基于传感器网络和GPRS网络的岩土工程应力监测

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。

传感器电路图如图3所示。

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。