

上位机最主要的组件是新汉NISE103工控机，主要负责监视整个ZigBee无线传感网，向网络广播发送相关指令，收集反馈信息并处理得到的几何变形参数与相关物理参数，综合处理后得到报告并通过4G/5G网络发送给指定人员。具体电路连接如图4所示，ZigBee协调器一与ZigBee协调器二分别通过串口RS485连接到工控机上，选择两个协调器是因为每个采集结点拥有两种类型的ZigBee模块，一是ZigBee控制传输结点，另一种与位移精密传感器相连的ZigBee数据采集结点，这两种结点分别位于不同的网段，ZigBee控制传输结点仅负责控制功能，而ZigBee数据采集结点更便于与各种各样的功能各异的传感器相连，便于系统扩展，整个区域内存在两个不同网段的ZigBee无线网，所以需要两个协调器。

ZigBee协调器一负责与整个无线传感网中所有的ZigBee控制传输结点相连，组成一个控制网络，上位机发出的任何指令都将通过协调器一发送至整个网络中的控制器，这些指令包括ZigBee控制结点的唤醒与休眠，温湿度传感器数据采集指令，继电器开关指令，对应的反馈信息也会通过协调器一发送给上位机，以便上位机掌握整个网络状态。

ZigBee协调器二负责与整个无线传感网中的所有的采集终端结点组成数据采集传输网络，负责除DHT11以外的传感器，主要指LVDT数字式位移精密传感器相连，由上位机发布的位移采集指令通过ZigBee协调器二广播发布给所有ZigBee数据采集结点，然后控制LVDT位移精密传感器采集位移变化几何数据信息，传感器反馈的数据信息通过ZigBee协调器二发回给上位机。

3.ZigBee无线网络的组建

本发明无线传感网选用ZigBee网络拓扑结构是网状拓扑结构，包含一个协调器与若干个路由器以及若干个终端结点，路由结点可以相互通信，网状网具有强大的自组建自愈功能，即使某个通信链路出现问题，数据信息也能自动切换到其他路线上传输。

三、变形精密监测系统的软件模块

(一)软件模块需求分析

1.软件需求分析

根据系统的总体架构和硬件设计的相关情况，系统软件分为三部分并与之对应的硬件系统功能相适应，硬件系统的设计已实现采集要求精度、频率功能要求，但硬件的正常运行还受上位机采集监控软件和芯片片上系统的控制，确保在正确的时间采集所需数据，软件控制传感器采集形变的几何数据和相关的物理参数并通过ZigBee网络系统将数据传输回上位机的数据库存储备份，因此硬件系统需要对应的采集监控软件实现对硬件的控制，系统软件需求分析包括：

第一，DHT11温湿度传感器实现正常采集温度与湿度信息，基于DHT11的指令形式，并通过ZigBee模块实现对其控制，包括GPIO的相关配置和相关寄存器的使用，并能通过ZigBee网络发送DHT11的温湿度信息给上位机；第二，LVDT数字式位移精密传感器实现正常采集位移量变化的信息，基于Soway公司的LVDT数字位移精密传感器的通讯协议形式，通过ZigBee模块实现对其控制，包括GPIO的相关配置和相关寄存器的配置使用，通过ZigBee网络发送LVDT的位移量变化信息给上位机；第三，实现对采集ZigBee网络和与该网络相连的位移精密传感器的上断电操作，实现ZigBee结点对继电器的控制；第四，实现ZigBee控制传输网络与ZigBee数据采集网络的自组建与透明传输功能；第五，实现太阳能控制器上各项功能，包括自动检测锂电池电量，在其电量不足时自动充电，并防止过度充电，在蓄电池有负载之后，停止充电过程，并监测负载状况；第六，实现上位机上的监测控制软件上的各种功能，包括各种指令的发布，网络返回的形变几何与物理参数信息的接收处理显示，按照预设频率与时间点进行数据采集并存储，并在预设的时间对数据采集进行处理后生成日报、周报或者月报的形式通过网络发送给指定人员。

2.系统数据库需求分析

本发明采用SQL Lite建立系统数据库，存储监测点信息、时间信息、温湿度信息和位移信息，系统数据库分为项目管理信息数据库与传感器工程数据库，项目管理信息数据库管理工程项目相关信息；传感器工程数据库管理ZigBee结点地址、传感器地址、温湿度信息和各个方向上的位移信息。

(二)数据采集监控软件

数据采集监控软件配合变形精密监测网络系统硬件系统的使用，确保在满足采集精度的前提下，尽量减少人工干预形变数据信息采集过程，实现变形精密监测的自动化，根据硬件系统的要求，数据采集监控软件分为四个模块：温湿度采集控制模块、位移数据采集控制模块、太阳能系统控制模块与ZigBee数据传输模块。

1.嵌入式开发环境的搭建

本发明采用IAR Embedded Workbench单片机微处理器集成开发环境，嵌入式IAREmbedded Workbench IDE提供一个开发框架，任何相关的工具都可以嵌入其中，这些工具具体包括：一是高度优化的IAR AVR C/C++编译器，二是AVR IAR汇编器，三是通用IARXLINK Linker，四是IAR XAR库创建器和IAR XLIB Librarian；五是编辑器，六是工程管理器，七是TM IAR C-SPY调试器；

除IAR的安装以外，安装SmartRF Flash Programmer和仿真器，通过闪存编辑器对低功率射频片上系统的闪存进行编程，此外，安装ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0协议栈，安装ZigBee Sensor Monitor网络监视器；完成基于CC2530芯片的ZigBee开发系统构建。

2.串口通讯的配置与使用

本发明使用的ZigBee底板上配置FT232串口转换芯片，实现USB到串行UART接口的快速转换，P0_2、P0_3配置为外设功能时：P0_2为RX，P0_3为TX.USART0和USART1串行通信接口，它们各自启用异步UART通信模式或同步SPI通信模式，两个串行接口安排在单独的I/O引脚。

同时，跟串口通讯相关的寄存器有UxGCR、UxCSR、UxCSR、UxBUF、CLKCONCMD、UxBAUD、CLKCONSTA，由寄存器UxBAUD.BAUD_M[7：0]和UxGCR.BAUD_E[4：0]定义波特率，对CC2530配置串口的步骤为：

第一步，配置IO，使用外部设备功能，配置P0_2和P0_3用作串口UART0；

第二步，配置对应串口的控制及状态寄存器；

第三步，配置串口工作的波特率。

每个ZigBee程序的编写都需要对串口进行配置，只有进行过串口配置，才能在终端与终端之间，末梢与协调器之间以及协调器与上位机之间进行数据信息通讯。

3.温湿度采集控制模块

DHT11数字温湿度传感器按照3V3接模块VCC、GND接模块的GND、P07接到模块数据输出脚连接DHT11与ZigBee底板，然后进行嵌入式程序开发即可使用，DHT11程序采用模块化编程，只需调用温度函数读取即可，首先设置DHT11的IO口，通过语句P0SEL&＝0x7f实现，然后在DHT11.c的头文件中定义DATA_PINP0_7，通过该函数自动获得DHT11数字温湿度传感器采集到的温湿度信息，通过串口上传给协调器与上位机。

4.太阳能系统控制模块

虽然太阳能系统中已具备一系列功能，但缺乏对负载的供电精确控制能力，仅依靠太阳能控制器中的时钟很难解决供电与系统中其他组件的同步问题，本发明的解决方案是使用继电器，利用ZigBee板件上的小电流去控制位移采集组件大电流的开与关，具体实现方式是在ZigBee数据采集板件上加装继电器，再利用嵌入式程序控制该继电器，将继电器安装控制传输ZigBee底板上的J9安装座上，使用P0.4口作为继电器的信号输入端，高电平时继电器断开，低电平时继电器吸合，即通过P0.4的高低电平控制位移精密传感器的开与关，相关程序为：首先配置与板件相连的继电器IO引脚，定义P0.4为信号出入口；其次，利用P0.4的高低电平来控制相关组件的开关，控制位移精密传感器的供电。

5.位移数据采集控制模块

本发明的位移精密传感器是LVDT数字式传感器，通信方式为半双工模式，只有接收到上位机的有效指令消息后，传感器才会向上位机发送包含位移变化量信息的反馈消息，而没有收到指令的空闲状态时，则一直被动等待上位机的指令消息。因此对于位移精密传感器的使用是通过ZigBee无线网络让上位机的有效指令消息到达每一个位移精密传感器，并能把位移精密传感器反馈的位移数据通过该ZigBee网络发送回上位机，供上位机处理和存储，而Soway位移精密传感器的信息传输采用8位数据位传输，并伴有偶校验方式，波特率为9600bps，对于位移精密传感器的使用，设置一个ZigBee透明传输程序，结点与结点之间、结点与中继或结点与路由之间使用2.4G的ZigBee无线网络进行传输，而协调器与上位机、位移精密传感器与终端结点之间则利用RS485串口UART进行连接，实现数据点对点的无线透明传输，把具有无线透明传输功能的ZigBee模块视为无线串口，其具体实现为：

步骤一，上电初始化：上电后，各层函数执行，进入osalInitTasks(void)，执行初始化，SerialApp_Init(taskID)最后进入应用层；判断数据来源，若为ZDO层，则执行SerialApp_ProcessZDOMsgs函数，若为按键事件，则执行SerialApp_HandleKeys函数，若为AF层数据来源，即接收到无线数据事件，则执行SerialApp_ProcessMSGCmd函数；

步骤二，数据接收的处理：在触发AF层接收数据事件后，SerialApp_ProcessMSGCmd函数中判断数据簇，若为SERIALAPP_CLUSTERID1簇，进行数据的序列判断，若正确，则将数据写入串口，利用下列串口操作函数：

HalUARTWrite(SERIAL_APP_PORT,pkt->cmd.Data+1,(pkt->cmd.DataLength-1))；

步骤三，数据串口发送：由上位机传输的数据存放于otaBuf中，利用函数rxcB进行数据发送的事件触发，串口配置中uartConfig.callBackFunc＝rxCB；即当串口出现数据时，调用rxcB函数，触发osal_set_event(SerialApp_TaskID,SERIALAPP_MSG_SEND_EVT)；发送事件，进而SerialApp_SendData(otaBuf,otaLen)；

步骤四，AF_DataRequest()函数发送：参数(afAddrType_t*dstAddr,endPointDesc_t*srcEP,uint16CID,uint16len,uint8*buf,uint8*transID,uint8options,uint8radius)(地址和发送模式，端点描述，簇，字节数，数据，传输序列号，选项，最大半径(发送的跳数))，利用广播模式发送，尽快将指令发送给每一个位移精密传感器并快速得到所有传感器反馈的位移信息。

(三)上位机软件

上位机软件包含采集控制模块、形变数据处理模块和报告预警三个模块，采集控制模块负责整套无线传感网系统对U型渠变形精密监测采样时间、频率的控制；形变数据处理模块负责接收和处理无线传感网反馈的各项形变的几何数据信息和物理参数；报告预警模块根据每天采集的形变数据信息生成报告并通过电子邮件的形式发送给指定人员。

1.采集控制模块

上位机直接与ZigBee协调器一、二相连，采用串口通讯的方式给协调器发送有效指令，然后协调器将指令在ZigBee无线网中广播发送到每个终端结点，利用内部参数和硬件资源都已标准化的ZigBee无线模块，访问和控制ZigBee模块上附带的各种组件，完成数据的传递、参数的访问。组件的控制和反馈参数的获取都采用帧格式的报文，所有帧都以3A标记为开始，所有控制结点的地址都设定为4位短地址，功能码已预先设定好，有两位的16进制数组成，报文的最后都以23结束，在上位机程序中，利用C#串口通讯在预设的时间将预定指令发送给协调器，协调器再将这些指令发送给整个系统中的其他结点。

2.形变数据处理模块

上位机的形变数据处理模块在接收各个监测结点的数据后进行可视化显示，同时将这些数据存储到上位机的数据库中，温湿度数据和位移数据的可视化显示依靠Iocomp工业控件实现，Iocomp.NET WinForm控件是由C#语言编写、集成GDI+的各项优点的专业仪表盘控件工具集，自带简单快捷的属性编辑器提供强大的属性配置方案，系统正常运行监测后，其温度可视化界面如图5，每次每个结点位置采集的实时温度情况由图中的温度计予以显示，图中总共显示了三个结点的温度信息，此外还会对每天该结点监测到的温度数据中的最大最小值予以显示，辅助更好的了解该结点处温度变化，湿度采集界面类似于温度信息的显示。

对于系统最关注的U型构件相对位移变化信息，每个结点予以单独显示，显示的小数位和Soway公司LVDT数字式位移传感器达到一样的精度，每个结点共计有互相垂直的三个方向的位移量，也都分开显示，除实时显示每个方向的位移值外，还显示从监测项目开始到当前时间的最大正位移量与负位移量的差值，即从开始到当前时间的最大位移偏移量，此外绘制连续若干次获取数据的历史变化曲线，其中，坐标轴的纵坐标为位移变化量，横轴为测量测次数。位移采集界面如图6所示。

四、发明点总结

U型渠安全问题是电站U型渠保持健康稳定状态的关键因素，U型渠物理结构的稳定性是防止发生U型渠安全事故的重要保障，因此U型渠在役前和在役期间均需要进行变形精密监测，主要方式是通过变形精密监测来验证U型渠的结构强度符合标准，确保U型渠的安全运行。现有技术传统的人工检测、仪器监测等手段效率低，准确性得不到保证，且无法对形变数据信息进行有效管理和长期演变评估，因此U型渠健康监测成为当前亟待解决的问题，本发明提出基于ZigBee组网的无线传感器变形精密监测网络系统，主要包括：

第一，根据电站U型渠的环境与建筑特点，针对不利的环境条件提出对应解决方案，对系统需求进行详细分析，一是工作时间要求，尤其是变形精密监测的稳定性与长期性，每天必须达到一定的监测取样数据频率；二是精度要求，对于重点关注的U型构件接缝，监测精度必须达到0.01mm；三是传输与存储要求，形变数据信息量不大，但必须保证数据传输存储的准确度；长期监测积累数据量巨大，物理存储空间也需得到保证；四是引入太阳能供能，彻底摆脱布线的限制，实现长期稳定的跟踪监测。在上述系统分析的基础上，提出了基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统的总体架构，其中包括硬件系统与软件模块。

第二，针对变形精密监测系统的硬件系统，结合监测要求和工作环境特点，提出了硬件系统需满足的要求，对硬件系统的各设备组件进行研发设计，主要包括：数字式LVDT位移精密传感器与三轴安装架的组合，主要位移精密传感器的最小分辨率与所测位移的方向，通过设备设计与架构布置，确保能监测相邻U型构件接缝三个互相垂直方向的相对位移变化情况，同时精度能达到0.01mm；太阳能供电系统确保系统不需要外接电源而仅依靠太阳能蓄电池系统进行供电，摆脱传统限制；温度与湿度信息的采集选用DHT11数字式传感器，确保形变物理参数获取的精度；无线网络通讯系统采用ZigBee短距离无线通讯协议。

第三，提出硬件系统的工作流程和变形精密监测方案，通过多个位移精密传感器与温湿度传感器同时采集，在太阳能供电系统的辅助下，获得完整而精确的U型渠形变的几何数据信息和物理参数信息。

第四，根据系统功能架构与硬件选材，对软件模块进行需求分析与模块设计，包括各软件功能以及数据库，软件模块主要包括：一是数据采集监控软件，配合硬件系统使用，实现形变数据采集的自动化，确保数据采集符合精度与频率要求，主要包括温湿度采集控制模块、位移数据采集控制模块、太阳能系统控制模块与ZigBee数据传输模块，这些模块都是片上系统模块，即都是嵌入安装到ZigBee芯片上的程序；二是上位机软件，安装到工控机上配合硬件系统使用，包括采集控制模块，通过与工控机相连的ZigBee协调器发送有效指令给各个终端并自动接收各个终端反馈的数据信息，还包括形变数据处理模块和报告预警模块。

第五，根据无线传感网变形精密监测中数据采集采样率和数据分析的要求，确定整个网络中每个无线传感器结点所需的时间同步的精度要求，考察ZigBee结点内部晶体振荡器的时钟稳定度，分析监测网络中所能提供的理论时钟同步精度后，本发明放弃使用ZigBee芯片里的时钟，而采用上位机统一唤醒ZigBee模块并发布各项指令，同时同步接收采集到的各项数据，整个系统只采用上位机上的时间，而ZigBee网络的延时极短，这样便解决了传感器网络时间同步问题。

Claims (10)

1.基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，其特征在于，基于ZigBee协议的无线传感网U型渠变形精密监测系统主要由硬件系统和对应的软件模块组成，硬件系统主要包括ZigBee控制传输结点、ZigBee数据采集结点、温湿度传感器、位移精密传感器和相适应的三轴安装架，太阳能板和配套的锂电池，以及上位机；而系统的软件模块又分为二部分，一部分是上位机对应软件，主要是根据网络同步时间给整个无线传感网发布指令，选择休眠或者唤醒整个系统，选择是否给传感器上电，同时收集处理整个无线传感网搜集的几何形变数据信息和相关的物理参数；另一部分是嵌入到ZigBee结点上的程序，主要为等待上位机的指令，并转发到ZigBee终端，让传感器采集所需的几何数据信息与物理信息，然后将采集到的数据信息搜集并反馈到上位机；

基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统主要包括：

第一，根据电站U型渠的环境与建筑的不利条件提出对应解决方案，系统需求包括，一是工作时间要求，基于变形精密监测的稳定性与长期性，每天必须达到一定的监测取样数据频率；二是精度要求，对于重点关注的U型构件接缝，监测精度必须达到0.01mm；三是传输与存储要求，保证数据传输存储的准确度，长期监测积累数据量巨大，物理存储空间也需得到保证；四是引入太阳能供能，彻底摆脱布线的限制，实现长期稳定的跟踪监测；

第二，对硬件系统的各设备组件进行研发设计，主要包括：数字式LVDT位移精密传感器与三轴安装架的组合，主要位移精密传感器的最小分辨率与所测位移的方向，通过设备设计与架构布置，确保能监测相邻U型构件接缝三个互相垂直方向的相对位移变化情况，同时精度能达到0.01mm；太阳能供电系统确保系统不需要外接电源而仅依靠太阳能蓄电池系统进行供电；温度与湿度信息的采集选用DHT11数字式传感器，确保形变物理参数获取的精度；无线网络通讯系统采用ZigBee短距离无线通讯协议；

第三，提出硬件系统的工作流程和变形精密监测方案，通过多个位移精密传感器与温湿度传感器同时采集，在太阳能供电系统的辅助下，获得完整而精确的U型渠形变的几何数据信息和物理参数信息；

第四，根据系统功能架构与硬件选材，对软件模块进行需求分析与模块设计，包括各软件功能以及数据库，软件模块主要包括：一是数据采集监控软件，配合硬件系统使用，实现形变数据采集的自动化，确保数据采集符合精度与频率要求，主要包括温湿度采集控制模块、位移数据采集控制模块、太阳能系统控制模块与ZigBee数据传输模块，这些模块都是片上系统模块，即都是嵌入安装到ZigBee芯片上的程序；二是上位机软件，安装到工控机上配合硬件系统使用，包括采集控制模块，通过与工控机相连的ZigBee协调器发送有效指令给各个终端并自动接收各个终端反馈的数据信息，还包括形变数据处理模块和报告预警模块；

第五，根据无线传感网变形精密监测中数据采集采样率和数据分析的要求，确定整个网络中每个无线传感器结点所需的时间同步的精度要求，考察ZigBee结点内部晶体振荡器的时钟稳定度，分析监测网络中所能提供的理论时钟同步精度后，采用上位机统一唤醒ZigBee模块并发布各项指令，同时同步接收采集到的各项数据，整个系统只采用上位机上的时间，而ZigBee网络的延时极短，解决传感器网络时间同步问题；

本发明主要工作流程为：第一，太阳能板以及配套的锂电池在电池能量不足的情况下，自动开启充电模式，随时保证蓄电池的电量处于饱和状态；第二，当上位机时间到达预设的数据采集时间时，上位机发送指令，唤醒ZigBee模块，并打开电能供给系统，给传感器和与之配对的ZigBee工业级结点上电，开机正常后反馈信息给上位机；第三，上位机发布信息采集指令，通过ZigBee网络将指令发送给各个ZigBee结点模块和对应的传感器；第四，位移精密传感器和温湿度传感器在接收到上位机的指令后，将采集到的数据通过网络系统反馈回上位机；第五，上位机将反馈回来的数据解析、处理并存储，然后在每天预设的时间将这些信息汇总生成报告并通过4G/5G网络发送给指定人员；第六，如果在监测过程中出现异常值，系统上位机将以短信/微信或者紧急邮件的形式将预警信息发送给指定人员；

变形监测系统的硬件系统：主要包括数据信息采集模块、网络传输模块、电能供给模块、计算机模块；

数据信息采集模块：由位移精密传感器以及对应的三轴机械夹持装置组成，位移精密传感器采集U型渠U型结构块之间的空间位置的相对变化情况，此外还有温湿度传感器，采集终端结点附近的温度湿度数据；

网络传输模块：基于ZigBee协议的无线网络系统，主要由ZigBee结点构成，负责整套监测系统的数据传输，发送上位机发布的指令以及收集终端结点传感器采集到的形变数据；

电能供给模块：基于太阳能板以及锂电池的能量系统，负责每个传感器网络中每个终端结点的电能供给，保证ZigBee模块的和各个传感器的电能供给，利用清洁能源使终端结点摆脱对传统布线的依赖；

计算机模块：主要包括上位机，包含一台工控机以及附属的4G/5G无线网络模块，上位机发布指令和收集汇总几何物理信息，自动生成报告并发送给该系统的管理者；

变形监测系统的软件模块：包括两大模块，一是安装于上位机的控制软件，负责发布指令、收集处理信息以及生成并发送报告；二是嵌入到ZigBee模块上的软件，负责接收转发上位机的指令，启动传感器，接收并回传反馈信息，同时实现预设的太阳能系统的能量管理策略。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，其特征在于，变形精密监测系统的硬件系统的核心是传感器，主要包括数字式LVDT位移精密传感器以及采集物理参数的温湿度传感器，把三个位移精密传感器互相垂直装配于特制的金属夹持结构上，在一系列软硬件配合下对U型渠构件接缝处进行相对位移参数的采集并获取对应的温湿度物理参数，通过ZigBee网络系统将采集的几何形变参数与物理参数传输回上位机，之后再经过数据处理软件，汇总出接缝变化信息，包括接缝宽度变化量、U型构建在空间其他两个方向的变化量，最后给出关于接缝变化情况的技术报告，为U型渠的结构安全情况提供参考；

U型渠变形精密监测的第一步是对监测对象形变数据的获取、传输和存储，外界数据主要包括硬件系统采集获得的U型渠构件相对空间位置变化情况和U型构件接缝所在位置的物理属性，其中最重要的数据为U型构件空间位置相对变化情况，通过对U型构件接缝的变化情况监测获得，变形精密监测依靠位移精密传感器，利用软件对位移精密传感器的自动控制完成对U型渠构件接缝情况的实时获取，采集到的变化情况通过自主编写的软件进行处理，实现对接缝的量测和监测，并根据需求生成监测报告，并根据实际情况让管理人员选择是否采取预警或者修复措施，实现从形变量采集、形变量测到统计报告的一整套自动监测工作，本发明基于ZigBee的无线传感网形变监测系统在每个监测结点加装太阳能供电系统，利用锂电池储备太阳能，以备长期阴雨天气下系统正常运转，摆脱对传统布线或者更换电池的限制。

3.根据权利要求1所述的基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，其特征在于，三轴机械安装装置：架构一套能够同时测量三个方向上的位移变化量的设备，根据U型构件接缝两侧是U型构件本身的混泥土结构，必须架构的是固定在接缝两侧的一种同时能观测到三个方向相对位移的安装架性结构，支架分为两部分，即两块地板分别利用膨胀螺栓固定在左右接缝两侧的混泥土结构中，然后传感器的固定端分别固定在互相垂直方向的三个塑料夹持机构上，任何一个传感器的活动端的遮挡板一定固定在另一块固定板上，获得互相垂直的三个方向的相对位移变化量。

4.根据权利要求1所述的基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，其特征在于，太阳能供电系统分为三部分：一是太阳能电池组，变形精密监测系统每个结点由一个控制作用的ZigBee结点和三个数据采集作用的ZigBee结点以及与之相连的3个LVDT数字位移精密传感器组成，此外还有DHT11温湿度传感器一个，总功率很小，因此选用的太阳能电池组为5w12v单晶硅太阳能板；二是太阳能控制器，控制电池方阵队蓄电池充电和逆变负载供电的自动控制的设备，具备调节功率、负载控制、电气保护、过热短路过流保护，修正蓄电池的放电特性，实现准确放点控制；三是蓄电池，由于铅酸蓄电池体积较大，再加上单个结点所需电能很少，故选用锂电池；

根据系统实际需求，给每个结点的太阳能供电系统配备3块4.5V1200mA的锂离子充电电池，并且为了提高电压，将三块电池串联使用，即相当于配备一个13.5V3600mA的蓄电池组。

5.根据权利要求1所述的基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，其特征在于，采集结点组装搭建：控制功能的终端结点的底板上直接焊接好温湿度传感器的接口，故略去一个ZigBee数据采集结点，温湿度传感器DHT11直接连接到控制ZigBee结点上并利用该结点板上的电源供电，直接通过杜邦线与该结点进行数据交换；

位移精密传感器并不直接连通到控制ZigBee结点，ZigBee数据采集结点的底板经过改装，直接通过RS485与数字式位移精密传感器相连接，便于以后添加更多功能的传感器组件；

ZigBee数据采集结点以及与之相连的LVDT数字式位移精密传感器通过RS485进行连接，进行数据交换，同时二者在不需要进行数据采集时不需要供电，即此三个ZigBee结点都不进行休眠，可直接切断电源处于关机的状态，与之相连的位移精密传感器在不需要进行数据采集的时候处于断路的状态，而ZigBee结点和与之相连的位移精密传感器从关机到上电开机并能正常工作所需的时间设置为25秒，因此在时间达到预设采样时间前1分钟的时候，ZigBee控制传输结点控制连接在其底板上的继电器，接通ZigBee数据采集结点以及LVDT位移精密传感器的电源，在确认其正常工作后，系统预设数据采集的时间给网络系统发送采样指令，位移精密传感器做出响应反馈位移变化量信息。

6.根据权利要求1所述的基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，其特征在于，上位机组装：上位机最主要的组件是新汉NISE103工控机，主要负责监视整个ZigBee无线传感网，向网络广播发送相关指令，收集反馈信息并处理得到的几何变形参数与相关物理参数，综合处理后得到报告并通过4G/5G网络发送给指定人员，ZigBee协调器一与ZigBee协调器二分别通过串口RS485连接到工控机上，选择两个协调器是因为每个采集结点拥有两种类型的ZigBee模块，一是ZigBee控制传输结点，另一种与位移精密传感器相连的ZigBee数据采集结点，这两种结点分别位于不同的网段，ZigBee控制传输结点仅负责控制功能，而ZigBee数据采集结点更便于与各种各样的功能各异的传感器相连，便于系统扩展，整个区域内存在两个不同网段的ZigBee无线网；

ZigBee协调器一负责与整个无线传感网中所有的ZigBee控制传输结点相连，组成一个控制网络，上位机发出的任何指令都将通过协调器一发送至整个网络中的控制器，这些指令包括ZigBee控制结点的唤醒与休眠，温湿度传感器数据采集指令，继电器开关指令，对应的反馈信息也会通过协调器一发送给上位机，以便上位机掌握整个网络状态；

ZigBee协调器二负责与整个无线传感网中的所有的采集终端结点组成数据采集传输网络，负责除DHT11以外的传感器，主要指LVDT数字式位移精密传感器相连，由上位机发布的位移采集指令通过ZigBee协调器二广播发布给所有ZigBee数据采集结点，然后控制LVDT位移精密传感器采集位移变化几何数据信息，传感器反馈的数据信息通过ZigBee协调器二发回给上位机。

7.根据权利要求1所述的基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，其特征在于，串口通讯的配置与使用：采用ZigBee底板上配置FT232串口转换芯片，实现USB到串行UART接口的快速转换，P0_2、P0_3配置为外设功能时：P0_2为RX，P0_3为TX.USART0和USART1串行通信接口，它们各自启用异步UART通信模式或同步SPI通信模式，两个串行接口安排在单独的I/O引脚；

同时，跟串口通讯相关的寄存器有UxGCR、UxCSR、UxCSR、UxBUF、CLKCONCMD、UxBAUD、CLKCONSTA，由寄存器UxBAUD.BAUD_M[7：0]和UxGCR.BAUD_E[4：0]定义波特率，对CC2530配置串口的步骤为：

第一步，配置IO，使用外部设备功能，配置P0_2和P0_3用作串口UART0；

第二步，配置对应串口的控制及状态寄存器；

第三步，配置串口工作的波特率；

每个ZigBee程序的编写都需要对串口进行配置，只有进行过串口配置，才能在终端与终端之间，末梢与协调器之间以及协调器与上位机之间进行数据信息通讯；

温湿度采集控制模块：DHT11数字温湿度传感器按照3V3接模块VCC、GND接模块的GND、P07接到模块数据输出脚连接DHT11与ZigBee底板，然后进行嵌入式程序开发即可使用，DHT11程序采用模块化编程，只需调用温度函数读取即可，首先设置DHT11的IO口，通过语句P0SEL&＝0x7f实现，然后在DHT11.c的头文件中定义DATA_PINP0_7，通过该函数自动获得DHT11数字温湿度传感器采集到的温湿度信息，通过串口上传给协调器与上位机。

8.根据权利要求1所述的基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，其特征在于，太阳能系统控制模块：依靠太阳能控制器中的时钟很难解决供电与系统中其他组件的同步问题，本发明的解决方案是使用继电器，利用ZigBee板件上的小电流去控制位移采集组件大电流的开与关，具体实现方式是在ZigBee数据采集板件上加装继电器，再利用嵌入式程序控制该继电器，将继电器安装控制传输ZigBee底板上的J9安装座上，使用P0.4口作为继电器的信号输入端，高电平时继电器断开，低电平时继电器吸合，即通过P0.4的高低电平控制位移精密传感器的开与关，相关程序为：首先配置与板件相连的继电器IO引脚，定义P0.4为信号出入口；其次，利用P0.4的高低电平来控制相关组件的开关，控制位移精密传感器的供电。

9.根据权利要求1所述的基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，其特征在于，位移数据采集控制模块：对于位移精密传感器的使用是通过ZigBee无线网络让上位机的有效指令消息到达每一个位移精密传感器，并能把位移精密传感器反馈的位移数据通过该ZigBee网络发送回上位机，供上位机处理和存储，Soway位移精密传感器的信息传输采用8位数据位传输，并伴有偶校验方式，波特率为9600bps，对于位移精密传感器的使用，设置一个ZigBee透明传输程序，结点与结点之间、结点与中继或结点与路由之间使用2.4G的ZigBee无线网络进行传输，而协调器与上位机、位移精密传感器与终端结点之间则利用RS485串口UART进行连接，实现数据点对点的无线透明传输，把具有无线透明传输功能的ZigBee模块视为无线串口，其具体实现为：

步骤一，上电初始化：上电后，各层函数执行，进入osalInitTasks(void)，执行初始化，SerialApp_Init(taskID)最后进入应用层；判断数据来源，若为ZDO层，则执行SerialApp_ProcessZDOMsgs函数，若为按键事件，则执行SerialApp_HandleKeys函数，若为AF层数据来源，即接收到无线数据事件，则执行SerialApp_ProcessMSGCmd函数；

步骤二，数据接收的处理：在触发AF层接收数据事件后，SerialApp_ProcessMSGCmd函数中判断数据簇，若为SERIALAPP_CLUSTERID1簇，进行数据的序列判断，若正确，则将数据写入串口，利用下列串口操作函数：

HalUARTWrite(SERIAL_APP_PORT,pkt->cmd.Data+1,(pkt->cmd.DataLength-1))；

步骤三，数据串口发送：由上位机传输的数据存放于otaBuf中，利用函数rxcB进行数据发送的事件触发，串口配置中uartConfig.callBackFunc＝rxCB；即当串口出现数据时，调用rxcB函数，触发osal_set_event(SerialApp_TaskID,SERIALAPP_MSG_SEND_EVT)；发送事件，进而SerialApp_SendData(otaBuf,otaLen)；

步骤四，AF_DataRequest()函数发送：参数(afAddrType_t*dstAddr,endPointDesc_t*srcEP,uint16CID,uint16len,uint8*buf,uint8*transID,uint8options,uint8radius)(地址和发送模式，端点描述，簇，字节数，数据，传输序列号，选项，最大半径(发送的跳数))，利用广播模式发送，尽快将指令发送给每一个位移精密传感器并快速得到所有传感器反馈的位移信息。

10.根据权利要求1所述的基于无线传感网的U型渠变形精密监测系统，其特征在于，上位机软件包含采集控制模块、形变数据处理模块和报告预警三个模块，采集控制模块负责整套无线传感网系统对U型渠变形精密监测采样时间、频率的控制；形变数据处理模块负责接收和处理无线传感网反馈的各项形变的几何数据信息和物理参数；报告预警模块根据每天采集的形变数据信息生成报告并通过电子邮件的形式发送给指定人员；

采集控制模块：上位机直接与ZigBee协调器一、二相连，采用串口通讯的方式给协调器发送有效指令，然后协调器将指令在ZigBee无线网中广播发送到每个终端结点，利用内部参数和硬件资源都已标准化的ZigBee无线模块，访问和控制ZigBee模块上附带的各种组件，完成数据的传递、参数的访问；组件的控制和反馈参数的获取都采用帧格式的报文，所有帧都以3A标记为开始，所有控制结点的地址都设定为4位短地址，功能码已预先设定好，有两位的16进制数组成，报文的最后都以23结束，在上位机程序中，利用C#串口通讯在预设的时间将预定指令发送给协调器，协调器再将这些指令发送给整个系统中的其他结点。

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