無線通信的腳手架安全監(jiān)測系統(tǒng)

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1.系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層構(gòu)成。具體步驟是：a.在腳手架帶檢測部位布置監(jiān)測點，安裝傳感器；b.將傳感器采集數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊傳輸至嵌入式無線網(wǎng)關(guān)；c.嵌入式處理器接受數(shù)據(jù)后，進行算法分析處理，并評級，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至總監(jiān)控室，并向現(xiàn)場發(fā)送預(yù)警信號；d.總監(jiān)控室接受到信號顯示在主機屏幕上，現(xiàn)場警報預(yù)警。

1.1感知層

感知層組成包括安裝在腳手架上的壓力傳感器元件，具體功能如下：

1.1.1安裝在腳手架上的壓力傳感器元件。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。壓力傳感器可以將腳手板上承載的壓力轉(zhuǎn)變成電信號進行傳輸。預(yù)先選擇要監(jiān)測的幾個點，設(shè)定腳手架的每一層都監(jiān)測一個點，將傳感器連接在腳手架鋼管上或者是腳手板上。根據(jù)《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范JGJ130-2011》規(guī)定，施工均布荷載標準值如表1所示，壓力傳感器實時測得工程施工時的腳手架的荷載壓力，連接ZigBee模塊，構(gòu)成壓力監(jiān)測感應(yīng)節(jié)點。特別地應(yīng)用在荷載有較大變化的工序中，例如混凝土澆筑過程，澆筑過程中，會出現(xiàn)較大的荷載變化，也是事故易發(fā)的環(huán)節(jié)。當(dāng)荷載達到標準值80%時，一級報警；90%時，二級報警；100%時，在此工序中，使用監(jiān)測系統(tǒng)，可以及時地將壓力數(shù)據(jù)進行傳輸。

1.1.2安裝在鋼管上的形變傳感器。監(jiān)測立桿，水平桿，斜桿的形變情況。構(gòu)配件允許值見表2，當(dāng)達到形變偏移最大值的70%時，一級報警；偏移的85%時，二級報警；達到偏移的100%時，三級報警。

1.2網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要由嵌入式web服務(wù)器連接ZigBee無線收發(fā)模塊、GPRS通信模塊和以太網(wǎng)卡構(gòu)成，是系統(tǒng)的核心。它負責(zé)接收各個感知層節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行保存及分析處理，將處理結(jié)果以命令的形式回傳給某些感知層節(jié)點，實現(xiàn)對于潛在危險的警報。ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz上，具有最高250kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點：

1.2.1低功耗:由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。

1.2.2成本低：ZigBee模塊的初始成本在50元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。

1.2.3時延短:通信時從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應(yīng)用。

1.2.4網(wǎng)絡(luò)容量大：一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò),而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

1.2.5可靠:采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

1.2.6安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認證，采用了AES-128的加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計包含感知節(jié)點的硬件設(shè)計和嵌入式無線網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計。

2.1感知節(jié)點的硬件設(shè)計

感知節(jié)點ZigBee無線收發(fā)模塊采用TI公司CC2530F256芯片，運行ZigBee2007/PRO協(xié)議，最高數(shù)據(jù)率250kb/s。該芯片結(jié)合RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8KBRAM、256KB閃存和許多其他強大的功能。同時將RX與TX管腳引出，通過max232芯片轉(zhuǎn)換電平，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)傳輸，方便本系統(tǒng)內(nèi)所有感知節(jié)點數(shù)據(jù)的傳輸。輸入電壓為DC5V，串口波特率設(shè)置為9600bps，無線頻率2.4GHz傳輸距離400米，發(fā)射電流最大34mA，接收電流最大25mA，接收靈敏度為-96DBm。傳感器與CC2530F256的IO口相連接，供電方式采用2節(jié)AA電池，該芯片的低功耗特性夠極大地延長供電時間。

2.2嵌入式無線網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計

嵌入式無線網(wǎng)關(guān)核心部件包括：微處理器、SDRAM、Flash、液晶觸摸屏、以太網(wǎng)卡、GPRS通信模塊、ZigBee通信模塊以及相應(yīng)接口電路。微處理器采用Samsung公司生產(chǎn)的S3C2440A微處理器，該處理器基于ARM920T內(nèi)核，主頻400MHz，最高533Mhz，包含有3個UART接口、8通道的A/D轉(zhuǎn)換器、2個SPI接口、1個IIC接口、130個通用I/O口和24個通道外部中斷源，1個帶日歷功能的RTC。滿足設(shè)備的監(jiān)控要求，同時也滿足了低功耗的要求。嵌入式無線網(wǎng)關(guān)不僅具有協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，而且還具有集中控制功能，重要功能之一就是協(xié)議轉(zhuǎn)換。協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用就是在不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中組織通信機制實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的傳輸。通過對數(shù)據(jù)的標準化協(xié)議進行封裝和解析，完成內(nèi)外網(wǎng)通信，使得不同協(xié)議的網(wǎng)間通信暢通。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1感知節(jié)點的軟件設(shè)計

節(jié)點軟件控制邏輯如圖3所示。程序運用于中斷形式，以保證能耗的節(jié)省。節(jié)點在開機后初始化設(shè)備，之后開中斷，待機并等待來自網(wǎng)關(guān)的命令。測控終端的功能程序在中斷子程序中，其流程圖如圖4所示。當(dāng)節(jié)點接收到來自網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)時，獲得相應(yīng)的中斷信號，判斷是否符合本節(jié)點地址，符合即產(chǎn)生中斷，并關(guān)中斷以獲取傳感器數(shù)據(jù)。之后將此數(shù)據(jù)打包成ZigBee幀發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，當(dāng)接收到發(fā)送成功報文時，即結(jié)束，開中斷。

3.2嵌入式無線網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

3.2.1搭建嵌入式無線網(wǎng)關(guān)Linux系統(tǒng)。首先，基于Fedora9平臺，安裝交叉工具鏈arm-linux-gcc-4.4.3和busybox-1.13，配置并編譯u-boot-1.1.6得到uboot.bin文件。然后在內(nèi)核根目錄，通過運行makemenuconfig進行內(nèi)核的配置，配置合適的CPU平臺選項、LCD驅(qū)動以及背光控制支持、觸摸屏、網(wǎng)卡驅(qū)動、AD轉(zhuǎn)換驅(qū)動和串口驅(qū)動等，并保存得到.config文件，運行makezImage進行編譯內(nèi)核，得到zImage文件。接著借助busybox進行根文件系統(tǒng)的制作，并通過mkyaffsimage將文件系統(tǒng)制作成鏡像文件rootfs.img。最后將以上三個文件拷入嵌入式中。

3.2.2制作嵌入式arm版本Qt圖形用戶界面，并編譯Qtopia-2.2.0，將得到的qtopia.tgz文件解壓到嵌入式web服務(wù)器文件系統(tǒng)的根目錄，即完成Qtopia系統(tǒng)的制作。

3.2.3搭建BOA服務(wù)器以及編寫CGI腳本。BOA服務(wù)器完成接收客戶端請求、分析請求、響應(yīng)請求、向客戶端返回請求結(jié)果等任務(wù)，通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP連接請求，同時它只為CGI程序創(chuàng)建新的進程，這樣就在最大程度上節(jié)省了系統(tǒng)資源。CGI是用來溝通HTML表單和服務(wù)器端程序的接口，可以使網(wǎng)頁更加美觀生動。本系統(tǒng)中CGI與應(yīng)用程序之間的通訊采用有名管道的方式實現(xiàn)進程間的通信。

4.經(jīng)濟投入

本系統(tǒng)使用低成本、高性能的電子元器件，提高了腳手架使用過程中的可靠性，減少發(fā)生事故的可能性，降低了風(fēng)險，將挽回巨額的經(jīng)濟損失和極大的人員傷亡。以單體15000㎡的建筑為例，計算本體統(tǒng)的投資金額，總系統(tǒng)需要嵌入式ZigBee無線模塊，以及Internet外網(wǎng)設(shè)備，終端顯示設(shè)備，警報設(shè)備和傳感設(shè)備。假設(shè)每50m2投入3個傳感器，一個傳感器的售價為80元，警報的蜂鳴器和警報燈15元以內(nèi)，總價約28500元以內(nèi)；嵌入式ZigBee無線模塊售價在1000元以內(nèi)；Internet外網(wǎng)設(shè)備要求連接網(wǎng)絡(luò)，路由設(shè)備售價200元以內(nèi)。本系統(tǒng)的總投資約為30000元左右。

5.總結(jié)

本系統(tǒng)在工程中因腳手架問題出現(xiàn)的事故日趨嚴重的今天，交叉學(xué)科知識與實踐結(jié)合，將建筑工程與智能建筑知識結(jié)合，以無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)和嵌入式網(wǎng)管技術(shù)為基礎(chǔ)，通過檢測荷載及形變，提出保障腳手架使用的方法，具有廣闊的應(yīng)用前景，值得我們學(xué)者繼續(xù)深入探究。

作者：水博于軍琪單位：西安建筑科技大學(xué)