基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基坑鋼支撐應(yīng)力實時監(jiān)測系統(tǒng)

1、基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基坑鋼支撐應(yīng)力實時監(jiān)測系統(tǒng)摘要：本文提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建筑工地基坑鋼支撐應(yīng)力實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ZIGBEE無線傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，在鋼梁上安裝監(jiān)測節(jié)點，采集支撐鋼梁實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過采集節(jié)點、路由器匯集至主控器，通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至后臺服務(wù)器處理后，在網(wǎng)頁終端顯示并分析，準確掌握支撐鋼梁的實時應(yīng)力情況，為支撐鋼梁的應(yīng)力安全性提供了可靠的判斷依據(jù)。關(guān)鍵詞：鋼支撐；應(yīng)力；實時監(jiān)測；平臺1.概述：無線傳感網(wǎng)技術(shù)作為一種有效的監(jiān)測手段，通過終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)，可以幫助人們了解建筑工地中鋼支撐結(jié)構(gòu)的實時應(yīng)力狀態(tài)，從而保證了建筑鋼支撐結(jié)構(gòu)的安全性。建筑工地鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

2、以ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過終端采集結(jié)點、路由器以及主控器組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采集鋼支撐結(jié)構(gòu)的實時數(shù)據(jù)并匯集至主控器后，通過3G網(wǎng)絡(luò)或者Internet有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，通過服務(wù)器進行數(shù)據(jù)分析之后，以網(wǎng)頁的形式將實時數(shù)據(jù)及分析結(jié)果展現(xiàn)給用戶。2.方案設(shè)計： 一個典型的無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺由信息存儲與處理層、廣域通信網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)以及信息采集層等四個部分組成。系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖1所示：信息采集層主要由各類傳感器構(gòu)成，在該系統(tǒng)中，主要是指鋼支撐應(yīng)力監(jiān)測傳感器、溫濕度傳感器及其它各類傳感器。這些傳感器通過終端節(jié)點下發(fā)的命令，采集鋼架的實時應(yīng)力數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)回發(fā)至終端節(jié)點。無線傳感網(wǎng)

3、絡(luò)以ZIGBEE無線傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)。ZigBee是基于IEEE802154無線標準研制開發(fā)的一種短距離、低功耗、低成本的無線組網(wǎng)技術(shù)。ZigBee所使用的頻段是免費開放的，分別為2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)，傳輸范圍依賴于輸出功率和信道環(huán)境，一般介于10米到100米之間，并支持無限擴展。一個典型的ZIGBEE無線傳感網(wǎng)絡(luò)由三個部分組成：主控器、路由器和采集器。主控器負責(zé)其管理范圍內(nèi)的無線傳感網(wǎng)路由器以及采集器的組織和維護，負責(zé)應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)匯總，并提供以太或者移動接入（GPRS、CDMA、WCDMA）接口，將采集器采集到的監(jiān)測點應(yīng)力數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心服務(wù)器。

4、路由器負責(zé)無線數(shù)據(jù)幀路由轉(zhuǎn)發(fā)，并根據(jù)實際網(wǎng)絡(luò)狀況，組件無線傳感網(wǎng)的基干網(wǎng)，使主控器和采集器進行數(shù)據(jù)交互。由路由器組建的無線傳感網(wǎng)基干網(wǎng)絡(luò)覆蓋所有的采集器，將采集器采集到的監(jiān)測點數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器中。廣域通信網(wǎng)是指2G、3G、WIFI及以太網(wǎng)等公共網(wǎng)絡(luò)，無線傳感網(wǎng)所采集到的數(shù)據(jù)，只有通過廣域通信網(wǎng)，才能上傳至服務(wù)器，進行數(shù)據(jù)分析及存儲。信息存儲與處理系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)中所有采集到信息分析及處理，并提供節(jié)點智能管理功能。信息管理平臺是一個比較龐大的計算機系統(tǒng)，包括負責(zé)規(guī)約解析和通信管理的前置機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和WEB服務(wù)器等。這個平臺由中心處理工作站及相應(yīng)的軟件構(gòu)成，是整個監(jiān)測系統(tǒng)的最上層，所有傳感器采

5、集到的信息通過無線傳感網(wǎng)匯集到這里，利用軟件對數(shù)據(jù)進行匯總和分析，管理人員可以通過WEB頁面對系統(tǒng)的各個節(jié)點進行遠程監(jiān)控，并作出相應(yīng)的決策，具體功能框架如下圖所示：3.系統(tǒng)硬件設(shè)計：目前市場上針對ZIGBEE標準而研制的芯片種類較多，比較典型的有TI公司的CC2430、CC1110，赫立訊公司的IP-Link系列芯片和飛思卡爾公司的MCI3192/3芯片等?？紤]到功耗、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及傳輸頻率的要求，本系統(tǒng)采用CC1110芯片的解決方案。CC1110延用了以往TI公司ZigBee無線(定位)芯片CC2430/CC2431架構(gòu)，它使用1個8位MCU（8051），具有32 KB可編程閃存和4 KB的

6、RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時器（Timer）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdog Timer）、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown Out Detection)以及21個可編程I/O引腳。 CC1110工作時的電流損耗為16 mA；速率為1.2kBaud，CC1110在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于16.2 mA或16 mA；速率為2.4kBaud。CC1110的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。4.傳感器節(jié)點布置方案一：將傳感器安裝在鋼支

7、撐管一端的端面上，檢測其軸力。信號線與電源線通過一根電纜線引到基坑外面。ZIGBEE采集器采用標準接口與傳感器相連。采集器有序地安裝在基坑外面，并采用太陽能供電方式，以確保長期供電。方案二：將傳感器安裝在支撐管一端的端面上，檢測其軸力。信號線與電源線，通過一根電纜線引到支撐管表面。ZIGBEE采集器采用標準接口與傳感器相連。同時，將采集器安裝在支撐管表面，采用電池供電。方案三：將傳感器安裝在支撐管表面，檢測其變形應(yīng)力。ZIGBEE采集器采用標準接口與傳感器相連。采集器也安裝在支撐管表面，靠近傳感器的地方。同時，采集器采用電池供電。另外，在上述方案中，根據(jù)現(xiàn)場需要，可安裝若干路由器，保證遠距離信

8、號傳輸。根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和路由器的特性，路由器需要市電供電。三種方案對比如下：5.管理平臺架構(gòu)。管理平臺采用B/S模式的多層應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)（J2EE），該應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)包括客戶層（即WEB客戶層）、中間應(yīng)用層（包括數(shù)據(jù)通信層、業(yè)務(wù)處理層、數(shù)據(jù)訪問層）、數(shù)據(jù)管理層（包括數(shù)據(jù)存儲和日志文件管理）。系統(tǒng)管理模塊貫穿各個層面，通過監(jiān)督和干預(yù)各層的作業(yè)過程及資源分配，提供系統(tǒng)管理的功能，實現(xiàn)系統(tǒng)管理和維護目的。該系統(tǒng)架構(gòu)可通過負載平衡、容錯處理、連接共享、對象共享、線程池等技術(shù)手段,將極大的提高系統(tǒng)運行效率。管理平臺初始化公用資源并加載中間應(yīng)用層和數(shù)據(jù)管理層，加載完成后則在指定端口啟動監(jiān)聽請求并做出響應(yīng)，通

9、過中間應(yīng)用層訪問數(shù)據(jù)管理層的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)各層說明如下：（1）客戶層WEB客戶層提供完整的人機交互界面。解決系統(tǒng)的輸入和輸出，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳感器狀態(tài)管理、預(yù)警信息管理、資料的顯示和打印等功能。接受業(yè)務(wù)控制層的約束，依據(jù)業(yè)務(wù)功能的要求提供特定的應(yīng)用界面序列。（2）中間應(yīng)用層中間應(yīng)用層實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、業(yè)務(wù)處理和數(shù)據(jù)訪問控制等管理。作業(yè)流控制把來自前端傳感器的信號轉(zhuǎn)化為一系列業(yè)務(wù)作業(yè)，通過使用業(yè)務(wù)層的服務(wù)完成應(yīng)用請求。數(shù)據(jù)通信主要負責(zé)監(jiān)聽請求與響應(yīng)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)包的解析功能；業(yè)務(wù)處理主要針對鋼支撐應(yīng)力數(shù)據(jù)及采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行處理；數(shù)據(jù)訪問控制主要包括數(shù)據(jù)庫連接池的管理，數(shù)據(jù)訪問的接口封裝；（3）數(shù)據(jù)管

10、理層數(shù)據(jù)管理層是主要包括數(shù)據(jù)存儲和日志文件管理，系統(tǒng)采用成熟數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)庫對各節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化管理。并運用智能化分析工具進行比對、碰撞，及時、有效的發(fā)布預(yù)警信息。6.系統(tǒng)功能模塊（1）基本資料管理：基本資料管理主要維護地鐵站點、基坑信息、樓層信息等業(yè)務(wù)單位實體資料。（2）用戶權(quán)限管理：用戶權(quán)限管理包括用戶管理、角色管理、功能模塊管理、權(quán)限管理等功能模塊。（3）設(shè)備管理：設(shè)備管理主要包括設(shè)備的基本資料維護、設(shè)備安裝的節(jié)點信息維護以及對設(shè)備的遠程控制管理。（4）數(shù)據(jù)查詢：數(shù)據(jù)查詢主要包括實時數(shù)據(jù)的獲取和展現(xiàn)、歷史數(shù)據(jù)的查詢和打印。（5）智能統(tǒng)計分析：智能統(tǒng)計分析主要包括報表管理，數(shù)

11、據(jù)統(tǒng)計分析等數(shù)據(jù)統(tǒng)計業(yè)務(wù)。（6）系統(tǒng)配置與日志管理：系統(tǒng)配置與日志管理主要負責(zé)系統(tǒng)配置信息的維護和用戶訪問日志的管理。7.總結(jié)：該系統(tǒng)以無線傳感網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，前端應(yīng)用豐富，可接入符合協(xié)議標準的不同設(shè)備，每個設(shè)備都可看作是一個傳感網(wǎng)節(jié)點，采集并發(fā)送不同類型的數(shù)據(jù)信息。后端使用全新的綜合平臺，能夠?qū)Σ煌瑐鞲芯W(wǎng)信息分類存儲，提供并發(fā)連接、高速交換、異地備份、快速響應(yīng)等功能，簡化系統(tǒng)，以便施工和后期維護，符合智能能源管理的未來需求。網(wǎng)絡(luò)的前端神經(jīng)末梢可大量地采用基于無線傳感網(wǎng)的短距離無線傳輸技術(shù)，可不受地理位置、建筑等外界環(huán)境限制，便捷安裝，具有自組網(wǎng)、自維護、自適應(yīng)、可擴展性等功能，網(wǎng)絡(luò)運行無需人工干預(yù)可隨時對網(wǎng)絡(luò)作各種形式的管理和控制，穩(wěn)定可靠。綜合平臺能夠很好的將窄帶數(shù)據(jù)和寬帶數(shù)據(jù)進行融合，對不同應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)提供不同的QoS服務(wù)。具備完善的網(wǎng)絡(luò)功能、日志功能、用戶權(quán)限管理功能、設(shè)備管理功能，提高了設(shè)備維護效率，也便于整個系統(tǒng)的管理，使整個系統(tǒng)的可靠性得到有力保障。配備完善的網(wǎng)絡(luò)安全防御措施后，系統(tǒng)本身具備高安全性，能夠抵御各種惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊，并可對數(shù)據(jù)進行異地備份，極大提高了數(shù)據(jù)的可靠性和容錯能力。參考文獻：【1】大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁結(jié)構(gòu)施工與應(yīng)力監(jiān)測 周俊杰 四川建材2010年第4期 P102-P104【2】國