CN202524431U - 基于zigbee无线网络的灌浆监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于zigbee无线网络的灌浆监测系统，包括数据采集器、数据处理器和用于将灌浆监测检测数据集中输出的数据集中器，数据采集器包括相互连接的传感器单元和zigbee节点，数据处理器包括相互连接的中央处理模块和zigbee路由，数据集中器包括用于zigbee无线网络组网的zigbee协调器，zigbee协调器分别与zigbee节点、zigbee路由通过zigbee无线网络相连，zigbee节点与zigbee路由通过zigbee无线网络相连。本实用新型具有数据传输稳定实时、传输安全可靠、功率低、成本低、适用范围广的优点。

Description

基于zigbee无线网络的灌浆监测系统

技术领域

本实用新型涉及建筑施工灌浆监测设备领域，特指一种水电（大坝、堤防、水库、电站）、交通（公路、铁路、隧道、桥梁、港口、机场）、建筑（地上、地下、人防）、采矿(采油、采煤)等工程建设中用于实时数据采集及处理的灌浆监测系统。

背景技术

对于多数基于工程建设中的无线组网技术主要应用集中在高速率和长传输距离方面，而低速率应用一直较少关注，但这并不意味着低速率应用不重要。事实上，低速率网络和高速率网络一样在工业生产和日常生活都有着广泛的应用。在许多应用中，系统所要传输的数据通常为小量的突发信号，即数据特征为数据量小，要求进行实时传送，如采用传统的无线通信技术，虽然能满足上述要求，但是存在组网复杂，成本高和功耗大等问题，人们希望有一种低复杂度，成本低和功能小的无线接入技术。在灌浆监测过程中可以实时监测工程灌浆，防止灌浆中出现虚灌、漏灌等过程问题。实时数据监测是影响工程施工质量整体监控的重要因素，工程监控既关系到整个工程质量又是建成后能否正常健康运转的重要条件，而工程施工实时数据监测是保证工程质量优劣的重要监控之一，施工过程中有各种因素直接影响到工程质量，而施工实时数据监测则是保证工程过程中施工质量最直接管控的手段。为提升施工质量及减少工程的不正常施工影响，保证工程质量及有效的提高工作效率，就迫切要求实时数据传输和监控的创新。

zigbee作为无线传感器网络支撑技术，由大量分布广泛的微小传感器通过无线电连接形成一个组网，这些传感器以微小的能量通过接力的方式将数据从一个节点传到下一个节点，具有很高的通信效率。zigbee可以应用于各种环境下并整合到多样产品中，正朝开放的方向发展制定标准规范。zigbee依据IEEE802.15.4标准，工作在公共的2.4GHz ISM频率上，在节点间进行无线电波数据传输只需要极少的能量，具有低功耗的优点。zigbee无线网络一般协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，此外，zigbee还可与其它网络融合，实现指定范围内目标的检测或者控制，实现无所不在的网络。例如通过Internet监控异地的一个zigbee控制网络。与长距离无线通信技术相比，zigbee侧重低功耗和广分布性，对速率要求不高，它通过牺牲通信距离来换取低成本和低功耗性，非常适合于低速率数据应用，例如农业设施测控、森林防火、医疗监护等应用。zigbee网络具有自组织性，每个zigbee网络节点，只要在彼此间的通信范围内，就会自动搜索并形成一个互联的zigbee网络，网络模块终端的相对位置放生变化时，模块会自动重新搜索通信对象，确定彼此间的联络。节点间的通信距离一般在30米到数百米之间。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的问题，提供一种数据传输稳定实时、传输安全可靠、功率低、成本低、适用范围广的基于zigbee无线网络的灌浆监测系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种基于zigbee无线网络的灌浆监测系统，包括数据采集器、数据处理器和用于将灌浆监测检测数据集中输出的数据集中器，所述数据采集器包括相互连接的传感器单元和zigbee节点，所述数据处理器包括相互连接的中央处理模块和zigbee路由，所述数据集中器包括用于zigbee无线网络组网的zigbee协调器，所述zigbee协调器分别与zigbee节点、zigbee路由通过zigbee无线网络相连，所述zigbee节点与zigbee路由通过zigbee无线网络相连。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述传感器单元包括用于检测灌浆压力的耐腐蚀压力传感器。

它还包括多个zigbee路由节点，所述zigbee节点通过zigbee路由节点与zigbee路由相连。

所述zigbee协调器通过zigbee路由节点分别与zigbee节点、zigbee路由相连。

所述数据集中器还包括用于解析灌浆监测数据的数据解析器和将灌浆监测数据发送至移动电信网络的远程数据传输模块，所述zigbee协调器、数据解析器、远程数据传输模块依次相连。

本实用新型具有下述优点：

1、本实用新型包括数据集中器，数据采集器与数据处理器之间通过zigbee无线网络相连、数据处理器与数据集中器之间通过zigbee无线网络相连，因此能够基于zigbee无线网络实现灌浆的在线监测，具有功耗低、成本低、时延短、网络容量大、通信可靠、数据安全，数据链可靠性好的优点。

2、本实用新型进一步包括多个zigbee路由节点，zigbee节点通过zigbee路由节点与zigbee路由相连，因此数据采集器和数据处理器之间能够利用zigbee路由节点实现高可靠性的数据传输，防止数据链断开，数据传输实时可靠。

3、本实用新型zigbee协调器进一步通过zigbee路由节点分别与zigbee节点、zigbee路由相连，因此zigbee无线网络能够利用zigbee路由节点实现zigbee无线网络的高可靠性组网以及数据传输，防止数据链断开；数据处理器通过zigbee路由节点发送给数据集中器或者直接发送给数据集中器，能够充分利用zigbee无线网络自组织性强的优点，从而可以提高数据传输的可靠性和安全性。

4、本实用新型的数据集中器进一步包括数据解析器和远程数据传输模块，能够将灌浆检测数据实时发送至移动电信网络，能够充分利用现有的移动电信网络，组网简单方便、通用性好、适用范围广。

附图说明

图1为本实用新型实施例的框架结构示意图。

图2为本实用新型实施例zigbee模块的处理器电路原理示意图。

图3为本实用新型实施例zigbee模块的射频功率放大器的电路原理示意图。

图4为本实用新型实施例数据采集器的电路原理示意图。

图5为本实用新型实施例zigbee路由的电路原理示意图。

图6为本实用新型实施例GPRS数据传输模块的原理示意图。

图7为本实用新型实施例数据解析器的电路原理示意图。

图例说明：1、数据采集器；11、传感器单元；12、zigbee节点；2、数据处理器；21、zigbee路由；22、中央处理模块；3、数据集中器；31、zigbee协调器；32、数据解析器；33、远程数据传输模块；4、zigbee路由节点。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型实施例基于zigbee无线网络的灌浆监测系统包括数据采集器1、数据处理器2和用于将灌浆监测检测数据集中输出的数据集中器3，数据采集器1包括相互连接的传感器单元11和zigbee节点12，数据处理器2包括相互连接的中央处理模块22和zigbee路由21，数据集中器3包括用于zigbee无线网络组网的zigbee协调器31，zigbee协调器31分别与zigbee节点12、zigbee路由21通过zigbee无线网络相连，zigbee节点12与zigbee路由21通过zigbee无线网络相连。

zigbee节点12、zigbee路由21、zigbee路由节点4和zigbee协调器31通过zigbee无线网络通信协议（IEEE802.15.4标准）形成zigbee无线网络，从而通过zigbee无线网络实现灌浆监测数据的局域网络传输。数据采集器1采集的原始灌浆监测数据通过zigbee节点12发送给zigbee路由21，数据处理器2通过zigbee路由21接收采集的原始灌浆监测数据并进行处理，再把处理后的灌浆监测数据通过zigbee路由21发送给zigbee协调器31，数据集中器3将灌浆监测数据实时输出到工程监控部门，zigbee无线网络数据传输系统全部采用实时数据传输方式，其原始数据由传感头根据现状检测得到真实数据，当有不正常的数据产生时，监控系统监测可以对工程施行有力的保障使其工程能正常实施，确保工程能正常运行、保障工程灌浆质量。本实用新型实施例由于采用了zigbee无线网络传输灌浆监测数据，因此具有传输实时高效、传输距离广、功耗低、成本低、时延短、网络容量大、通信可靠、数据安全，数据链可靠性好的优点，其优点具体概括如下：

1、功耗低，节点的功耗在1w之内。

2、成本低，zigbee协议栈简单，复杂度仅为Bluetooth的1/10，对硬件资源的占用小，全功能节点仅需32KB代码，子功能节点需要用4KB代码，设备费用低。

3、低速率，zigbee在868MHz（欧洲），915MHz（美国）和2.4GHz（全球）的ISM频段分别提供250kbps，40kbps和20kbps的原始数据吞吐率。

4、时延短，zigbee节点从休眠自如工作状态需15ms，节点连接入网络需30ms，而相比之下，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s。

5、网络容量大、传输距离广，可支持多达65000个节点设备。

6、自组织性，网络节点自动感知其他节点并确定连接关系，网络有自愈功能：节点位置发生变动或故障，网络会自动修复，调整网络拓扑结构。

7、通信可靠，zigbee采用CSMA—CA碰撞避免机制，并为固定宽带的通信业务留有专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用确认的数据传输机制，每个发送的数据包都要等待接收方的确认信息。

8、数据安全，zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

9、数据链可靠性好。由于传统是采用有线，但现场复杂的环境下有线可能很容易被损坏，导致数据链断开，不能有效保证数据实时的传输。

本实施例中，传感器单元11包括用于检测灌浆压力的高精度PTH704耐腐蚀压力传感器。此外还可以根据灌浆检测的实际需要采用其他的传感器，例如流量计、密度计、位移计等。本实施例中，zigbee节点12由zigbee模块组成并设置为节点模式，用于实现zigbee无线网络访问功能，zigbee模块主要由处理器和射频功率放大器组成，其中处理器采用ember公司的em357芯片实现，射频功率放大器基于skyworks公司的SKY65336-11芯片实现，em357芯片内部嵌入6组模数转换单元12位高精度AD转换模块实现，转换速度极快，使得计量更加准确。zigbee无线网络包括多个zigbee路由节点4，zigbee节点12通过zigbee路由节点4与数据处理器2相连。传感器单元11将采集的模拟电压信号通过zigbee节点12内部自带的AD转换模块转换为数字信号形式的原始灌浆监测数据，并通过zigbee节点12发送至zigbee无线网络。如图2和图3所示，zigbee节点单元12中EM357芯片的PC5引脚与SKY65336-11芯片的收发控制引脚（12、27、28）通过Q2协助相连接；射频收发引脚（RF_P、RF_N、RT_TX_LT_P、RT_TX_LT_N）与SKY65336-11芯片的2、3、7、8射频收发引脚相连；PB2、PB1引脚用作串行输出输入接口实现与外部单元数据通信；PB5、PB6引脚与外部LED相连，用作指示中央处理器的工作状体；OSCA、OSCB引脚与外部24MHz（Y1）时钟源相连；PA0、PA1、PA2分别用作SC2MOSSEL、SC2MOSO、SC2MOSI用于SPI串行通信。SKY65336-11芯片的射频in相位上加上一个8.2nH的电感，在out相位上加上一个3.3nH电感来抑制外部干扰；SKY65336-11芯片的ANT引脚直接引出与外部天线相连用于发射射频信号。本实施例中，如图4所示，传感器单元11采集压力信号通过数据采集器1中信号转换芯片AD8275ARMZ的Vout与zigbee节点12中zigbee模块（zigbee-module）的PB7引脚相连；数据采集器1还包括数据存储器AT45DB321D（U3）和电源参考电压LM385-1.2(U2)，数据存储器AT45DB321D（U3）通过SPI串行与zigbee节点12中zigbee模块的em357芯片通信，并存储实时的AD转换值。LM385-1.2(U2)与zigbee节点12中zigbee模块的PB0相连，为zigbee模块的AD转换提供参考电压。

本实施例中，中央处理模块22基于PC机实现，PC机通过串口与数据处理器2中zigbee路由21相连。zigbee路由21具有zigbee无线网络的路由功能，能够自动通过路由算法在zigbee无线网络中查找最近的路径将灌浆监测数据发送至数据集中器3，zigbee路由21由zigbee模块组成并设置为路由模式，zigbee模块由处理器和射频功率放大器组成，其中处理器采用ember公司的em357芯片实现，射频功率放大器基于skyworks公司的SKY65336-11芯片实现。来自zigbee节点12的原始灌浆监测数据直接传输给zigbee路由21，或者通过一个或者多个zigbee路由节点4传输给zigbee路由21，最后通过串口输入至中央处理模块22进行数据处理。同时将处理完的数据通过zigbee路由21直接传输直zigbee协调器31、或通过一个或者多个zigbee路由节点4传输给zigbee协调器31；如图5所示，zigbee路由21中zigbee模块（zigbee-module）的PB1、PB2、PA6引脚通过MAX485E转换为485总线形式与pc机通信传输原始灌浆监测检测数据。

本实施例中，数据集中器3还包括用于解析灌浆监测数据的数据解析器32和将灌浆监测数据发送至移动电信网络的远程数据传输模块33，zigbee协调器31、数据解析器32、远程数据传输模块33依次相连。zigbee协调器31主要用于组建和管理整个zigbee无线网络，为整个zigbee无线网络提供系统实时时钟并保存待发送灌浆监测数据，同时把待发送灌浆监测数据通过串口(RS232)传送给数据解析器32，数据解析器32进行数据解析以后再通过远程数据传输模块33发送至移动电信网络，从而通过移动电信网络发送给远端服务器平台。本实施例中，zigbee协调器31由zigbee模块组成并设置为协调器模式，zigbee模块主要由处理器和射频功率放大器组成，其中处理器采用ember公司的em357芯片实现，射频功率放大器基于skyworks公司的SKY65336-11芯片实现，强大的协议栈能力与强有力是射频发射功率能轻松应对局域网络作业要求；数据解析器32基于ATMEL公司的AT91SAM7X256AU微处理器实现，AT91SAM7X256AU内嵌入两个USART以及两个SPI的ARM7处理器，强大的数据处理能力能有效的应对局域网络数据作业要求。远程数据传输模块33为GPRS数据传输模块。

如图6所示，本实施例中GPRS数据传输模块具体基于SIM900-TE-C实现。如图7所示，AT91SAM7X256AU微处理器通过USART0与USART1分别与zigbee协调器31和GPRS数据传输模块进行数据通信。AT91SAM7X256AU微处理器的PA10(TWD)、PA11(TWCK)、PB2(/RES)引脚与外部实时时钟（DS1302）相连以通信获取实时时钟；PA17（SPIO_MOSI）、PA16(SPIO_MOSO)、PA11(SPIO_NPCS0)、PA18(SPIO_SPCK)、PA2(RESET)与数据集中器3的外部数据存储器（AT45DB321D）通信实现数据存储功能，外部数据存储器（AT45DB321D）用于存储协调及接收GPRS数据传输模块暂未发送的数据；PB19、PB20、PB21引脚连接外部LED以显示指示外部数据存储器（AT45DB321D）的运行状态；USART0 PA0(TR)、PA1(TX)与USART1 PA5(TR)、PA6(TX)分别于zigbee协调器31、GPRS数据传输模块进行串行通信；PA3(GPRS-P)、PB27(ON/OFF)引脚用作控制GPRS数据传输模块。其中GPRS-P用于控制GPRS数据传输模块的电源；ON/OFF为GPRS数据传输模块的开关。

本实施例还包括多个zigbee路由节点4，zigbee节点12通过zigbee路由节点4与数据处理器2相连；zigbee协调器31通过zigbee路由节点4分别与zigbee节点12、zigbee路由21相连。zigbee无线网络的结构为以zigbee路由节点4为中心的星形拓扑结构，zigbee路由节点4主要用于zigbee无线网络的路由功能，它能够把超过通信距离范围的其他zigbee通信模块有机的联系在一起，它是个数据中转站，建立起数据链路，将数据采集器1、数据处理器2和数据集中器3，有机联系起来形成一个可靠的zigbee无线网络。本实施例中，zigbee路由节点4主要包括处理器和射频功率放大器，处理器基于EM357芯片实现，射频功率放大器基于SKY65336-11芯片实现。本实施例中，数据集中器3只有一个，数据集中器3是整个zigbee无线网络的组网中心，数据采集器1、数据处理器2以及zigbee路由节点4的数量则可以根据需要进行调节数量，但不能超过40个。

本实用新型实施例的工作过程如下：

1）上电初始化：首先数据集中器3上电启动，GPRS数据传输模块连接远程服务器，同时zigbee协调器31上电后组建zigbee无线网络。等待GPRS数据传输模块连接完成后，再由数据集中器3的zigbee协调器31发送准备状态信息给zigbee无线网络上的其他zigbee节点12，通知可以发送灌浆监测数据。

2）灌浆监测：系统上电初始化完毕后，首先数据采集器1通过传感器单元11采集原始灌浆监测数据，然后通过zigbee节点12发送给zigbee路由21，数据处理器2通过zigbee路由21获取原始灌浆监测数据并进行数据处理后再通过zigbee路由21把数据发送给zigbee协调器31，数据集中器3通过zigbee协调器31获取灌浆监测数据，然后再通过数据解析器32解析zigbee网络数据并通过GPRS数据传输模块发送给远端服务器。在工作过程中，zigbee节点12、zigbee路由21、zigbee协调器31和zigbee路由节点4的zigbee模块的上电工作指示灯提示数据的发送频率和有效工作状态。数据集中器3上的指示灯也会提示有数据发送频率与有效工作状态。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。 

Claims (5)

1.一种基于zigbee无线网络的灌浆监测系统，包括数据采集器（1）和数据处理器（2），其特征在于：所述灌浆监测系统还包括用于将灌浆监测检测数据集中输出的数据集中器（3），所述数据采集器（1）包括相互连接的传感器单元（11）和zigbee节点（12），所述数据处理器（2）包括相互连接的中央处理模块（22）和zigbee路由（21），所述数据集中器（3）包括用于zigbee无线网络组网的zigbee协调器（31），所述zigbee协调器（31）分别与zigbee节点（12）、zigbee路由（21）通过zigbee无线网络相连，所述zigbee节点（12）与zigbee路由（21）通过zigbee无线网络相连。

2.根据权利要求1所述的基于zigbee无线网络的灌浆监测系统，其特征在于：所述传感器单元（11）包括用于检测灌浆压力的耐腐蚀压力传感器。

3.根据权利要求2所述的基于zigbee无线网络的灌浆监测系统，其特征在于：它还包括多个zigbee路由节点（4），所述zigbee节点（12）通过zigbee路由节点（4）与zigbee路由（21）相连。

4.根据权利要求3所述的基于zigbee无线网络的灌浆监测系统，其特征在于：所述zigbee协调器（31）通过zigbee路由节点（4）分别与zigbee节点（12）、zigbee路由（21）相连。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的基于zigbee无线网络的灌浆监测系统，其特征在于：所述数据集中器（3）还包括用于解析灌浆监测数据的数据解析器（32）和将灌浆监测数据发送至移动电信网络的远程数据传输模块（33），所述zigbee协调器（31）、数据解析器（32）、远程数据传输模块（33）依次相连。

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