張開(kāi)洪，李 聰，張文會(huì)

(重慶交通大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400074)

近年來(lái)，橋梁因結(jié)構(gòu)老化和損傷而出現(xiàn)垮塌的事件屢見(jiàn)不鮮，橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)受到全世界的廣泛關(guān)注。現(xiàn)有橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在供電難、維護(hù)難、成本高、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，難以在中小型橋梁中普及應(yīng)用，有必要對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

國(guó)內(nèi)外在結(jié)構(gòu)環(huán)境結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方向提出一些優(yōu)秀的成果。Zhuang，等［1］提出了基于 ARM9和 ZigBee的橋梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng);紀(jì)航宇，等［2］提出了利用802.15.4協(xié)議組網(wǎng)，并在基站端采用GPRS同上位機(jī)通信的梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng);嚴(yán)麗平，等［3］提出的一種基于ZigBee與GPRS的嵌入式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，介紹了一種3層體系的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將ZigBee技術(shù)，GPRS技術(shù)與嵌入式技術(shù)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);T.Harms，等［4］提出基于 GPRS 無(wú)線傳輸?shù)倪h(yuǎn)程橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。但由于橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是個(gè)長(zhǎng)期性工程，如何處理傳感器采集所得龐大的數(shù)據(jù)量以降低網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力、減少數(shù)據(jù)冗余，以及如何降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，這些問(wèn)題還需要深入研究。

筆者針對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和傳輸部分，提出基于嵌入式技術(shù)、ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和GPRS無(wú)線傳輸技術(shù)相結(jié)合的全新的橋梁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。利用嵌入式結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)處理、誤差分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，解決了工控機(jī)耗電量大、維護(hù)困難的缺點(diǎn);利用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和傳感器節(jié)點(diǎn)電源自控制技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和電源管理，解決了布線困難、布線成本高的缺陷，提高了數(shù)據(jù)的可靠性。本系統(tǒng)通過(guò)嵌入式系統(tǒng)休眠、ZigBee模塊休眠、傳感器節(jié)點(diǎn)電源管理等措施，大大降低了整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功耗。

1 總體設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)原理

為了對(duì)橋梁進(jìn)行完整地、系統(tǒng)地評(píng)估與分析，橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備可靠、穩(wěn)定的分析與評(píng)估子系統(tǒng)即遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理與分析中心、數(shù)據(jù)預(yù)處理的現(xiàn)場(chǎng)采集子系統(tǒng)、環(huán)境變量采集的傳感器子系統(tǒng)(圖1)。

圖1 系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overview of system architecture

1.1 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理與分析中心

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理分析中心由數(shù)據(jù)后期分析再現(xiàn)子系統(tǒng)、專家評(píng)估及仿真應(yīng)用子系統(tǒng)組成，包括數(shù)據(jù)處理程序、參數(shù)仿真程序、數(shù)據(jù)報(bào)表程序等。主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)分析，從中再現(xiàn)問(wèn)題發(fā)生的時(shí)間情況以及生成報(bào)表等，比如裂縫發(fā)生的位置、形狀、時(shí)間以及其發(fā)展過(guò)程。該子系統(tǒng)是基于PC服務(wù)器的上位子系統(tǒng)，軟硬件都是成熟產(chǎn)品，本系統(tǒng)中采用重慶交通大學(xué)自主研發(fā)的橋梁健康監(jiān)測(cè)服務(wù)器系統(tǒng)。

1.2 嵌入式環(huán)境數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集子系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心，主要完成動(dòng)態(tài)電源管理功能，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收功能，多源異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)建立及存儲(chǔ)，通過(guò)GPRS上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器?？紤]到系統(tǒng)的嵌入式特點(diǎn)，采用通用性強(qiáng)、易裁減、易開(kāi)發(fā)的嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)。

1.3 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集不同的橋梁結(jié)構(gòu)、環(huán)境等數(shù)據(jù)，并以無(wú)線的方式傳回現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。建立在IEEE 802.15.4(LR_WPAN，低速率無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng))上的ZigBee技術(shù)是由ZigBee聯(lián)盟推出的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的新型無(wú)線通信技術(shù)。將不同類型的傳感器與ZigBee模塊組合成無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，如溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)、濕度測(cè)量節(jié)點(diǎn)、撓度測(cè)量節(jié)點(diǎn)、應(yīng)變測(cè)量節(jié)點(diǎn)等。由ZigBee無(wú)線傳感器組建的網(wǎng)絡(luò)匯集所有測(cè)量節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)給現(xiàn)場(chǎng)采集子系統(tǒng)，再通過(guò)GPRS上傳至服務(wù)器。

2 嵌入式環(huán)境數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集系統(tǒng)

為了能達(dá)到集中分析預(yù)處理多源異構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)的目的，該子系統(tǒng)中采用目前流行的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本、易開(kāi)發(fā)的特性。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

選用了Samsung公司基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440A作為系統(tǒng)處理器控制核心;存儲(chǔ)采用Samsung公 司 的 K9F1208，容 量 為 64M;內(nèi) 存 為SST39F1601，大小為64M。硬件設(shè)計(jì)采用核心板加母板的方式，核心板包含ARM最小系統(tǒng)，母板主要有電源部分、ZigBee基站部分、GPRS模塊部分和接口部分等4大部分，具體硬件結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Overview of hardware architecture of on-site data acquisition system

S3C2440A處理器內(nèi)部自帶的名為“Steppingstone”的4K SRAM緩沖器，用以支持NAND FLASH啟動(dòng)［5］。系統(tǒng)上電后，NAND FLASH的前4K代碼將被拷貝到處理器內(nèi)部4K RAM中執(zhí)行，實(shí)際上前4K代碼即為類似于PC機(jī)BIOS引導(dǎo)程序，用以引導(dǎo)操作系統(tǒng)啟動(dòng)。在前4K的程序中，U-boot將完成中斷向量表初始化、關(guān)閉看門(mén)狗、設(shè)置堆棧地址、代碼拷貝等一系列工作，當(dāng)將自身拷貝到SDRAM后，即跳轉(zhuǎn)到內(nèi)存中運(yùn)行，進(jìn)而引導(dǎo)Linux操作系統(tǒng)啟動(dòng)。Linux系統(tǒng)啟動(dòng)后將通過(guò)初始化腳本來(lái)自動(dòng)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集程序。系統(tǒng)中舍棄掉專為方便開(kāi)發(fā)的NOR FLASH是為了減小板載設(shè)備功耗，采用 NAND FALSH+SDRAM的模式，只要對(duì)NAND分區(qū)合理，完全能夠滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性的要求。ZigBee基站設(shè)計(jì)是將帶有完全功能的ZigBee FFD模塊通過(guò)SPI總線接入系統(tǒng)母板，可進(jìn)行高效穩(wěn)定的傳輸數(shù)據(jù)。GPRS模塊與系統(tǒng)則采用RS232接口連接。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)關(guān)于橋梁數(shù)據(jù)的用戶層分析是在遠(yuǎn)程服務(wù)器端進(jìn)行，所以此處僅介紹在現(xiàn)場(chǎng)采集部分的軟件設(shè)計(jì)。嵌入式Linux軟件平臺(tái)是典型的分層體系，通常是由以下4層構(gòu)成:Bootloader、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)、用戶應(yīng)用程序(圖3)。筆者選用開(kāi)源的Uboot作為引導(dǎo)程序，Linux 內(nèi)核版本為 Linux 2.6.38.8，文件系統(tǒng)采用cramfs與yaffs結(jié)合的模式，用只讀的cramfs作為根文件系統(tǒng)掛載，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而yaffs的易可讀寫(xiě)則非常適合應(yīng)用程序的存放。

圖3 系統(tǒng)軟件分層模型Fig.3 Layered model of system software

2.2.1 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite3的移植與開(kāi)發(fā)

SQLite是一款輕量級(jí)的開(kāi)源嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，使用方便，性能出眾，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、醫(yī)療、工業(yè)控制、軍事等各領(lǐng)域。SQLite3是其最新版本(目前穩(wěn)定版為3.7.11)，SQLite3提供的C接口可方便地為開(kāi)發(fā)服務(wù):如sqlite_open打開(kāi)SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)，sqlite_close關(guān)閉 SQLite3數(shù)據(jù)庫(kù)，sqlite_exec執(zhí)行SQL語(yǔ)句等。

Sqlite3的移植過(guò)程如下:

1)配置編譯并安裝 sqlite。進(jìn)入 sqlite-3.7.11根目錄下運(yùn)行命令“./configure-host=arm-linux-prefix=/usr/local/arm/4.3.2/arm-none-linux-gnueabi/libc/armv4t-disable-tcl”生成Makefile文件。運(yùn)行命令“make”對(duì) sqlite-3.7.11源代碼進(jìn)行編譯。運(yùn)行命令“make install”安裝 sqlite-3.7.11。

2)Sqlite函數(shù)庫(kù)及相關(guān)頭文件移植。復(fù)制/usr/local/arm/4.3.2/arm-none-linux-gnueabi/libc/armv4t/lib/目錄下的libsqlite3.so.0到要制作的目標(biāo)文件系統(tǒng)的 lib目錄中。復(fù)制/usr/local/arm/4.3.2/armnone-linux-gnueabi/libc/armv4t/include/目錄下的sqlite3.h到交叉編譯器的默認(rèn)頭文件目錄/usr/local/arm/4.3.2/arm-none-linux-gnueabi/include 目錄下。

嵌入式橋梁健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)概念模型設(shè)計(jì)如圖4。

圖4 概念模型Fig.4 Database conceptual model

創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)表:

1)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)。在應(yīng)用程序目錄運(yùn)行命令“sqlite3 bridge_monitoringdata.db”，創(chuàng)建名為 bridge_monitoringdata.db的數(shù)據(jù)庫(kù)文件并進(jìn)入sqlite的操作終端。

2)在終端下輸入以下命令依次創(chuàng)建數(shù)據(jù)表:sqlite＞create table bridge_monitoring_table(bridge_name，bridge_id，bridge_info);sqlite＞create table temperature_info_table(sensor_id，sensor_value，date_time);sqlite＞create table humidity_info_table(sensor_id，sensor_value，date_time);sqlite＞create table strain_info_table(sensor_id，sensor_value，date_time);sqlite＞create table vibration_info_table(sensor_id，sensor_value，date_time);

創(chuàng)建完成的數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯模型見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯模型Table 1 Logical model of database

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程橋梁健康監(jiān)測(cè)的最終評(píng)估是在遠(yuǎn)程服務(wù)器端進(jìn)行，而龐大的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量中數(shù)據(jù)冗余度很高，從而引起ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間頻繁的信道搶占，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延時(shí)增大甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓［6］。為了解決這個(gè)問(wèn)題，采用增加現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法，即在傳感器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)之前對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖如圖5。

圖5 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程Fig.5 Data pre-processing progress

2.2.3 GPRS 數(shù)據(jù)發(fā)送程序開(kāi)發(fā)

GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送程序主要完成在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)撥號(hào)上網(wǎng)，并通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)通信流來(lái)喚醒休眠系統(tǒng)的機(jī)制來(lái)大幅降低系統(tǒng)功耗并能確保系統(tǒng)不斷線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)上電后程序默認(rèn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到通信請(qǐng)求后，判斷請(qǐng)求來(lái)自上層服務(wù)器還是下層數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并按時(shí)不同請(qǐng)求完成不同任務(wù)，即轉(zhuǎn)發(fā)或預(yù)處理存儲(chǔ)。設(shè)定一定時(shí)間間隔無(wú)通信響應(yīng)則使系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

1)移植PPP協(xié)議

PPP協(xié)議工作與Linux系統(tǒng)之上，它支持開(kāi)機(jī)自動(dòng)撥號(hào)，支持常時(shí)在線、自動(dòng)掛斷定時(shí)模式。PPP協(xié)議屬于請(qǐng)求-應(yīng)答方式，用戶端向ISP服務(wù)端發(fā)出請(qǐng)求，ISP服務(wù)端作出應(yīng)答。整個(gè)協(xié)商完成后便可通過(guò)GPRS模塊進(jìn)行Internet IP數(shù)據(jù)格式傳輸。

根據(jù)板級(jí)配置修改ppp-on，ppp-off及ppp-on-dialer等3個(gè)配置腳本。在ppp-on中刪除賬號(hào)與密碼，并修改電話號(hào)碼為相應(yīng)的GPRS模塊支持的號(hào)碼，如*99＊＊＊1#，刪除ppp-on-dialer中的賬號(hào)與密碼。并在內(nèi)核配置時(shí)增加對(duì)PPP與TCP協(xié)議的支持。

2)配置GPRS模塊

正確配置波特率，設(shè)置數(shù)據(jù)包格式與默認(rèn)網(wǎng)關(guān)，撥號(hào)連接服務(wù)器。然后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，整個(gè)流程如圖6。

圖6 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程Fig.6 GPRS dial-up connection progress

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)處于整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最底層，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)要求分布在橋梁內(nèi)外不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將精密傳感器與ZigBee無(wú)線傳輸模塊結(jié)合組成無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)包括3個(gè)組成部分:精密傳感器、內(nèi)置ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線單片機(jī)模塊(RF-2430)、電源部分(電池組)。

3.1 ZigBee模塊選型

目前ZigBee模塊已經(jīng)比較成熟，本系統(tǒng)選用無(wú)線龍ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)專業(yè)開(kāi)發(fā)模塊RF-2430，它采用德州儀器 ZigBee SOC射頻芯片CC2430-F128作為單片機(jī)控制核心，完全滿足IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選用成熟的ZigBee模塊可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性同時(shí)節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。網(wǎng)關(guān)及分類采集節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖7。

圖7 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.7 Sensor node structure

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建

傳感監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布于橋梁不同監(jiān)測(cè)區(qū)域，針對(duì)特定的結(jié)構(gòu)可采用不同的組網(wǎng)方式，常用為樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖8。

圖8 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 ZigBee network topology

組建一個(gè)新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)首先由應(yīng)用層發(fā)出網(wǎng)絡(luò)組建請(qǐng)求，由網(wǎng)絡(luò)層向MAC層發(fā)出信道能量檢測(cè)、信道掃描等請(qǐng)求并接收返回?cái)?shù)據(jù)包。檢查有無(wú)其他網(wǎng)絡(luò)最終選擇一個(gè)空閑信道，選擇PANID，建立網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)許接入點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并分配地址，成功返回［7］。流程如圖9。

圖9 建立網(wǎng)絡(luò)流程Fig.9 Network establishing process

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，受條件限制，實(shí)驗(yàn)時(shí)僅加入3種傳感器節(jié)點(diǎn)，風(fēng)速、溫度、濕度各一個(gè)。實(shí)驗(yàn)中采用的ARM系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板自帶了很多可擴(kuò)展或直接可用的接口，這里并未使用。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)按照設(shè)計(jì)頻率將采集所得數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee協(xié)調(diào)器接收至現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理中心，再由GRPS模塊傳送到服務(wù)器，圖10～圖12為存儲(chǔ)在服務(wù)器中2012-03-01—06的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖10 濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.10 Humidity monitoring data

圖11 應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.11 Strain monitoring data

圖12 溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.12 Temperature monitoring data

4.2 結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于每一監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)，數(shù)據(jù)與實(shí)際所反應(yīng)的環(huán)境情況完全吻合。實(shí)驗(yàn)過(guò)程驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，穩(wěn)定性，可靠性，為驗(yàn)證數(shù)據(jù)預(yù)處理的結(jié)果可靠性，可在節(jié)點(diǎn)端用軟件編程方式返回奇異數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)證明在現(xiàn)場(chǎng)預(yù)處理過(guò)程中會(huì)將奇異值剔除并備注。

5 結(jié)語(yǔ)

橋梁健康監(jiān)測(cè)具有實(shí)時(shí)性、長(zhǎng)期性、條件惡劣等要求，筆者針對(duì)橋梁健康監(jiān)測(cè)的這些特點(diǎn)，將嵌入式技術(shù)與ZigBee無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)、GPRS技術(shù)結(jié)合起來(lái)提出了新型的嵌入橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定、低成本、低功耗、安裝方便、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，能對(duì)橋梁環(huán)境健康進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)完成了對(duì)該系統(tǒng)的功能可靠與穩(wěn)定性的初步驗(yàn)證，但是目前該系統(tǒng)還未進(jìn)行實(shí)地領(lǐng)域測(cè)試，系統(tǒng)的實(shí)地性能還有待進(jìn)一步考證。

［1］ Zhuang Xiaoqi，Zhang Lijun，F(xiàn)ang Min，et al.An Embedded System of Bridge Stress Monitoring Based on ARM9 and Zigbee［C］//2010 International Conference on Electrical and Control Engineering.Wuhan:ICECE，2010:5007-5010.

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