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1.系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)由感知層、網絡層、應用層構成。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關；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網絡傳送至總監(jiān)控室，并向現(xiàn)場發(fā)送預警信號；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變成電信號進行傳輸。預先選擇要監(jiān)測的幾個點，設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，構成壓力監(jiān)測感應節(jié)點。特別地應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。構配件允許值見表2，當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網絡層

網絡層主要由嵌入式web服務器連接ZigBee無線收發(fā)模塊、GPRS通信模塊和以太網卡構成，是系統(tǒng)的核心。它負責接收各個感知層節(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,但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術，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設備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設備僅靠兩節(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，典型的搜索設備時延30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應用。

1.2.4網絡容量大：一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡,而且網絡組成靈活。

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)務預留了專用時隙，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,支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。

2.系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件設計包含感知節(jié)點的硬件設計和嵌入式無線網關的硬件設計。

2.1感知節(jié)點的硬件設計

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芯片轉換電平，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)傳輸，方便本系統(tǒng)內所有感知節(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嵌入式無線網關的硬件設計

嵌入式無線網關核心部件包括：微處理器、SDRAM、Flash、液晶觸摸屏、以太網卡、GPRS通信模塊、ZigBee通信模塊以及相應接口電路。微處理器采用Samsung公司生產的S3C2440A微處理器，該處理器基于ARM920T內核，主頻400MHz，最高533Mhz，包含有3個UART接口、8通道的A/D轉換器、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。嵌入式無線網關不僅具有協(xié)議轉換功能，而且還具有集中控制功能，重要功能之一就是協(xié)議轉換。協(xié)議轉換的作用就是在不同通信協(xié)議的網絡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，完成內外網通信，使得不同協(xié)議的網間通信暢通。

3.系統(tǒng)軟件設計

3.1感知節(jié)點的軟件設計

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備，之后開中斷，待機并等待來自網關的命令。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。當節(jié)點接收到來自網關的數(shù)據(jù)時，獲得相應的中斷信號，判斷是否符合本節(jié)點地址，符合即產生中斷，并關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)送至網關，當接收到發(fā)送成功報文時，即結束，開中斷。

3.2嵌入式無線網關的軟件設計

3.2.1搭建嵌入式無線網關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。然后在內核根目錄，通過運行makemenuconfig進行內核的配置，配置合適的CPU平臺選項、LCD驅動以及背光控制支持、觸摸屏、網卡驅動、AD轉換驅動和串口驅動等，并保存得到.config文件，運行makezImage進行編譯內核，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服務器以及編寫CGI腳本。BOA服務器完成接收客戶端請求、分析請求、響應請求、向客戶端返回請求結果等任務，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表單和服務器端程序的接口，可以使網頁更加美觀生動。本系統(tǒng)中CGI與應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，降低了風險，將挽回巨額的經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外網設備，終端顯示設備，警報設備和傳感設備。假設每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，總價約28500元以內；嵌入式ZigBee無線模塊售價在1000元以內；Internet外網設備要求連接網絡，路由設備售價200元以內。本系統(tǒng)的總投資約為30000元左右。

5.總結

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，交叉學科知識與實踐結合，將建筑工程與智能建筑知識結合，以無線ZigBee網絡和嵌入式網管技術為基礎，通過檢測荷載及形變，提出保障腳手架使用的方法，具有廣闊的應用前景，值得我們學者繼續(xù)深入探究。

作者：水博于軍琪單位：西安建筑科技大學