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基于ZigBee和GPRS的支架结构安全监测系统设计

文档作者：王泽林1 褚彬潜1 干啸洪2 李子明3 刘增华3 翟弢1 文档来源： 1.浙江省交通运输厅2.慈溪市公路建设工程指挥部 3.北京工业大学		点击数：	更新时间： 2021年05月21日
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现代电子技术
Modern Electronics Technique 2013年12月15日
第36卷第24期Dec. 2013
Vol. 36 No. 24
支架法作为路桥施工中常见的一种方法，由于其施
工技术成熟和方便、造价低廉、使用寿命长，因此获得了
广泛的使用[1]。支架结构作为路桥结构施工的载体，不
仅承受着钢筋混凝土及各种建筑材料和建筑设备等载
荷，同时还是施工人员垂直交通的通道和作业平台[2]。
目前我国对支架结构的施工监理、在役监测手段极
为有限，通常采用在支架结构构件组装前对其进行离线
的破坏性力学性能测试，以及搭建完成后监理人员的现
场巡查检测，检测工具多为经纬仪、卷尺、角尺等传统量
测工具。这些力学破坏性检测方法属有损检测，现场巡
查的检测方法更是加大了工程监理人员的劳动强度，并
且只能抽样检测，完全不能满足工程实际快速、实时、全
面的检测需要。因此，迫切需要发展一种无线安全监测
技术，从而实现对支架结构的全面健康监测。
常见的无线通信技术从通信距离上可划分为远距
离无线通信（如GPRS，GSM，LTE，CDMA等）和近距离无
线通信（如UWB，WiFi，ZigBee，IrDA，Bluetooth 等）。其
中，GPRS技术由于具有永久在线、远距离传输、数据传
输速率高、按流量计费等特点而广泛应用于移动商务、
移动互联网、工业控制等领域。ZigBee技术由于具有低
基于ZigBee 和GPRS 的支架结构安全监测系统设计
王泽林1，褚彬潜1，干啸洪2，李子明3，刘增华3，翟弢1
（1.浙江省交通运输厅工程质量监督局，浙江杭州311215；
2.慈溪市公路建设工程指挥部，浙江慈溪315300；3.北京工业大学机电学院，北京100124）
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，以及检测手段有限等问题。在
此提出了一种基于Zigbee和GPRS无线通信技术的支架结构安全监测系统。该系统由ZigBee技术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采集，智能无线传感器将所采集数据直接或通过路由设备无线发送至协调
器。GPRS网络再将ZigBee协调器汇聚数据进行无线远传至远程监控中心监测软件。上位机监测软件采用LabVIEW编写，
实时显示监测现场数据，并能够实现对数据的存储、查询及报警。实验测试结果表明该系统能够实现对支架结构的在线、快
速、准确测量，从而满足对支架结构进行长期实时监测的要求。
关键词：支架结构；数据采集；ZigBee协议；无线传感器网络；GPRS
中图分类号：TN919⁃34；TM933.2 文献标识码：A 文章编号：1004⁃373X（2013）24⁃0090⁃04
Design of supporting structure monitoring system based on ZigBee and GPRS
WANG Ze⁃lin1，CHU Bin⁃qian1，GAN Xiao⁃hong2，LI Zi⁃ming3，LIU Zeng⁃hua3，ZHAI Tao1
（1. Engineering Quality Supervision Bureau，transportation Department of Zhejiang Province，Hangzhou 311215，China；
2. Cixi City Expressway Construction Headquarter，Cixi 315300，China；
3. College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）
Abstract：As one of common structure forms of road and bridge construction，there are some difficulties of construction su⁃
pervision and in⁃service monitoring and a limitation of inspection methods in the project construction of supporting structure. In
this paper，a supporting structure safety monitoring system based on ZigBee and GPRS wireless communication technique is pro⁃
posed. In the system，strain and angle about upright tube and diagonal bridging are collected by ZigBee wireless sensor net⁃
work，then the collected data is transmitted straightly or through router to coordinator，and the aggregated data is wirelessly
transmitted to remote monitoring center through GPRS subsequently. LabVIEW is adopted for compiling the PC monitoring soft⁃
ware，which is used for real⁃time data display of the monitored field，data storage，query and alarm. The test results show that
the system can realize the online，rapid and accurate measurement for the supporting structure，so as to meet the requirements
of long⁃term real⁃time monitoring to the supporting structure.
Keywords：supporting structure；data acquisition；ZigBee protocol；wireless sensor network；GPRS
收稿日期：2013⁃09⁃17
基金项目：国家自然科学基金资助项目(11272021)；浙江
省交通运输厅科技计划项目(2012H02)
90
第24期王泽林，等：基于ZigBee和GPRS的支架结构安全监测系统设计
成本、低功耗、低复杂度、低传输速率以及较远的传输距
离等特点，广泛应用于智能家居、无线抄表、工业控制、
手机终端、楼宇自动化等领域，在无线通信领域具有显
而易见的优势和潜在的应用价值[3]。在充分利用GPRS
远距离通信技术以及ZigBee近距离无线组网技术的基
础上，将二者的优势相互结合，开发了一种基于ZigBee
和GPRS的支架结构安全监测系统。
1 系统总体架构
整个系统主要由无线传感器网络、GPRS网络和In⁃
ternet组成[4]。其中，无线传感器网络采用ZigBee技术在
支架施工现场进行无线组网，不同类型的设备分散布置
于支架结构的被测位置处。其中，智能无线传感器设备
负责采集支架自身监测区域的数据，并将采集到的数据
通过无线射频模块发送，路由设备接收采集到的数据并
将其转发至ZigBee协调器设备，协调器设备再将路由设
备转发的数据通过RS 232 串口传输至数据传输单元
（Data Transmit Unit，GPRS DTU），GPRS 网络与Internet
网相连将数据送至远程监控中心（即指挥中心）PC机网
络端口，并在LabVIEW人机交互软件界面上显示，最终
实现支架结构无线安全监测。图1 为本系统整体框
架图。
图1 系统整体框架图
2 系统硬件电路设计
2.1 智能无线传感器
智能无线传感器分散布置在支架结构的关键部位，
根据对支架结构倒塌原因的分析研究，总结出所需的被
测物理量。常见的倒塌原因有[5]：
（1）支架承载力不满足要求，局部立杆被压弯失稳
导致整体坍塌；
（2）立杆垂直高度误差偏大，部分扣件未拧紧，水平
杆连接未采用搭接方式；
（3）实际施工中产生局部地基不均匀下沉（整体均
匀下沉另当别论），下沉的立杆所应该分担的荷载转嫁
到未下沉立杆上，造成未下沉立杆超载失稳；
（4）不均匀加载；
（5）混凝土浇筑过程中出现异常振动，未引起重视。
因此，通过测量支架结构的应力、位移、应变、振动、
倾角等物理量，能够实现支架结构整体的测量。将上述
物理量之间相互转换，最终可归纳为测量支架结构的应
变和倾角。通过测量这两个物理量，即可达到对支架结
构进行全面监测的效果。智能无线传感器由数据采集
模块、数据处理模块、无线射频模块和电源管理模块
4 部分组成[6]。图2为智能无线传感器硬件框架图。数
据采集模块采集支架监测区域关键部位的应变和倾角
信息。应变片主要负责采集支架立杆结构的应变值，通
过惠斯通电桥将其转化为微弱变化的电压量。倾角传
感器则负责监测支架结构倾斜角度的变化，并通过角度
变化的相对值来判断支架整体结构的安全稳定性。
图2 智能无线传感器硬件框架图
数据处理模块主要功能是将微弱的电信号进行放
大、滤波，再将处理后的模拟电信号经微控制器内部的
ADC 转换为数字信号。在此选择美国AD 公司的
AD626实现。AD626是由精密平衡衰减器、低漂移前置
放大器和输出缓冲放大器组成的差分放大器。既可在
单电源2.4~10 V 下工作，又可在双电源1.2~±6 V 下工
作。用于精确放大小的差分信号并且不使用其他有源
元件对大共模电压滤波，同时，该芯片具有低成本、低功
耗、低供电等特点[7]。AD626具有8个引脚。其中1脚、
8 脚用于差模电压输入，5脚用于放大电压的输出，2脚
接地，3脚、6脚分别为电源供电的正负接线端，4脚接一
电容可实现低通滤波，滤波器截止频率fw 计算公式如
式（1）所示：
fw = 1
2πCf × 1 × 105 （1）
式中Cf为4脚外接电容容值。
7 脚通过改正外接电阻阻值来调整电路放大倍
数。AD626芯片引脚连接图如图3所示。
无线射频模块选用美国TI 公司推出的CC2530 芯
片。它是一款完全兼容8051 内核，同时支持IEEE
802.15.4协议的无线射频单片机，是一个真正的系统芯
片（System on a Chip，SoC）CMOS解决方案[8]。芯片内部
CPU对ADC转换数据进行分析处理后将数据结果以数
91
现代电子技术2013年第36卷
据包形式通过无线射频进行发送。
图3 AD626引脚连接图
电源管理模块是整个设备能够正常运行的保障。
选用电池供电能够满足无线传感器小体积、低功耗、低
成本的要求。为了保证采集数据的精度及整个智能无
线传感器模块的工作性能，采用REG1117⁃3.3稳压芯片
搭建电源稳压电路，以减少电源波动对整个硬件电路的
影响。
2.2 路由设备
路由设备主要负责协助与其连接的智能无线传感
器和协调器设备之间的通信，并通过多跳路由的方式进
行中继传输，扩大通信距离。路由设备也是分散的安装
在支架结构上，安装时遵照无线连接覆盖智能无线传感
器设备数量最多的原则。路由设备只负责传输数据，因
此与智能无线传感器相比，不具备数据采集模块和数据
处理模块。
2.3 协调器设备
协调器设备负责整个网络的建立和维护，并管理路
由设备或智能无线传感器的加入和删除[8]。协调器设备
最好安装在监测现场中心位置，这样能够保证整个Zig⁃
Bee网络拓扑层数尽量少，减少设备资源的浪费。当整
个网络的启动和配置功能完成之后，协调器设备便退化
为一个普通的路由设备，此时，可以接收路由设备或智
能无线传感器发送的数据包，并将这些数据包通过
RS 232 串口转发到GPRS DTU。协调器设备硬件框架
图如图4所示。
图4 协调器设备硬件框架图
协调器设备是整个无线网络运行的核心，在其运行
和维护中起着关键作用[9]。为了保证整个网络的正常运
行，协调器设备采用外部供电的方式。
2.4 GPRS通信模块
GPRS模块将无线传感器网络和Internet网络相连，
实现了数据从监测现场到远程监控中心的无线传输。
模块选用厦门某通信公司的CM3160P，该设备具备TCP
透明数据传输和UDP透明数据传输，在线检测、在线维
持、掉线自动重拨等功能，通过使用相应配置软件，可以
实现GPRS DTU的本地串口配置，为数据的发送和接收
做准备。
3 系统软件程序设计
3.1 下位机程序设计
下位机程序设计使用IAR Embedded Workbench集
成开发环境，在TI 公司提供的ZStack⁃CC2530⁃2.2.2⁃
1.3.0协议栈的基础上进行该系统应用程序的开发[10]。
对于与GPRS DTU 相连接的协调器设备。系统上
电后，首先进行硬件和协议栈的初始化，然后进行能量
检测，选择出合适的工作参数，最后允许设备连接，启动
网络[11]。之后，协调器设备处于一直监测空中无线信号
的状态，当检测到数据请求时，会接收并转发数据至串
口端。当协调器发送数据完成后，将处于空闲状态，此
时若有新的设备加入网络，则协调器将与其建立连接并
为其分配网络地址。
路由设备成功加入网络后，一直处于监测空中无线
信号的状态。当检测到有来自其他设备的数据请求命
令时，则对该数据包进行路由转发。智能无线传感器设
备成功加入网络后，则根据程序内部定时器已经设定好
的时间间隔周期性地对应变值和倾角值进行采集与发
送。图5为协调器设备、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 上位机软件设计
本系统基于美国NI 公司的LabVIEW 软件开发平
台，设计了支架结构无线安全监控系统上位机软件，
图6为系统上位机软件设计流程。
首先，ZigBee 网络中的协调器节点通过RS 232 串
口和GPRS 网络将采集到的数据无线传输至远程监控
中心PC机上，上位机软件侦听网络端口号信息，根据接
收到的数据包标识，将采集到的支架结构各个位置应变
和倾角信息实时显示到人机交互界面的对应位置，同时
保存至Microsoft Office Access 数据库。当用户需要对
应变值和倾角值进行数据分析时，可根据采集时间以及
设备号查询历史数据，并将查询结果以曲线形式进行显
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第24期王泽林，等：基于ZigBee和GPRS的支架结构安全监测系统设计
示。除此之外，软件采用分级阈值报警机制对数据进行
分类，当数据超过规定限值时，弹出报警提示对话框，并
分别对应变和倾角使用状态指示灯对不同等级的报警
进行显示，以便用户及时采取相应措施，避免事故的
发生。
图5 设备节点软件流程图
图6 系统上位机软件设计流程
4 系统测试
所搭建的支架结构安全监测实验系统由协调器设
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。智能无线传感器分别安
装在支架结构的不同立杆上，应变片连接成半桥形式与
智能无线传感器相连，如图7所示。
图7 智能无线传感器安装图
将SIM 卡置于GPRS DTU 中并开通GPRS 上网功
能，协调器设备通过RS 232 串口与GPRS DTU 连接。
开始测试时，上位机软件设置好网络端口号，并与
GPRS DTU建立无线连接。然后，按顺序依次启动协调
器设备、路由设备、智能无线传感器。向支架立杆施加
压力，观察上位机监测软件得到的应变和倾角值。软件
测试输出结果如图8所示。
图8 LabVIEW软件输出结果
根据软件测试结果，可知该系统在初始位置具有初
应变及倾角值，这是由于支架在搭建时，支架本身的立
杆、横杆、胶木板等会在所测位置形成由重力引起的初
应力。而图7中，智能无线传感器安装时近似垂直，因
此测试结果也显示支架立杆处角度为89°。
随着时间的推移，通过向立杆上方逐渐增加重物，
可以看出应变和倾角曲线同时出现了较大的变化。应
变曲线变化较明显，这是因为应变电桥具有高灵敏度，
同时微弱信号又被放大，因此能够很容易被检测出。而
倾角则由于立杆上方被压了重物，而造成立杆有小范围
的倾斜，直到最后不再施加压力，应变值和倾角值才趋
于稳定。
通过上述分析，该系统能够通过无线通信方式实现
对支架结构监测区域应变和倾角的在线、快速、准确测
（下转第98页）
93
现代电子技术2013年第36卷
果数据发送/接收正确，返回OK；否则，返回error。
4 结语
本文介绍的工具适用于UART接口和SPI接口的功
能、性能和兼容性测试，可实现测试的自动化。
采用该测试工具，一方面提高了测试效率，大大节
约了人力资源，时间和人力成本节约了50%以上；另一
方面可以保证测试用例100%的覆盖。
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作者简介：李欣伟女，1985年出生，山东菏泽人，硕士研究生，中级工程师。主要研究方向为自动化测试、嵌入式测试。
􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂􀤂
（上接第93页）
量，从而满足对支架结构进行长期实时监测的要求。
5 结语
本文建立基于ZigBee和GPRS无线通信技术支架结
构安全监测系统。该系统通过分布式无线传感器网络采
集支架结构的应变和倾角等数据，实现PC机监测软件实
时采集数据与阈值报警的功能。该系统组网灵活、简单，
可靠性强、实时性强。上位机监测软件功能模块独立有
序运行，操作界面友好。相比传统有线监测该系统更智
能、方便，使用户足不出户就可随时掌握现场状况。
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作者简介：王泽林男，1973年出生，四川南充人，工学硕士，高级工程师。主要从事公路桥梁方面的研究。
褚彬潜男，1973年出生，江西宜春人，工程师。主要从事公路桥梁方面的研究。
刘增华男，1973年出生，博士，副教授。研究方向为现代测控技术与方法。
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