摘要：作为路桥施工中常见的一种结构，路桥支架结构存在施工监理和在役监测难，以及检测手法有限等问题在此提出了一种依据Zigbee和GPRS无线通讯技能的支架结构安全监测体系。该体系由ZigBee技能组成无线传感器网络对支架结构立杆及剪刀撑部位进行应变和倾角的数据收集，智能无线传感器将所收集数据直接或经过路由设备无线发送至和谐器。GPRS网络再将ZigBee和谐器会聚数据进行无线远传至长途监控中心监测软件。上位机监测软件选用LabVIEW编写，实时显现监测现场数据，并可以完结对数据的存储、查询及报警。试验测验成果表明该体系可以完结对支架结构的在线、快速、精确丈量，然后满意对支架结构进行长时刻实时监刹的要求。
支架法作为路桥施工中常见的一种办法，因为其施工技能老练和便利、造价低价、运用寿命长，因而获得了广泛的运用。支架结构作为路桥结构施工的载体，不仪承受着钢筋混凝土及各种建筑材料和建筑设备等载荷，一起仍是施工人员笔直交通的通道和作业渠道。
目前我国对支架结构的施工监理、在役监测手法极为有限，一般选用在支架结构构件拼装前对其进行离线的破坏性力学功用测验，以及树立完结后监理人员的现场巡查检测，检测东西多为经纬仪、卷尺、角尺等传统量测东西。这些力学破坏性检测办法属有损检测，现场巡查的检测办法更是加大了工程监理人员的劳动强度，而且只能抽样检测，彻底不能满意工程实践快速、实时、全面的检测需求。因而，迫切需求开展一种无线安全监测技能，然后完结对支架结构的全面健康监测。
常见的无线通讯技能从通讯距离上可划分为远距离无线通讯(如GPRS，GSM，LTE，CDMA等)和近距离无线通讯(如UWB，WiFi，ZigBee，IrDA，Bluetooth等)。其间，GPRS技能因为具有永久在线、远距离传输、数据传输速率高、按流量计费等特色而广泛运用于移动商务、移动互联网、工业操控等范畴。ZigBee技能因为具有低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率以及较远的传输距离等特色，广泛运用于智能家居、无线抄表、工业操控、手机终端、楼宇自动化等范畴，在无线通讯范畴具有清楚明了的优势和潜在的运用价值。在充分利用GPRS远距离通讯技能以及ZigBee近距离无线组网技能的基础上，将二者的优势彼此结合，开发了一种依据ZigBee和GPRS的支架结构安全监测体系。
1 体系全体架构
整个体系首要由无线传感器网络、GPRS网络和Internet组成。其间，无线传感器网络选用ZigBee技能在支架施工现场进行无线组网，不同类型的设备涣散安置于支架结构的被测方位处。其间，智能无线传感器设备担任收集支架自身监测区域的数据，并将收集到的数据经过无线射频模块发送，路由设备接纳收集到的数据并将其转发至ZigBee和谐器设备，和谐器设备再将路由设备转发的数据经过RS 232串口传输至数据传输单元(Data Transmit Unit，GPRS DTU)，CPRS网络与Internet网相连将数据送至长途监控中心(即指挥中心)PC机网络端口，并在LabVIEW人机交互软件界面上显现，终究完结支架结构无线安全监测。图1为本体系全体结构图。
2 体系硬件电路规划
2.1 智能无线传感器
智能无线传感器涣散安置在支架结构的关键部位，依据对支架结构坍毁原因的剖析研究，总结出所需的被测物理量。常见的坍毁原因有：
(1)支架承载力不满意要求，部分立杆被压弯失稳导致全体崩塌;
(2)立杆笔直高度差错偏大，部分扣件未拧紧，水平杆衔接未选用搭接方法;
(3)实践施工中产生部分地基不均匀下沉(全体均匀下沉另当别论)，下沉的立杆所应该分管的荷载转嫁到未下沉立杆上，构成未下沉立杆超载失稳;
(4)不均匀加载;
(5)混凝土浇筑过程中呈现异常振荡，未引起注重。
因而，经过丈量支架结构的应力、位移、应变、振荡、倾角等物理量，可以完结支架结构全体的丈量。将上述物理量之间彼此转化，终究可概括为丈量支架结构的应变和倾角。经过丈量这两个物理量，即可到达对支架结构进行全面监测的作用。智能无线传感器由数据收集模块、数据处理模块、无线射频模块和电源办理模块4部分组成。图2为智能无线传感器硬件结构图。数据收集模块收集支架监测区域关键部位的应变和倾角信息。应变片首要担任收集支架立杆结构的应变值，经过惠斯通电桥将其转化为弱小改变的电压量。倾角传感器则担任监测支架结构歪斜视点的改变，并经过视点改变的相对值来判别支架全体结构的安全稳定性。
数据处理模块首要功用是将弱小的电信号进行扩展、滤波，再将处理后的模仿电信号经微操控器内部的ADC转化为数字信号。在此挑选美国AD公司的AD626完结。AD626是由精细平衡衰减器、低漂移前置扩展器和输出缓冲扩展器组成的差分扩展器。既可在单电源2.4～10 V下作业，又可在双电源1.2～+6 V下作业。用于精确扩巨细的差分信号而且不运用其他有源元件对大共模电压滤波，一起，该芯片具有低成本、低功耗、低供电等特色。AD626具有8个引脚。其间1脚、8脚用于差模电压输入，5脚用于扩展电压的输出，2脚接地，3脚、6脚别离为电源供电的正负接线端，4脚接一电容可完结低通滤波，滤波器截止频率fw计算公式如式(1)所示：
式中Cf为4脚外接%&&&&&%容值。
7脚经过改正外接电阻阻值来调整电路扩展倍数。AD626芯片引脚衔接图如图3所示。
无线射频模块选用美国TI公司推出的CC2530芯片。它是一款彻底兼容8051内核，一起支撑IEEE802.15.4协议的无线射频单片机，是一个真实的体系芯片(System on a chip，SoC)CMOS解决方案。芯片内部CPU对ADC转化数据进行剖析处理后将数据成果以数据包方法经过无线射频进行发送。
电源办理模块是整个设备可以正常运转的确保。选用电池供电可以满意无线传感器小体积、低功耗、低成本的要求。为了确保收集数据的精度及整个智能无线传感器模块的作业功用，选用REG1117-3.3稳压芯片树立电源稳压电路，以削减电源动摇对整个硬件电路的影响。
2.2 路由设备
路由设备首要担任帮忙与其衔接的智能无线传感器和和谐器设备之间的通讯，并经过多跳路由的方法进行中继传输，扩展通讯距离。路由设备也是涣散的装置在支架结构上，装置时遵循无线衔接掩盖智能无线传感器设备数量最多的准则。路由设备只担任传输数据，因而与智能无线传感器比较，不具有数据收集模块和数据处理模块。
2.3 和谐器设备
和谐器设备担任整个网络的树立和保护，并办理路由设备或智能无线传感器的参加和删去。和谐器设备最好装置在监测现场中心方位，这样可以确保整个ZigBee网络拓扑层数尽量少，削减设备资源的糟蹋。当整个网络的发动和装备功用完结之后，和谐器设备便退化为一个一般的路由设备，此刻，可以接纳路由设备或智能无线传感器发送的数据包，并将这些数据包经过RS 232串口转发到GPRS DTU。和谐器设备硬件结构图如图4所示。
和谐器设备是整个无线网络运转的中心，在其运转和保护中起着关键作用。为了确保整个网络的正常运转，和谐器设备选用外部供电的方法。
2.4 GPRS通讯模块
GPRS模块将无线传感器网络和Internet网络相连，完结了数据从监测现场到长途监控中心的无线传输。模块选用厦门某通讯公司的CM316 0P，该设备具有TCP通明数据传输和UDP通明数据传输，在线检测、在线保持、掉线自动重拨等功用，经过运用相应装备软件，可以完结GPRS DTU的本地串口装备，为数据的发送和接纳做准备。
3 体系软件程序规划
3.1 下位机程序规划
下位机程序规划运用IAR Embedded Workbench集成开发环境，在TI公司供给的ZStack—CC2530—2.2.2.1.3.0协议栈的基础上进行该体系运用程序的开发。
关于与GPRS DTU相衔接的和谐器设备。体系上电后，首要进行硬件和协议栈的初始化，然后进行能量检测，挑选出适宜的作业参数，最终答应设备衔接，发动网络。之后，和谐器设备处于一向监测空中无线信号的情况，当检测到数据恳求时，会接纳并转发数据至串口端。当和谐器发送数据完结后，将处于闲暇情况，此刻若有新的设备参加网络，则和谐器将与其树立衔接并为其分配网络地址。
路由设备成功参加网络后，一向处于监测空中无线信号的情况。当检测到有来自其他设备的数据恳求指令时，则对该数据包进行路由转发。智能无线传感器设备成功参加网络后，则依据程序内部定时器现已设定好的时刻距离周期性地对应变值和倾角值进行收集与发送。图5为和谐器设备、路由设备和只能无线传感器设备等三种设备节点的程序流程图。
3.2 上位机软件规划
本体系依据美国NI公司的LabVIEW软件开发渠道，规划了支架结构无线安全监控体系上位机软件，图6为体系上位机软件规划流程。
首要，ZigBee网络中的和谐器节点经过RS 232串口和GPRS网络将收集到的数据无线传输至长途监控中心PC机上，上位机软件侦听网络端口号信息，依据接纳到的数据包标识，将收集到的支架结构各个方位应变和倾角信息实时显现到人机交互界面的对应方位，一起保存至Micro soft Office Access数据库。当用户需求对应变值和倾角值进行数据剖析时，可依据收集时刻以及设备号查询历史数据，并将查询成果以曲线方法进行显现。除此之外，软件选用分级阈值报警机制对数据进行分类，当数据超越规则限值时，弹出报警提示对话框，并别离对应变和倾角运用情况指示灯对不同等级的报警进行显现，以便用户及时采纳相应措施，防止事端的产生。
4 体系测验
所树立的支架结构安全监测验验体系由和谐器设备、路由设备、两个智能无线传感器设备、GPRS DTU、SIM卡及PC机监控软件组成。智能无线传感器别离装置在支架结构的不同立杆上，应变片衔接成半桥方法与智能无线传感器相连，如图7所示。
将SIM卡置于GPRS DTU中并注册GPRS上网功用，和谐器设备经过RS 232串口与GPRS DTU衔接。开端测验时，上位机软件设置好网络端口号，并与GPRS DTU树立无线衔接。然后，按次序顺次发动和谐器设备、路由设备、智能无线传感器。向支架立杆施加压力，调查上位机监测软件得到的应变和倾角值。软件测验输出成果如图8所示。
依据软件测验成果，可知该体系在初始方位具有初应变及倾角值，这是因为支架在树立时，支架自身的立杆、横杆、胶木板等会在所测方位构成由重力引起的初应力。而图7中，智能无线传感器装置时近似笔直，因而测验成果也显现支架立杆处视点为89°。
跟着时刻的推移，经过向立杆上方逐步添加重物，可以看出应变和倾角曲线一起呈现了较大的改变。应变曲线改变较显着，这是因为应变电桥具有高灵敏度，一起弱小信号又被扩展，因而可以很简略被检测出。而倾角则因为立杆上方被压了重物，而构树立杆有小范围的歪斜，直到最终不再施加压力，应变值和倾角值才趋于稳定。
经过上述剖析，该体系可以经过无线通讯方法完结对支架结构监测区域应变和倾角的在线、快速、精确丈量，然后满意对支架结构进行长时刻实时监测的要求。
5 结语
本文树立依据ZigBee和GPRS无线通讯技能支架结构安全监测体系。该体系经过分布式无线传感器网络收集支架结构的应变和倾角等数据，完结PC机监测软件实时收集数据与阈值报警的功用。该体系组网灵敏、简略，可靠性强、实时性强。上位机监测软件功用模块独立有序运转，操作界面友爱。比较传统有线监测该体系更智能、便利，运用户足不出户就可随时把握现场情况。
