基于传感器网络和GPRS网络在岩土工程应力监测

随着我国经济的腾飞，公路、大跨度桥梁、大坝等大型岩土建筑数量越来越多。而地质因素、施工质量、建筑老化等问题使岩土建筑的健康状况的监控变得日益迫切，当今主流的检测应力方法多为人工定时持应力监测设备进行实地测量，这就难免导致数据监测的不及时,并产生人为误差。
本系统主要利用了无线传感器网络便捷、成本低和功耗低等优点，结合GPRS（General Packet Radio Service）网络的运用，实现了对岩土建筑应力数据的实时采集，并通过GPRS网络对数据进行远程传输。在成本方面，大大节约了以往采用人力监测的资源消耗；同时，GPRS网络和无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks)技术的结合运用，使监测方式变得简单易行，并更具可操作性[1]。
系统主要利用了无线收发芯片、低功耗单片机以及GPRS模块，通过数据采集节点、数据发送节点将从岩土建筑采集得到的应力数据实时传输到远端的监测人员手中，从而实现了远程实时监测的目的。系统主要由数据采集节点、数据发送节点组成，通过写入协议栈，设置协调器、路由器和数据终端，组建基于ZigBee协议的传感器网络，数据采集范围可随采集节点网络的增加而扩大[2]。网络先通过“多跳的方式”将多点数据进行汇总，然后通过GPRS网络以短消息方式发送到远端的接收端。另外，通过使用GPRS模块的TCP/IP协议的网络传输功能，应力数据可以同步传输到PC终端，从而实现在线监测。系统示意图如图1所示。
1 硬件平台的设计
1.1 整体平台
本文系统主要通过单片机分别控制无线发射模块和GPRS模块，通过从传感器采集数据，再经2.4 GHz频段信道传送到终端发送节点，最后通过GPRS模块将数据以短信模式发送出去。硬件结构示意图如图2所示。
1.1.1 网络节点
微控制器MCU(Micro Control Unit)选用了MSP430F1611，它是具有超低功耗的16位单片机。在活动模式下，MSP430的功耗可以达到280 滋A。其次，12位带采样保持的A/D转换模块可以为传感器数据采集提供模数转换。两路串行通信口USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)可以满足通过SPI口对射频模块进行控制的同时，还可以对GPRS模块实现操作[3]。
无线收发芯片选用了TI公司的CC2420，这款芯片兼容IEEE 802.15.4无线收发芯片，性能优良，功耗低，体积小，非常适用于无线传感器网络领域。CC2420具有完全集成的压控振荡器，只需要在外围扩充天线及16 MHz晶振等少许元件，就可以在2.4 GHz频段使用。该芯片配有SPI口，便于与微控制器连接使用。本方案选用MSP430F1611作为微控制器，对CC2420进行寄存器配置、读取状态位，以及控制收发数据等操作[4]。
GPRS模块选用SIMCOM 300，它具有支持AT命令控制、RS232、TTL电平双模式控制等优点，十分有利于系统的应用。
JTAG接口主要用于下载、调试程序，USB接口可实现与计算机直接通信。
1.1.2 数据采集模块
传感器：本系统选用了传统贴式应变片，通过设计放大、保持电路，将形变量转换成电信号。应力数据采集部分将应变片黏贴于桥梁模型上,输出电压为：
式中ε为应变片电桥激励电压, ε为应变片形变量，A为信号调理电路放大倍数。在本文所用桥梁模型中，输出电压信号范围为1 V～2 V。
1.2 硬件连接
CC2420在通信中主要使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4个引脚说明通信状态。SFD引脚表明是否在接收或发送数据帧；FIFO在接收中指示接收缓冲器中是否有数据；FIFOP用于指示接收数据的上限到达或者完整地接收帧；CCA用于查看信道是否为空。
CC2420与MSP430的连接非常方便。只需要使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4个引脚表示收发数据状态；而处理器通过SPI接口与CC2420交换数据、发送命令。SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引脚组成。处理器通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和储存器。在访问过程中，接收来自处理器的时钟信号和片选信号，并在处理器的控制下执行输入/输出操作。在本方案设计中，MSP430处于主模式，CC2420处于从模式。
MSP430与SIM300的硬件连接通过RX、TX和GND三线连接。处理器用USART0串行通信口通过此三线运用异步通信模式向GPRS模块写入AT命令，以达到控制其发送短信的目的。具体硬件连接图如图4所示。
传感器与单片机的连接通过将传感器的输出端连接到单片机上相应的模数转换通道接口。
2 软件设计
系统主要通过TI公司提供的编译器IAR Embedded Workbench 430 4.21进行编程，通过对SPI口、ADC口、定时器以及CC2420的配置，完成一系列数据收发。本文将以点对点通信为例，将系统程序分为数据发送模块和数据接收模块予以介绍。
2.1 数据发送模块
本模块主要负责控制传感器定时采集数据，并通过模数转换将采集到的电信号转换为数据，最后通过设置CC2420将数据通过2.4 GHz信道发送出去。
程序首先对单片机的各个需要模块进行初始化，再通过SPI串口对CC2420进行配置寄存器以及设置源地址、目的地址等。初始化完成后，单片机进入低功耗模式等待定时中断到来。通过软件设置，可以设定采集数据周期。当采集数据数目达到预定值后，将按预先规定格式将所采集数据、目的地址等依次写入发送缓冲器，然后发送出去。按照自定义协议，若数据成功接收，发送端将会接收到确认帧。具体发送流程如图 5所示。
2.2 数据接收模块
数据接收模块的功能是把从发送节点发送过来的数据，通过单片机控制GPRS模块，将数据以短信形式发送出去，具体程序流程如图6所示 。初始化过程与数据采集模块相同，初始化完成后单片机进入低功耗模式等待接收数据。在配置CC2420时，已预先设置好触发FIFOP中断的条件，当接收数据长度超出预设值时，FIFOP电平变化，触发单片机中断。CC2420首先进行地址确认，若数据中的目的地址与本节点地址吻合，则地址确认成功，硬件自动发送确认帧。发送后，按照协议规定，依次读出帧长度、控制帧以及用户数据等。通过对收到数据的分析，在应力数据值超过预定门限值时，调用函数将应力数据通过短信发送到监测人员手机。
另外，传感器采集节点发送的整型数据需要通过ASCII码转换将其变为字符型数据才能发送。将编码后的数据封装到AT命令中，然后通过串口写入GPRS模块便可达到发送短信的目的。
3 模拟验证
通过钢条模拟桥梁状况，用本文设计的系统进行模拟验证，可实现应力数据的实时采集。在9 V干电池供电的情况下，通过施加给钢板不同大小的垂直作用力，产生不同强度的形变量，电压信号可从2 V～1 V变化。相应经过模数转换和线性处理后的数字信号，指示的数据可从0 N～80 N之间进行对应的线性变化。通过软件设置大约20 s的采样间隔，并设置固定门限值后，在人力施加外力导致钢板形变大约15 s后能接收到短信报警信号，并能显示相应的应力值。
本文介绍的应力监测系统将高性能、低功耗的MSP430单片机与射频模块和GPRS网络结合起来，通过利用2.4 GHz频段的便捷通信使远程实时监控变得更容易，同时大大降低了人力物力的消耗。节点在低功耗模式下，功耗电流可低至36 μA,使用单节AA电池供电就可以支撑较长时间。无线数据传输的模式，摆脱了由于布线受地理因素影响的限制。该系统硬件连接简单，易于实现和维护，功耗极低，便于长期使用。