基于无线传感网络的基坑钢支撑应力实时监测系

摘　要：本文提出了一种基于无线传感网络的建筑工地基坑钢支撑应力实时监测系统，该系统以ZIGBEE无线传感网络为基础，在钢梁上安装监测节点，采集支撑钢梁实时监测数据，并将数据通过采集节点、路由器汇集至主控器，通过3G网络发送至后台服务器处理后，在网页终端显示并分析，准确掌握支撑钢梁的实时应力情况，为支撑钢梁的应力安全性提供了可靠的判断依据。

关键词：钢支撑；应力；实时监测；平台

1.概述：

　　无线传感网技术作为一种有效的监测手段，通过终端节点采集数据，可以帮助人们了解建筑工地中钢支撑结构的实时应力状态，从而保证了建筑钢支撑结构的安全性。

　　建筑工地钢支撑应力监测系统以ZIGBEE无线网络为基础，通过终端采集结点、路由器以及主控器组成无线传感网络，采集钢支撑结构的实时数据并汇集至主控器后，通过3G网络或者Internet有线网络传输至服务器，通过服务器进行数据分析之后，以网页的形式将实时数据及分析结果展现给用户。

2.方案设计：

　　一个典型的无线传感网络监测平台由信息存储与处理层、广域通信网、无线传感网络以及信息采集层等四个部分组成。系统平台架构如图1所示：

信息采集层主要由各类传感器构成，在该系统中，主要是指钢支撑应力监测传感器、温湿度传感器及其它各类传感器。这些传感器通过终端节点下发的命令，采集钢架的实时应力数据及环境数据，并将数据回发至终端节点。

　　无线传感网络以ZIGBEE无线传感网络为基础。ZigBee是基于IEEE802．15．4无线标准研制开发的一种短距离、低功耗、低成本的无线组网技术。ZigBee所使用的频段是免费开放的，分别为2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)，传输范围依赖于输出功率和信道环境，一般介于10米到100米之间，并支持无限扩展。

　　一个典型的ZIGBEE无线传感网络由三个部分组成：主控器、路由器和采集器。

　　主控器负责其管理范围内的无线传感网路由器以及采集器的组织和维护，负责应力传感器数据汇总，并提供以太或者移动接入（GPRS、CDMA、WCDMA）接口，将采集器采集到的监测点应力数据上传到监控中心服务器。路由器负责无线数据帧路由转发，并根据实际网络状况，组件无线传感网的基干网，使主控器和采集器进行数据交互。由路由器组建的无线传感网基干网络覆盖所有的采集器，将采集器采集到的监测点数据上传至协调器中。

　　广域通信网是指2G、3G、WIFI及以太网等公共网络，无线传感网所采集到的数据，只有通过广域通信网，才能上传至服务器，进行数据分析及存储。

　　信息存储与处理系统主要完成系统中所有采集到信息分析及处理，并提供节点智能管理功能。信息管理平台是一个比较庞大的计算机系统，包括负责规约解析和通信管理的前置机、数据库服务器和WEB服务器等。这个平台由中心处理工作站及相应的软件构成，是整个监测系统的最上层，所有传感器采集到的信息通过无线传感网汇集到这里，利用软件对数据进行汇总和分析，管理人员可以通过WEB页面对系统的各个节点进行远程监控，并作出相应的决策，具体功能框架如下图所示：

3.系统硬件设计：

目前市场上针对ZIGBEE标准而研制的芯片种类较多，比较典型的有TI公司的CC2430、CC1110，赫立讯公司的IP-Link系列芯片和飞思卡尔公司的MCI3192/3芯片等。考虑到功耗、系统稳定性以及传输频率的要求，本系统采用CC1110芯片的解决方案。

　　CC1110延用了以往TI公司ZigBee无线(定位)芯片CC2430/CC2431架构，它使用1个8位MCU（8051），具有32 KB可编程闪存和4 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdog Timer）、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown Out Detection)以及21个可编程I/O引脚。

　　CC1110工作时的电流损耗为16 mA；速率为1.2kBaud，CC1110在接收和发射模式下，电流损耗分别低于16.2 mA或16 mA；速率为2.4kBaud。

　　CC1110的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

4.传感器节点布置

　　方案一：

　　将传感器安装在钢支撑管一端的端面上，检测其轴力。信号线与电源线通过一根电缆线引到基坑外面。ZIGBEE采集器采用标准接口与传感器相连。采集器有序地安装在基坑外面，并采用太阳能供电方式，以确保长期供电。

　　

　　方案二：

　　将传感器安装在支撑管一端的端面上，检测其轴力。信号线与电源线，通过一根电缆线引到支撑管表面。ZIGBEE采集器采用标准接口与传感器相连。同时，将采集器安装在支撑管表面，采用电池供电。

　　方案三：

　　将传感器安装在支撑管表面，检测其变形应力。ZIGBEE采集器采用标准接口与传感器相连。采集器也安装在支撑管表面，靠近传感器的地方。同时，采集器采用电池供电。

　　另外，在上述方案中，根据现场需要，可安装若干路由器，保证远距离信号传输。根据无线网络协议和路由器的特性，路由器需要市电供电。

　　三种方案对比如下：

　　　　

5.管理平台架构。

　　管理平台采用B/S模式的多层应用体系结构（J2EE），该应用体系结构包括客户层（即WEB客户层）、中间应用层（包括数据通信层、业务处理层、数据访问层）、数据管理层（包括数据存储和日志文件管理）。系统管理模块贯穿各个层面，通过监督和干预各层的作业过程及资源分配，提供系统管理的功能，实现系统管理和维护目的。该系统架构可通过负载平衡、容错处理、连接共享、对象共享、线程池等技术手段,将极大的提高系统运行效率。

　　管理平台初始化公用资源并加载中间应用层和数据管理层，加载完成后则在指定端口启动监听请求并做出响应，通过中间应用层访问数据管理层的数据。系统各层说明如下：

　　　（1）客户层

　　　WEB客户层提供完整的人机交互界面。解决系统的输入和输出，实现数据采集、传感器状态管理、预警信息管理、资料的显示和打印等功能。接受业务控制层的约束，依据业务功能的要求提供特定的应用界面序列。

　　（2）中间应用层

　　中间应用层实现数据通信、业务处理和数据访问控制等管理。作业流控制把来自前端传感器的信号转化为一系列业务作业，通过使用业务层的服务完成应用请求。数据通信主要负责监听请求与响应、数据传输、数据包的解析功能；业务处理主要 针对钢支撑应力数据及采集的环境数据进行处理；数据访问控制主要包括数据库连接池的管理，数据访问的接口封装；

　　（3）数据管理层

　　数据管理层是主要包括数据存储和日志文件管理，系统采用成熟数据库系统，通过数据库对各节点产生的数据进行结构化管理。并运用智能化分析工具进行比对、碰撞，及时、有效的发布预警信息。

　　　6.系统功能模块

　　（1）基本资料管理：

　　基本资料管理主要维护地铁站点、基坑信息、楼层信息等业务单位实体资料。

　　（2）用户权限管理：

　　用户权限管理包括用户管理、角色管理、功能模块管理、权限管理等功能模块。

　　（3）设备管理：

　　设备管理主要包括设备的基本资料维护、设备安装的节点信息维护以及对设备的远程控制管理。

　　（4）数据查询：

　　数据查询主要包括实时数据的获取和展现、历史数据的查询和打印。

　　（5）智能统计分析：

　　智能统计分析主要包括报表管理，数据统计分析等数据统计业务。

　　（6）系统配置与日志管理：

　　系统配置与日志管理主要负责系统配置信息的维护和用户访问日志的管理。

7.总结：

    该系统以无线传感网络为基础，前端应用丰富，可接入符合协议标准的不同设备，每个设备都可看作是一个传感网节点，采集并发送不同类型的数据信息。后端使用全新的综合平台，能够对不同传感网信息分类存储，提供并发连接、高速交换、异地备份、快速响应等功能，简化系统，以便施工和后期维护，符合智能能源管理的未来需求。网络的前端神经末梢可大量地采用基于无线传感网的短距离无线传输技术，可不受地理位置、建筑等外界环境限制，便捷安装，具有自组网、自维护、自适应、可扩展性等功能，网络运行无需人工干预可随时对网络作各种形式的管理和控制，稳定可靠。综合平台能够很好的将窄带数据和宽带数据进行融合，对不同应用需求的数据提供不同的QoS服务。具备完善的网络功能、日志功能、用户权限管理功能、设备管理功能，提高了设备维护效率，也便于整个系统的管理，使整个系统的可靠性得到有力保障。配备完善的网络安全防御措施后，系统本身具备高安全性，能够抵御各种恶意网络攻击，并可对数据进行异地备份，极大提高了数据的可靠性和容错能力。

参考文献：

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[2]《国家体育场卸载过程支撑塔架的应力监测》 卢家森* 黄明鑫 《结构工程师》2010年4月刊 P156-P161

[3]《基于无线传感网的风机应力监测系统》 陈德民 《传感器世界》2011年02期 P28-P31

[4]《液压机立柱应力监测系统的设计》 张滨 《煤矿机械》2011年05月刊 P151-P152

[5]《港口起重机金属结构应力的无线远程监测系统研究》 樊永春 《港口装卸》2011年第3期P7-P11