李慧娟，蘭西柱，于慧，胡喬森

（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京100083）

橋梁壓力監(jiān)測無線傳輸系統(tǒng)研究

李慧娟，蘭西柱，于慧，胡喬森

（中國礦業(yè)大學（北京）機電與信息工程學院，北京100083）

橋梁作為我國重要的大型民用基礎(chǔ)設(shè)施之一，由于自然老化和損傷積累，其安全性和可靠性都存在著巨大隱患，因此橋梁壓力監(jiān)測在事故預警、橋梁建設(shè)、橋梁維修養(yǎng)護等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用.針對現(xiàn)場采集橋梁壓力數(shù)據(jù)進行遠距離無線傳輸?shù)男枨螅芯坎⒃O(shè)計了基于GPRS通信技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)作為橋梁壓力監(jiān)測系統(tǒng)中的傳輸網(wǎng)絡(luò).基于GPRS技術(shù)的遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)是一種基于通用無線分組業(yè)務(wù)的新型智能化、集成化的自動控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以ARM處理器為核心控制器，集成GPRS無線通信模塊用于對實時采集的橋梁壓力參數(shù)進行無線傳輸，突破了傳統(tǒng)的有線傳輸模式，實時性強、可靠性高、成本更低、不受地域限制，提高了橋梁信息監(jiān)測的時效性.

無線傳輸；GPRS通信技術(shù)；實時監(jiān)測

0 引言

隨著數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的迅速發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)正逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、公共可控設(shè)備、家庭電器和環(huán)境等領(lǐng)域的遠程監(jiān)控.橋梁作為我國重要的大型民用基礎(chǔ)設(shè)施之一，有著投資大且使用周期長等特點.隨著我國橋梁事業(yè)的發(fā)展，橋梁規(guī)模不斷大型化，功能也日益復雜化.與此同時，許多既有橋梁由于環(huán)境腐蝕、材料老化以及交通運輸負荷增加等因素，其結(jié)構(gòu)不可避免地產(chǎn)生了自然老化和損傷積累，導致其安全性和可靠性都存在著巨大隱患，因此橋梁壓力監(jiān)控已成為國內(nèi)外學術(shù)界、工程界研究的新熱點.

目前，橋梁壓力監(jiān)測常用的方法是將現(xiàn)場采集的信息進行量化，以有線或無線的方式傳輸至監(jiān)控中心，從而使遠程監(jiān)控人員更加直觀地了解橋梁的現(xiàn)狀，既能大大地提高監(jiān)測效率，又能有效地降低事故發(fā)生率.有線方式主要是架設(shè)電纜或光纜、公用電話網(wǎng)絡(luò)和專用線路等，其中應(yīng)用比較廣泛的數(shù)據(jù)傳輸線路是專用線路和電話線.但是這種方式受距離限制，各數(shù)據(jù)點之間的距離越遠，網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)的投資就越大.而相對于有線傳輸方式布線困難、成本較高等缺點而言，無線方式[1]主要是建立專用的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和利用GSM公共網(wǎng)絡(luò)，打破了距離的限制，使得數(shù)據(jù)傳輸更加便捷.基于GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸方式可以更好地實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)的遠程實時在線監(jiān)測.

1 遠程終端單元（RTU）無線傳輸裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計要求

基于GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由監(jiān)測站點、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心三部分組成[2].監(jiān)測站點的采集裝置完成橋梁壓力信息的采集，信息經(jīng)過傳感器后，已經(jīng)由模擬量變成了數(shù)字量，采集裝置將這些信息傳送給傳輸裝置，傳輸裝置完成數(shù)據(jù)的存儲、發(fā)送工作，它將橋梁信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給監(jiān)控中心.

監(jiān)控中心的服務(wù)器與互聯(lián)網(wǎng)（Internet）連接在一起，監(jiān)控中心可以直接向監(jiān)測站點發(fā)出指令數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到監(jiān)測站點，監(jiān)測站點的傳輸裝置收到數(shù)據(jù)包后，將根據(jù)監(jiān)控中心發(fā)送的指令，從flash存儲器中調(diào)取數(shù)據(jù)，傳輸裝置的微控制單元（MCU）將數(shù)據(jù)打包后通過GPRS通信模塊傳送給監(jiān)控中心.本課題主要對傳輸裝置的硬件及軟件設(shè)計進行研究.系統(tǒng)需要實現(xiàn)的主要功能如下：

1）無線通信數(shù)據(jù)接收功能：實現(xiàn)對位置不易布線的傳感器的數(shù)據(jù)采集.

2）RS485通信數(shù)據(jù)接收功能：在傳感器容易布線的位置，使用RS485有線通信實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集. 3）數(shù)據(jù)存儲功能：具備監(jiān)測橋梁壓力數(shù)據(jù)的實時存儲功能.

4）GPRS無線通信功能[3]：為遠程實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳輸終端與數(shù)據(jù)中心建立通信橋梁.

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個系統(tǒng)包括兩部分，即監(jiān)測站點和監(jiān)控中心.其中監(jiān)測站點又包括橋梁壓力信息采集裝置和傳輸裝置.監(jiān)測站點可以進行橋梁壓力數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲于Flash存儲器中，當收到監(jiān)控中心命令時，可以將壓力數(shù)據(jù)打包成符合上位機通信協(xié)議的數(shù)據(jù)包，并通過GPRS模塊發(fā)送給監(jiān)控中心.監(jiān)控中心能夠?qū)蛄簤毫?shù)據(jù)進行分析、處理、統(tǒng)計，可以實時監(jiān)控橋梁的健康狀況.橋梁壓力監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計圖如圖1所示.

采集裝置1

采集裝置2

RTUGPRS

監(jiān)控中心

采集裝置N

485總線通信或無線通信

圖1橋梁壓力監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖1.3RTU無線傳輸裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]

基于GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸裝置系統(tǒng)硬件部分由數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)存儲和電源等模塊組成.實現(xiàn)了對橋梁壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)實時高效的無線傳輸功能.

在硬件設(shè)計中，將現(xiàn)場橋梁壓力監(jiān)測儀采集到的橋梁壓力數(shù)據(jù)用RS485通信方式或近距離Si4438無線通信方式傳送到LPC1752單片機中并進行數(shù)據(jù)存儲，再將現(xiàn)場數(shù)據(jù)用GPRS無線通信方式傳輸至監(jiān)控中心，使監(jiān)控人員能夠更加直觀地了解橋梁的實時狀況.橋梁壓力監(jiān)測無線傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖2所示.

RS485接收模塊

GPRS模塊

壓力監(jiān)測儀無線通信接收模塊LPC1752單片機

數(shù)據(jù)存儲模塊

時鐘電路

DC/DC

電源模塊

圖2橋梁壓力監(jiān)測無線傳輸裝置的系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)的硬件選型及電路設(shè)計

2.1 硬件選型

1）主控芯片.MCU采用的是NXP公司生產(chǎn)的LPC1752芯片，LPC1752芯片采用高性能的ARM Cortex-M3 V2版本內(nèi)核，其CPU操作頻率可達100 MHz，具有三級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨立本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的第三條總線，另外還包含一個隨機跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預取指單元，使得代碼執(zhí)行速度高達1.25 MIPS/MHz.芯片工作于-40°C至+85°C的溫度范圍，供電電壓為2.4-3.6 V，該芯片是為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計的高性能、低功耗的32位微處理器，適用于儀器儀表、工業(yè)通訊、電機控制、燈光控制、報警系統(tǒng)等領(lǐng)域.

2）RS-485接口[5].選用SP3082EEN作為RS-485收發(fā)器，SP3082EEN是EXAR（SIPEX）公司開發(fā)生產(chǎn)的一款半雙工RS-485收發(fā)器，采用5 V電壓供電，芯片引腳具有很強的靜電放電保護，1/8單位負載，此外其節(jié)點數(shù)目最高可達256個并且成本低、封裝小，非常適合應(yīng)用于工業(yè)場合.

3）無線通信模塊.Si4438無線通信模塊中的Si4438器件為高性能的低電流收發(fā)器，可覆蓋425-525 MHz的次千兆赫頻段.所有零件都具有杰出的靈敏度，可同時實現(xiàn)極低有效電流和待機電流消耗.Si4438可提供超常的高達+20 dBm、具有顯著TX效率的輸出功率，實現(xiàn)了范圍擴展和高度可靠的通信鏈路，可為智能電表延長傳輸距離并提供可靠的通信鏈路.同時，內(nèi)置的分集式天線和跳頻支持可進一步擴展傳輸距離，增強無線性能.由于分集式天線緊密集成到Si4438收發(fā)器，因此可以提高系統(tǒng)鏈路預算8-10 dB，即使在惡劣的環(huán)境條件下也可以有效延長傳輸距離.

4）GPRS模塊.GPRS模塊選擇映翰通公司的嵌入式InDTU323G無線數(shù)據(jù)終端.InDTU323G利用GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)，在遠程串口設(shè)備與數(shù)據(jù)中心之間搭建一條可靠的通信鏈路.它尺寸小巧、安裝便捷、使用簡單、成本低廉，廣泛適用于電力、工業(yè)、環(huán)保、水利、氣象、交通、能源等多個領(lǐng)域，是現(xiàn)場傳統(tǒng)串口設(shè)備聯(lián)接廣域網(wǎng)的最佳選擇.該模塊采用全工業(yè)級芯片設(shè)計，工作溫度達-25℃至70℃，超低功耗，支持5.0 V（4.4-5.5 V）或4.0 V（3.6-4.2 V）兩種供電電壓.軟硬件看門狗技術(shù)，故障自愈，確保設(shè)備正常運行.支持PPP層心跳、ICMP探測以及應(yīng)用層心跳等多級鏈路檢測機制，自動恢復網(wǎng)絡(luò)故障，維持無線連接“永久在線”，為無人值守現(xiàn)場搭建時刻暢通的信息高速公路.

5）flash模塊.采用華邦W25Q32（32 Mbit），它是一個串行的Flash存儲器，相比于其他存儲器，該存儲器更加靈活、性能更加優(yōu)越，它能很快地將數(shù)據(jù)提供給RAM，并且掉電后數(shù)據(jù)不會丟失.W25Q32的每頁包括256 Byte，整個存儲區(qū)由16 384頁組成.支持扇區(qū)擦除、塊擦除和整個芯片擦除.W25Q32支持標準串行外圍接口（SPI）和高速的雙倍/四倍輸出，SPI可以在高達80 MHz的頻率下運行，當用快讀雙倍/四倍指令時，相當于雙倍輸出時最高速率160 MHz，四倍輸出時最高速率320 MHz.

6）EEPROM存儲模塊.EEPROM是一種通過編程可以進行讀寫和存儲用戶數(shù)據(jù)的存儲器芯片.其主要優(yōu)點是掉電時不會丟失用戶存儲的數(shù)據(jù)，而且用戶可以通過編程多次更改存儲的數(shù)據(jù)內(nèi)容.

設(shè)計中采用了容量為2 kB的CAT1023和容量為16 kB的AT24C128分別用作看門狗復位和系統(tǒng)參數(shù)存儲，CAT1025是基于微控制器系統(tǒng)的存儲器和電源監(jiān)控的完全解決方案.利用低功耗CMOS技術(shù)將存儲量為2 kB的串行EEPROM和用于掉電保護的系統(tǒng)電源監(jiān)控電路集成在一塊芯片內(nèi).存儲器采用400 kHz的I2C總線接口，工作電壓范圍3.0-5.5 V，具有2 kB的EEPROM存儲容量，16 Byte頁寫緩沖區(qū)，可進行100萬次編程和擦除，數(shù)據(jù)的保存時間為100年，可進行手動復位.而AT24C128存儲器芯片主要用來進行系統(tǒng)參數(shù)的存儲.標準工作電壓是1.8-3.6 V，具備兩線串行接口、寫防護引腳硬件和軟件數(shù)據(jù)防護，64 Byte頁寫模式，雙向數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議.

2.2 核心電路設(shè)計

2.2.1 主控芯片工作電路

單一的微處理器不能進行任何工作，只有加上必要的電源、時鐘和復位電路，這個芯片才構(gòu)成一個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)成為最小系統(tǒng)，才能實現(xiàn)最基本的功能.圖3所示為LPC1752最小系統(tǒng)原理圖，圖中沒有畫出復位、時鐘和電源電路，只是標記了相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)標號.

圖3 LPC1752系統(tǒng)工作電路

2.2.2 RS-485串口電路設(shè)計[6]

圖4 ADuM1201ARZ隔離器電路

圖5 RS-485收發(fā)器電路

研究中選用ADuM1201ARZ作為隔離器，它可以將MCU和RS485收發(fā)器進行數(shù)字隔離，AD－uM1201ARZ隔離器和RS-485收發(fā)器SP3082EEN相關(guān)電路分別如圖4和圖5所示.在收發(fā)器電路中，兩個5.1 kΩ的上拉、下拉電阻，增加了驅(qū)動能力，此外考慮到工業(yè)現(xiàn)場有時會出現(xiàn)很大的脈沖干擾，而且設(shè)備在戶外可能會遭遇雷擊，因此在模塊A/B線端加上瞬變電壓抑制二極管進行進一步防護.圖5中的B0505S-1W具有隔離5 V電源的作用.

2.2.3 EEPROM存儲模塊電路設(shè)計

CAT1023采用3.3 V直流電壓供電，圖6中4個4.7 kΩ的電阻是上拉電阻，SCL、SDA、WDI分別與控制器LPC1752芯片對應(yīng)的管腳相連.調(diào)試時，JP2短接，JP3斷開，調(diào)試完成；下載程序后，JP3短接，JP2斷開；程序跑飛后，進行看門狗復位操作.CAT1023采用的是I2C總線驅(qū)動，在程序中將其默認地址設(shè)為0.其工作電路如圖6所示.

AT24C128采用3.3 V供電電壓，其工作電路非常簡單，由圖7可知，其I2C的通信地址已被硬件電路設(shè)置為1了，SCL1、SDA1分別與控制器LPC1752的相應(yīng)引腳（SCL1、SDA1）相連.

圖6 CAT1023工作電路

圖7 AT24C128驅(qū)動電路

2.2.4 GPRS模塊接口電路設(shè)計

在工業(yè)現(xiàn)場，用戶將InDTU323G數(shù)據(jù)終端嵌入到現(xiàn)場智能串口設(shè)備中，InDTU323G利用GPRS網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場串口設(shè)備和數(shù)據(jù)中心間的無線數(shù)據(jù)通信，為用戶提供穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道.其接口設(shè)計[7]如圖8所示.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件開發(fā)平臺選用Keil uVision系列，德國Keil Software公司推出的51系列兼容單片機軟件開發(fā)系統(tǒng).uVision是集成的可視化Windows操作界面，其提供了豐富的庫函數(shù)和各種編譯工具，能夠?qū)?1系列單片機以及和51系列兼容的絕大部分類型的單片機進行設(shè)計.Keil uVision系列可支持單片機C51程序設(shè)計語言，也可直接進行匯編語言的設(shè)計與編譯.該軟件還提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，在開發(fā)大型軟件時能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢.

圖8 GPRS模塊接口

首先，軟件進行初始化，在初始化中開啟定時器，若定時時間沒有達到，則MCU繼續(xù)等待，若達到定時時間，則MCU關(guān)閉定時器，通過RS485或無線模塊Si4438進行數(shù)據(jù)的采集、存儲操作；若MCU沒有接收到上位機控制指令，則繼續(xù)開啟定時器，時間到后，進行數(shù)據(jù)的采集、存儲操作.當接收到上位機的控制指令后，則MCU從Flash存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并將讀取的數(shù)據(jù)打包成符合上位機協(xié)議的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過GPRS模塊發(fā)送給上位機，發(fā)送完畢后，結(jié)束此次上位機控制MCU的指令操作.此后，MCU一直在進行著定時，時間到后進行數(shù)據(jù)采樣、存儲操作，并等待上位機的控制指令[8].整體系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示.

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)論

數(shù)據(jù)接收部分針對橋梁周邊環(huán)境布線難易問題設(shè)計了Si4438無線通信模塊和S485通信模塊，相應(yīng)地設(shè)計并編寫了可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的通信應(yīng)用協(xié)議.具備GPRS無線通訊模塊，在遠程傳輸終端與數(shù)據(jù)中心之間搭建一條可靠的通信鏈路，然后設(shè)計并編寫了可以進行數(shù)據(jù)發(fā)送和指令接收的通信應(yīng)用協(xié)議.基于GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)利用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)資源，實現(xiàn)了小批量、非連續(xù)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，為現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種新型便捷的數(shù)據(jù)傳輸方式，這也將成為工業(yè)控制及現(xiàn)場監(jiān)測等領(lǐng)域的發(fā)展趨勢.

[1]姜曉榮.基于GPRS的太陽能熱水系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集器研制[D].杭州：杭州電子科技大學，2015.

[2]沈紅衛(wèi).單片機通信與組網(wǎng)技術(shù)實例詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[3]楊朝鋒，黃玉志，馬彬，等.基于GPRS的井場遠程監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2013，21（16）：87-89.

[4]王戰(zhàn)備.基于GPRS的茶園土壤溫濕度遠程監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究，2013，（6）：186-189.

[5]李海雯.基于GPRS的風井綜合參數(shù)安全監(jiān)控軟件設(shè)計[J].煤礦機械，2012，33（4）：254-256.

[6]李江全.單片機串口通信及測控應(yīng)用實戰(zhàn)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[7]肖碩.單片機數(shù)據(jù)通信典型應(yīng)用大全[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[8]周積強.基于GPRS的接地電阻自動檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].氣象水文海洋儀器，2011，28（4）：57-61.

（責任編輯鈕效鹍）

A Research of Wireless Transmission System on Monitoring Pressures of Bridges

LI Hui-juan,LAN Xi-zhu,YU Hui,HU Qiao-sen
(School of Mechanical Electronic&Information Engineering,China University of Mining&Technology,Beijing 100083,China)

Bridges are a major large-scale civilian infrastructure in China.With natural aging and damaged accumulation,the bridges have very serious risks on safety and reliability.Monitoring pressure of bridges plays an important role in accident warning,bridge construction,bridge maintenance and so on.To transmit information of bridge pressure,this paper aims at researching and designing wireless transmission system on monitoring pressure of bridges based on GPRS as transit network of the bridge pressure monitoring system.The remote online monitoring system is a kind of small-size intelligent automatic control system based on GPRS.This system uses ARM as the core controller,and also integrates GPRS wireless communication module using on real-time information collection.It breaks through the traditional wire transmission pattern,improving information efficiency.Moreover,it has many advantages,such as strong real-time capability,high reliability,lower cost and without any geographic restriction.

wireless transmission;GPRS communication technology;real-time monitoring

TE927

A

1673-1972（2017）03-0039-07

2017-02-21

李慧娟（1990-），女，河北邯鄲人，碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用研究.