桥梁压力监测无线传输系统研究

李慧娟，兰西柱，于慧，胡乔森

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京100083）

桥梁压力监测无线传输系统研究

李慧娟，兰西柱，于慧，胡乔森

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京100083）

桥梁作为我国重要的大型民用基础设施之一，由于自然老化和损伤积累，其安全性和可靠性都存在着巨大隐患，因此桥梁压力监测在事故预警、桥梁建设、桥梁维修养护等领域发挥着重要作用.针对现场采集桥梁压力数据进行远距离无线传输的需求，研究并设计了基于GPRS通信技术的无线数据传输系统作为桥梁压力监测系统中的传输网络.基于GPRS技术的远程在线监测系统是一种基于通用无线分组业务的新型智能化、集成化的自动控制系统.该系统以ARM处理器为核心控制器，集成GPRS无线通信模块用于对实时采集的桥梁压力参数进行无线传输，突破了传统的有线传输模式，实时性强、可靠性高、成本更低、不受地域限制，提高了桥梁信息监测的时效性.

无线传输；GPRS通信技术；实时监测

0 引言

随着数据传输技术的迅速发展，监控系统正逐渐应用于工业生产设备、公共可控设备、家庭电器和环境等领域的远程监控.桥梁作为我国重要的大型民用基础设施之一，有着投资大且使用周期长等特点.随着我国桥梁事业的发展，桥梁规模不断大型化，功能也日益复杂化.与此同时，许多既有桥梁由于环境腐蚀、材料老化以及交通运输负荷增加等因素，其结构不可避免地产生了自然老化和损伤积累，导致其安全性和可靠性都存在着巨大隐患，因此桥梁压力监控已成为国内外学术界、工程界研究的新热点.

目前，桥梁压力监测常用的方法是将现场采集的信息进行量化，以有线或无线的方式传输至监控中心，从而使远程监控人员更加直观地了解桥梁的现状，既能大大地提高监测效率，又能有效地降低事故发生率.有线方式主要是架设电缆或光缆、公用电话网络和专用线路等，其中应用比较广泛的数据传输线路是专用线路和电话线.但是这种方式受距离限制，各数据点之间的距离越远，网络铺设的投资就越大.而相对于有线传输方式布线困难、成本较高等缺点而言，无线方式[1]主要是建立专用的无线数据传输网络和利用GSM公共网络，打破了距离的限制，使得数据传输更加便捷.基于GPRS的无线数据传输方式可以更好地实现对桥梁结构的远程实时在线监测.

1 远程终端单元（RTU）无线传输装置结构设计

1.1 系统总体设计要求

基于GPRS的无线数据传输系统主要由监测站点、通信网络、监控中心三部分组成[2].监测站点的采集装置完成桥梁压力信息的采集，信息经过传感器后，已经由模拟量变成了数字量，采集装置将这些信息传送给传输装置，传输装置完成数据的存储、发送工作，它将桥梁信息通过GPRS网络以数据包的形式发送给监控中心.

监控中心的服务器与互联网（Internet）连接在一起，监控中心可以直接向监测站点发出指令数据包，这些数据包通过互联网发送到监测站点，监测站点的传输装置收到数据包后，将根据监控中心发送的指令，从flash存储器中调取数据，传输装置的微控制单元（MCU）将数据打包后通过GPRS通信模块传送给监控中心.本课题主要对传输装置的硬件及软件设计进行研究.系统需要实现的主要功能如下：

1）无线通信数据接收功能：实现对位置不易布线的传感器的数据采集.

2）RS485通信数据接收功能：在传感器容易布线的位置，使用RS485有线通信实现传感器数据的采集. 3）数据存储功能：具备监测桥梁压力数据的实时存储功能.

4）GPRS无线通信功能[3]：为远程实时数据传输系统的传输终端与数据中心建立通信桥梁.

1.2 系统总体结构设计

整个系统包括两部分，即监测站点和监控中心.其中监测站点又包括桥梁压力信息采集装置和传输装置.监测站点可以进行桥梁压力数据的采集，并将采集到的数据存储于Flash存储器中，当收到监控中心命令时，可以将压力数据打包成符合上位机通信协议的数据包，并通过GPRS模块发送给监控中心.监控中心能够对桥梁压力数据进行分析、处理、统计，可以实时监控桥梁的健康状况.桥梁压力监测系统的总体设计图如图1所示.

采集装置1

采集装置2

RTUGPRS

监控中心

采集装置N

485总线通信或无线通信

图1桥梁压力监测系统的总体设计框图1.3RTU无线传输装置结构设计[4]

基于GPRS的无线数据传输装置系统硬件部分由数据通信、数据存储和电源等模块组成.实现了对桥梁压力监测数据实时高效的无线传输功能.

在硬件设计中，将现场桥梁压力监测仪采集到的桥梁压力数据用RS485通信方式或近距离Si4438无线通信方式传送到LPC1752单片机中并进行数据存储，再将现场数据用GPRS无线通信方式传输至监控中心，使监控人员能够更加直观地了解桥梁的实时状况.桥梁压力监测无线传输系统的系统框图如图2所示.

RS485接收模块

GPRS模块

压力监测仪无线通信接收模块LPC1752单片机

数据存储模块

时钟电路

DC/DC

电源模块

图2桥梁压力监测无线传输装置的系统框图

2 系统的硬件选型及电路设计

2.1 硬件选型

1）主控芯片.MCU采用的是NXP公司生产的LPC1752芯片，LPC1752芯片采用高性能的ARM Cortex-M3 V2版本内核，其CPU操作频率可达100 MHz，具有三级流水线和哈佛结构，带独立本地指令和数据总线以及用于外设的第三条总线，另外还包含一个随机跳转的内部预取指单元，使得代码执行速度高达1.25 MIPS/MHz.芯片工作于-40°C至+85°C的温度范围，供电电压为2.4-3.6 V，该芯片是为嵌入式系统应用而设计的高性能、低功耗的32位微处理器，适用于仪器仪表、工业通讯、电机控制、灯光控制、报警系统等领域.

2）RS-485接口[5].选用SP3082EEN作为RS-485收发器，SP3082EEN是EXAR（SIPEX）公司开发生产的一款半双工RS-485收发器，采用5 V电压供电，芯片引脚具有很强的静电放电保护，1/8单位负载，此外其节点数目最高可达256个并且成本低、封装小，非常适合应用于工业场合.

3）无线通信模块.Si4438无线通信模块中的Si4438器件为高性能的低电流收发器，可覆盖425-525 MHz的次千兆赫频段.所有零件都具有杰出的灵敏度，可同时实现极低有效电流和待机电流消耗.Si4438可提供超常的高达+20 dBm、具有显著TX效率的输出功率，实现了范围扩展和高度可靠的通信链路，可为智能电表延长传输距离并提供可靠的通信链路.同时，内置的分集式天线和跳频支持可进一步扩展传输距离，增强无线性能.由于分集式天线紧密集成到Si4438收发器，因此可以提高系统链路预算8-10 dB，即使在恶劣的环境条件下也可以有效延长传输距离.

4）GPRS模块.GPRS模块选择映翰通公司的嵌入式InDTU323G无线数据终端.InDTU323G利用GPRS/GSM网络，在远程串口设备与数据中心之间搭建一条可靠的通信链路.它尺寸小巧、安装便捷、使用简单、成本低廉，广泛适用于电力、工业、环保、水利、气象、交通、能源等多个领域，是现场传统串口设备联接广域网的最佳选择.该模块采用全工业级芯片设计，工作温度达-25℃至70℃，超低功耗，支持5.0 V（4.4-5.5 V）或4.0 V（3.6-4.2 V）两种供电电压.软硬件看门狗技术，故障自愈，确保设备正常运行.支持PPP层心跳、ICMP探测以及应用层心跳等多级链路检测机制，自动恢复网络故障，维持无线连接“永久在线”，为无人值守现场搭建时刻畅通的信息高速公路.

5）flash模块.采用华邦W25Q32（32 Mbit），它是一个串行的Flash存储器，相比于其他存储器，该存储器更加灵活、性能更加优越，它能很快地将数据提供给RAM，并且掉电后数据不会丢失.W25Q32的每页包括256 Byte，整个存储区由16 384页组成.支持扇区擦除、块擦除和整个芯片擦除.W25Q32支持标准串行外围接口（SPI）和高速的双倍/四倍输出，SPI可以在高达80 MHz的频率下运行，当用快读双倍/四倍指令时，相当于双倍输出时最高速率160 MHz，四倍输出时最高速率320 MHz.

6）EEPROM存储模块.EEPROM是一种通过编程可以进行读写和存储用户数据的存储器芯片.其主要优点是掉电时不会丢失用户存储的数据，而且用户可以通过编程多次更改存储的数据内容.

设计中采用了容量为2 kB的CAT1023和容量为16 kB的AT24C128分别用作看门狗复位和系统参数存储，CAT1025是基于微控制器系统的存储器和电源监控的完全解决方案.利用低功耗CMOS技术将存储量为2 kB的串行EEPROM和用于掉电保护的系统电源监控电路集成在一块芯片内.存储器采用400 kHz的I2C总线接口，工作电压范围3.0-5.5 V，具有2 kB的EEPROM存储容量，16 Byte页写缓冲区，可进行100万次编程和擦除，数据的保存时间为100年，可进行手动复位.而AT24C128存储器芯片主要用来进行系统参数的存储.标准工作电压是1.8-3.6 V，具备两线串行接口、写防护引脚硬件和软件数据防护，64 Byte页写模式，双向数据传输协议.

2.2 核心电路设计

2.2.1 主控芯片工作电路

单一的微处理器不能进行任何工作，只有加上必要的电源、时钟和复位电路，这个芯片才构成一个系统，这个系统成为最小系统，才能实现最基本的功能.图3所示为LPC1752最小系统原理图，图中没有画出复位、时钟和电源电路，只是标记了相关的网络标号.

图3 LPC1752系统工作电路

2.2.2 RS-485串口电路设计[6]

图4 ADuM1201ARZ隔离器电路

图5 RS-485收发器电路

研究中选用ADuM1201ARZ作为隔离器，它可以将MCU和RS485收发器进行数字隔离，AD－uM1201ARZ隔离器和RS-485收发器SP3082EEN相关电路分别如图4和图5所示.在收发器电路中，两个5.1 kΩ的上拉、下拉电阻，增加了驱动能力，此外考虑到工业现场有时会出现很大的脉冲干扰，而且设备在户外可能会遭遇雷击，因此在模块A/B线端加上瞬变电压抑制二极管进行进一步防护.图5中的B0505S-1W具有隔离5 V电源的作用.

2.2.3 EEPROM存储模块电路设计

CAT1023采用3.3 V直流电压供电，图6中4个4.7 kΩ的电阻是上拉电阻，SCL、SDA、WDI分别与控制器LPC1752芯片对应的管脚相连.调试时，JP2短接，JP3断开，调试完成；下载程序后，JP3短接，JP2断开；程序跑飞后，进行看门狗复位操作.CAT1023采用的是I2C总线驱动，在程序中将其默认地址设为0.其工作电路如图6所示.

AT24C128采用3.3 V供电电压，其工作电路非常简单，由图7可知，其I2C的通信地址已被硬件电路设置为1了，SCL1、SDA1分别与控制器LPC1752的相应引脚（SCL1、SDA1）相连.

图6 CAT1023工作电路

图7 AT24C128驱动电路

2.2.4 GPRS模块接口电路设计

在工业现场，用户将InDTU323G数据终端嵌入到现场智能串口设备中，InDTU323G利用GPRS网络，完成现场串口设备和数据中心间的无线数据通信，为用户提供稳定、可靠的数据传输通道.其接口设计[7]如图8所示.

3 系统软件设计

软件开发平台选用Keil uVision系列，德国Keil Software公司推出的51系列兼容单片机软件开发系统.uVision是集成的可视化Windows操作界面，其提供了丰富的库函数和各种编译工具，能够对51系列单片机以及和51系列兼容的绝大部分类型的单片机进行设计.Keil uVision系列可支持单片机C51程序设计语言，也可直接进行汇编语言的设计与编译.该软件还提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，在开发大型软件时能体现高级语言的优势.

图8 GPRS模块接口

首先，软件进行初始化，在初始化中开启定时器，若定时时间没有达到，则MCU继续等待，若达到定时时间，则MCU关闭定时器，通过RS485或无线模块Si4438进行数据的采集、存储操作；若MCU没有接收到上位机控制指令，则继续开启定时器，时间到后，进行数据的采集、存储操作.当接收到上位机的控制指令后，则MCU从Flash存储器中读取数据，并将读取的数据打包成符合上位机协议的数据包，经过GPRS模块发送给上位机，发送完毕后，结束此次上位机控制MCU的指令操作.此后，MCU一直在进行着定时，时间到后进行数据采样、存储操作，并等待上位机的控制指令[8].整体系统软件流程图如图9所示.

图9 系统软件流程图

4 结论

数据接收部分针对桥梁周边环境布线难易问题设计了Si4438无线通信模块和S485通信模块，相应地设计并编写了可以实现数据接收的通信应用协议.具备GPRS无线通讯模块，在远程传输终端与数据中心之间搭建一条可靠的通信链路，然后设计并编写了可以进行数据发送和指令接收的通信应用协议.基于GPRS的无线数据传输系统利用现有的GPRS网络资源，实现了小批量、非连续数据的远距离传输，为现有数据采集系统提供了一种新型便捷的数据传输方式，这也将成为工业控制及现场监测等领域的发展趋势.

[1]姜晓荣.基于GPRS的太阳能热水系统数据采集器研制[D].杭州：杭州电子科技大学，2015.

[2]沈红卫.单片机通信与组网技术实例详解[M].北京：电子工业出版社，2014.

[3]杨朝锋，黄玉志，马彬，等.基于GPRS的井场远程监测系统应用[J].电子设计工程，2013，21（16）：87-89.

[4]王战备.基于GPRS的茶园土壤温湿度远程监测系统[J].农机化研究，2013，（6）：186-189.

[5]李海雯.基于GPRS的风井综合参数安全监控软件设计[J].煤矿机械，2012，33（4）：254-256.

[6]李江全.单片机串口通信及测控应用实战详解[M].北京：人民邮电出版社，2014.

[7]肖硕.单片机数据通信典型应用大全[M].北京：中国铁道出版社，2011.

[8]周积强.基于GPRS的接地电阻自动检测系统设计[J].气象水文海洋仪器，2011，28（4）：57-61.

（责任编辑钮效鹍）

A Research of Wireless Transmission System on Monitoring Pressures of Bridges

LI Hui-juan,LAN Xi-zhu,YU Hui,HU Qiao-sen
(School of Mechanical Electronic&Information Engineering,China University of Mining&Technology,Beijing 100083,China)

Bridges are a major large-scale civilian infrastructure in China.With natural aging and damaged accumulation,the bridges have very serious risks on safety and reliability.Monitoring pressure of bridges plays an important role in accident warning,bridge construction,bridge maintenance and so on.To transmit information of bridge pressure,this paper aims at researching and designing wireless transmission system on monitoring pressure of bridges based on GPRS as transit network of the bridge pressure monitoring system.The remote online monitoring system is a kind of small-size intelligent automatic control system based on GPRS.This system uses ARM as the core controller,and also integrates GPRS wireless communication module using on real-time information collection.It breaks through the traditional wire transmission pattern,improving information efficiency.Moreover,it has many advantages,such as strong real-time capability,high reliability,lower cost and without any geographic restriction.

wireless transmission;GPRS communication technology;real-time monitoring

TE927

A

1673-1972（2017）03-0039-07

2017-02-21

李慧娟（1990-），女，河北邯郸人，硕士研究生，主要从事嵌入式系统与应用研究.