基于ZigBee的大体积混凝土桥墩测温系统的设计

胡丹宁 王小平 马月辉 程璐璐

(石家庄铁道大学电气与电子工程学院，石家庄 050043)

基于ZigBee的大体积混凝土桥墩测温系统的设计

胡丹宁 王小平 马月辉 程璐璐

(石家庄铁道大学电气与电子工程学院，石家庄 050043)

针对大体积混凝土传统测温方式存在的排线复杂、扩充性欠佳、人工读数易产生误差以及无法实时监测混凝土内部温度变化等问题，提出了一套基于ZigBee技术的无线测温解决方案。此方案中下位机由单片机CC2530构成多点温度监测系统，数据传输利用主从方式的ZigBee无线传感网络，上位机用LabVIEW软件编制监控显示界面，实时监控混凝土的温度。该系统使得监测点温度的实时性和可靠性得到了大幅提高，保证了施工后混凝土的安全可靠。

ZigBee LabVIEW 大体积混凝土 温度监测

如今，大体积混凝土在各种建筑施工中得到了普遍应用，如修建厂房、学校、大型商场及混凝土桥等。对于一些建筑的关键部位由于其结构复杂，混凝土需求量大，如果施工温度不能及时监测和控制极易产生温度应力而出现结构裂缝，不仅影响混凝土的力学性能，还可能影响混凝土的持久性。影响混凝土结构裂缝的因素很大一部分是在浇筑后硬化过程中的温度控制不当[1]。桥墩是桥梁的主要支撑物，若桥墩由于温度应力而产生裂缝，不仅会影响建筑工程的质量，还将造成极大的安全隐患。因此需要对施工过程中的温度进行监测，提前预防。笔者在前人有线测温研究的基础上，提出了一种基于ZigBee的无线测温系统。该系统的无线传感网络以ZigBee技术为核心，主要使用了智能温度数字传感器DS18B20。通过将无线传感器网络技术引入到桥墩的温度监测中，使得传感器不仅只是一个测温元件，而且是能够完成信息相互传递的网络，实现系统的互联[2，3]。

1 系统设计总方案①

基于ZigBee的大体积混凝土桥墩测温系统(图1)主要由3部分组成。第一部分是现场温度监测层，主要由数字温度传感器DS18B20(即图中黑点)和带有无线收发模块的CC2530芯片组成，它们构成了测温的终端节点[4]。在测温结构上设计了5个桥墩(可扩展)，以直线型分别对其芯内温度、表层温度及外界温度等进行监测。第二部分是温度数据传输层，以无线的方式将终端节点和协调器之间通过ZigBee协议栈进行数据通信。协调器同样使用的是CC2530芯片。在协调器接收到所有终端节点发送来的信息后，将数据集中在一起，通过DTU模块，利用GPRS技术，将所有信息通过无线网络发送到远方的控制主机上，实现远程输送。第三部分是温度信息显示层，主机在接收到数据集中器发送来的所有桥墩温度信息后，利用LabVIEW软件对温度数据进行记录存储和显示[5]。通过远程观察温度信息来做出下一步的施工调整。

图1 基于ZigBee的大体积混凝土桥墩测温系统结构示意图

2 系统硬件设计方案

2.1传感器测温原理和测温节点的设计

传感器测温使用的是一线总线智能数字温度传感器DS18B20。传感器在与控制器进行连接时仅需要通过一条数据总线就可以完成双向通信。使用寄生电源方式，数据线能够提供电能，在控制器将电平拉高期间，可以将电能储存在传感器内置的电容里。待总线为低电平期间，则消耗传感器内部电容里的能量。寄生工作方式拉高储能，拉低耗能，周而复始。由于长距离的多点测温，总线上接入的上拉电阻已无法将电平拉高至工作电平，为了保证有足够高的上拉电平，在总线上接入了一个MOS管来提供强上拉，传感器的接线部分只引出两条线，分别是数据线和接地线，如图2所示。

图2 寄生电源工作方式

测温节点包含有几路可扩充的测温终端节点，每路终端节点采集桥墩内不同部位的混凝土温度。设计上选择了以51为内核并带有无线收发功能的CC2530芯片，以此来扩展智能温度传感器DS18B20，利用吸附在桥墩模板上的磁铁电池盒内的电池来提供终端节点的电源。测温系统采用主从工作模式，在不需要测温时终端节点处于睡眠状态，降低了电池的使用速率。

2.2数据传输协调器的设计

应用ZigBee协议栈来组建传感器网络。ZigBee采用的数据传输率低，工作频段低，Stack栈的容量也相对较小。协调器同样使用CC2530芯片，实现从一个设备发送命令到另一个设备，发送端调用无线数据发送函数，接收数据时，接收端调用接收函数。当设备休息时就调用睡眠函数，需要工作时就调用唤醒函数。通过以上机制可以完成对传感器的控制和温度数据的采集。而后通过GPRS DTU模块提供的串行通信接口将接收到的温度数据转换成TCP/IP数据包并进行传送，通过互联网最终发送到远程监测主机上。协调器结构框图如图3所示。

图3 协调器结构框图

3 软件设计与实现

系统的软件设计包括3方面，分别是检测温度传感器的软件设计、协调器无线收发的软件设计和监测主机显示温度界面的软件设计。在测温终端和协调器方面主要使用了C语言编程，温度显示界面应用了LabVIEW软件编程。

3.1测温终端与协调器的软件设计

软件程序流程如图4所示。测温终端与协调器程序在基于IAR的软件开发环境中运行。测温程序通过对传感器的指令进行读写，协调器程序使用TI公司提供的基于ZigBee标准的Z-Stack协议栈，通过调用协议栈所提供的各种模块来实现无线收发功能。由于对传感器单总线控制时序要求非常严格，所以在编程中使用了分块的编程思想。通过主程序、温度控制程序和无线收发程序来实现系统的整体运行。

图4 软件程序流程

3.2界面显示软件设计

上位机的监控显示界面(图5)通过使用LabVIEW软件来对桥墩温度的各个节点进行实时监控，保存数据并显示曲线。通过串口通信完成上位机与监测界面的连接，设计上分别对每个桥墩和各桥墩的测温点进行编号，每个桥墩所对应5个点的温度显示在监控图中。曲线图显示的是选定某桥墩的一个测温点在相隔一定时间下的温度变化曲线。通过观察曲线可以一目了然地对桥墩混凝土温度变化进行监测，并进行下一步的温控措施。

图5 温度监控界面

4 结束语

以DS18B20传感器与CC2530芯片为核心、ZigBee无线传输技术为基础的大体积混凝土桥墩无线温度监测系统结构简单，易于现场施工，保证了测温的实时性、安全性和可靠性。温度数据的无线传输节省了复杂的布线，减轻了工作人员的劳动强度，提高了工作效率，此系统还可广泛地应用于各类化工装置的无线温度监测中。

[1] 朱伯芳.混凝土坝的数字监控[J].水利水电技术,2008，39(2):15～18.

[2] 瞿雷，刘盛德，胡咸斌，等.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3] 邓磊,王子敬,范玲俐. 基于ZigBee无线网络的温度采集系统设计[J]. 电子元器件应用,2010,(2):39～41.

[4] 肖艳.无线传感器网络应用分析[J]. 中国公共安全(学术版)，2014，(19):139～144.

[5] 马月辉,姚懿德,张洪涛. 基于虚拟仪器的箱梁蒸汽养护系统设计[J]. 石家庄铁道学院学报(自然科学版),2009,22(3):65～68.

DesignofTemperatureMeasurementSystemforMassConcreteBridgePiersBasedonZigBee

HU Dan-ning, WANG Xiao-ping, MA Yue-hui, CHENG Lu-lu

(CollegeofElectricalandElectronicEngineering,ShijiazhuangRailwayUniversity，Shijiazhuang050043,China)

Considering complex wiring, poor extension and errors caused by artificial reading as well as the traditional mass concrete temperature measurement’s difficulty in real-time monitoring of concrete’s internal temperature, a wireless temperature measurement scheme based on ZigBee technology was proposed. In this scheme, the CC2530 SCM-cored slave computer constitutes a multi-point temperature monitoring system, and the data transmission employs ZigBee wireless sensor network working in master-slave mode, and the host computer makes use of LabVIEW software to monitor display interface so as to realize real-time monitoring of the concrete bridge pier temperature. This system can improve performance and reliability of the monitoring points greatly and both safety and reliability of the concrete after construction can be ensured.

ZigBee, LabVIEW，mass concrete, temperature monitoring

2016-01-23

TH865

A

1000-3932(2016)07-0751-03