无线通信的脚手架安全监测系统

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1.系统分析

本系统由感知层、网络层、应用层构成。具体步骤是：a.在脚手架带检测部位布置监测点，安装传感器；b.将传感器采集数据通过ZigBee模块传输至嵌入式无线网关；c.嵌入式处理器接受数据后，进行算法分析处理，并评级，通过GPRS网络传送至总监控室，并向现场发送预警信号；d.总监控室接受到信号显示在主机屏幕上，现场警报预警。

1.1感知层

感知层组成包括安装在脚手架上的压力传感器元件，具体功能如下：

1.1.1安装在脚手架上的压力传感器元件。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。压力传感器可以将脚手板上承载的压力转变成电信号进行传输。预先选择要监测的几个点，设定脚手架的每一层都监测一个点，将传感器连接在脚手架钢管上或者是脚手板上。根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范JGJ130-2011》规定，施工均布荷载标准值如表1所示，压力传感器实时测得工程施工时的脚手架的荷载压力，连接ZigBee模块，构成压力监测感应节点。特别地应用在荷载有较大变化的工序中，例如混凝土浇筑过程，浇筑过程中，会出现较大的荷载变化，也是事故易发的环节。当荷载达到标准值80%时，一级报警；90%时，二级报警；100%时，在此工序中，使用监测系统，可以及时地将压力数据进行传输。

1.1.2安装在钢管上的形变传感器。监测立杆，水平杆，斜杆的形变情况。构配件允许值见表2，当达到形变偏移最大值的70%时，一级报警；偏移的85%时，二级报警；达到偏移的100%时，三级报警。

1.2网络层

网络层主要由嵌入式web服务器连接ZigBee无线收发模块、GPRS通信模块和以太网卡构成，是系统的核心。它负责接收各个感知层节点上传的数据并对数据进行保存及分析处理，将处理结果以命令的形式回传给某些感知层节点，实现对于潜在危险的警报。ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz上，具有最高250kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：

1.2.1低功耗:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

1.2.2成本低：ZigBee模块的初始成本在50元，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

1.2.3时延短:通信时从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

1.2.4网络容量大：一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。

1.2.5可靠:采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

1.2.6安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

2.系统硬件设计

系统的硬件设计包含感知节点的硬件设计和嵌入式无线网关的硬件设计。

2.1感知节点的硬件设计

感知节点ZigBee无线收发模块采用TI公司CC2530F256芯片，运行ZigBee2007/PRO协议，最高数据率250kb/s。该芯片结合RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存、8KBRAM、256KB闪存和许多其他强大的功能。同时将RX与TX管脚引出，通过max232芯片转换电平，实现串口数据传输，方便本系统内所有感知节点数据的传输。输入电压为DC5V，串口波特率设置为9600bps，无线频率2.4GHz传输距离400米，发射电流最大34mA，接收电流最大25mA，接收灵敏度为-96DBm。传感器与CC2530F256的IO口相连接，供电方式采用2节AA电池，该芯片的低功耗特性够极大地延长供电时间。

2.2嵌入式无线网关的硬件设计

嵌入式无线网关核心部件包括：微处理器、SDRAM、Flash、液晶触摸屏、以太网卡、GPRS通信模块、ZigBee通信模块以及相应接口电路。微处理器采用Samsung公司生产的S3C2440A微处理器，该处理器基于ARM920T内核，主频400MHz，最高533Mhz，包含有3个UART接口、8通道的A/D转换器、2个SPI接口、1个IIC接口、130个通用I/O口和24个通道外部中断源，1个带日历功能的RTC。满足设备的监控要求，同时也满足了低功耗的要求。嵌入式无线网关不仅具有协议转换功能，而且还具有集中控制功能，重要功能之一就是协议转换。协议转换的作用就是在不同通信协议的网络中组织通信机制实现信息数据的传输。通过对数据的标准化协议进行封装和解析，完成内外网通信，使得不同协议的网间通信畅通。

3.系统软件设计

3.1感知节点的软件设计

节点软件控制逻辑如图3所示。程序运用于中断形式，以保证能耗的节省。节点在开机后初始化设备，之后开中断，待机并等待来自网关的命令。测控终端的功能程序在中断子程序中，其流程图如图4所示。当节点接收到来自网关的数据时，获得相应的中断信号，判断是否符合本节点地址，符合即产生中断，并关中断以获取传感器数据。之后将此数据打包成ZigBee帧发送至网关，当接收到发送成功报文时，即结束，开中断。

3.2嵌入式无线网关的软件设计

3.2.1搭建嵌入式无线网关Linux系统。首先，基于Fedora9平台，安装交叉工具链arm-linux-gcc-4.4.3和busybox-1.13，配置并编译u-boot-1.1.6得到uboot.bin文件。然后在内核根目录，通过运行makemenuconfig进行内核的配置，配置合适的CPU平台选项、LCD驱动以及背光控制支持、触摸屏、网卡驱动、AD转换驱动和串口驱动等，并保存得到.config文件，运行makezImage进行编译内核，得到zImage文件。接着借助busybox进行根文件系统的制作，并通过mkyaffsimage将文件系统制作成镜像文件rootfs.img。最后将以上三个文件拷入嵌入式中。

3.2.2制作嵌入式arm版本Qt图形用户界面，并编译Qtopia-2.2.0，将得到的qtopia.tgz文件解压到嵌入式web服务器文件系统的根目录，即完成Qtopia系统的制作。

3.2.3搭建BOA服务器以及编写CGI脚本。BOA服务器完成接收客户端请求、分析请求、响应请求、向客户端返回请求结果等任务，通过建立HTTP请求列表来处理多路HTTP连接请求，同时它只为CGI程序创建新的进程，这样就在最大程度上节省了系统资源。CGI是用来沟通HTML表单和服务器端程序的接口，可以使网页更加美观生动。本系统中CGI与应用程序之间的通讯采用有名管道的方式实现进程间的通信。

4.经济投入

本系统使用低成本、高性能的电子元器件，提高了脚手架使用过程中的可靠性，减少发生事故的可能性，降低了风险，将挽回巨额的经济损失和极大的人员伤亡。以单体15000㎡的建筑为例，计算本体统的投资金额，总系统需要嵌入式ZigBee无线模块，以及Internet外网设备，终端显示设备，警报设备和传感设备。假设每50m2投入3个传感器，一个传感器的售价为80元，警报的蜂鸣器和警报灯15元以内，总价约28500元以内；嵌入式ZigBee无线模块售价在1000元以内；Internet外网设备要求连接网络，路由设备售价200元以内。本系统的总投资约为30000元左右。

5.总结

本系统在工程中因脚手架问题出现的事故日趋严重的今天，交叉学科知识与实践结合，将建筑工程与智能建筑知识结合，以无线ZigBee网络和嵌入式网管技术为基础，通过检测荷载及形变，提出保障脚手架使用的方法，具有广阔的应用前景，值得我们学者继续深入探究。

作者：水博于军琪单位：西安建筑科技大学