專利名稱：基于zigbee無線網絡的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及建筑施工灌漿監(jiān)測設備領域，特指一種水電(大壩、堤防、水庫、電站)、交通(公路、鐵路、隧道、橋梁、港口、機場)、建筑(地上、地下、人防)、采礦(采油、采煤)等工程建設中用于實時數據采集及處理的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
對于多數基于工程建設中的無線組網技術主要應用集中在高速率和長傳輸距離方面，而低速率應用一直較少關注，但這并不意味著低速率應用不重要。事實上，低速率網絡和高速率網絡一樣在工業(yè)生產和日常生活都有著廣泛的應用。在許多應用中，系統(tǒng)所要傳輸的數據通常為小量的突發(fā)信號，即數據特征為數據量小，要求進行實時傳送，如采用傳統(tǒng)的無線通信技術，雖然能滿足上述要求，但是存在組網復雜，成本高和功耗大等問題，人們希望有一種低復雜度，成本低和功能小的無線接入技術。在灌漿監(jiān)測過程中可以實時監(jiān)測工程灌漿，防止灌漿中出現(xiàn)虛灌、漏灌等過程問題。實時數據監(jiān)測是影響工程施工質量整體監(jiān)控的重要因素，工程監(jiān)控既關系到整個工程質量又是建成后能否正常健康運轉的重要條件，而工程施工實時數據監(jiān)測是保證工程質量優(yōu)劣的重要監(jiān)控之一，施工過程中有各種因素直接影響到工程質量，而施工實時數據監(jiān)測則是保證工程過程中施工質量最直接管控的手段。為提升施工質量及減少工程的不正常施工影響，保證工程質量及有效的提高工作效率，就迫切要求實時數據傳輸和監(jiān)控的創(chuàng)新。zigbee作為無線傳感器網絡支撐技術，由大量分布廣泛的微小傳感器通過無線電連接形成一個組網，這些傳感器以微小的能量通過接力的方式將數據從一個節(jié)點傳到下一個節(jié)點，具有很高的通信效率。zigbee可以應用于各種環(huán)境下并整合到多樣產品中，正朝開放的方向發(fā)展制定標準規(guī)范。zigbee依據IEEE802. 15. 4標準，工作在公共的2. 4GHz ISM頻率上，在節(jié)點間進行無線電波數據傳輸只需要極少的能量，具有低功耗的優(yōu)點。zigbee無線網絡一般協(xié)作感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，此外，zigbee還可與其它網絡融合，實現(xiàn)指定范圍內目標的檢測或者控制，實現(xiàn)無所不在的網絡。例如通過Internet監(jiān)控異地的一個zigbee控制網絡。與長距離無線通信技術相比，zigbee側重低功耗和廣分布性，對速率要求不高，它通過犧牲通信距離來換取低成本和低功耗性，非常適合于低速率數據應用，例如農業(yè)設施測控、森林防火、醫(yī)療監(jiān)護等應用。zigbee網絡具有自組織性，每個zigbee網絡節(jié)點，只要在彼此間的通信范圍內，就會自動搜索并形成一個互聯(lián)的zigbee網絡，網絡模塊終端的相對位置放生變化時，模塊會自動重新搜索通信對象，確定彼此間的聯(lián)絡。節(jié)點間的通信距離一般在30米到數百米之間。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的問題，提供一種數據傳輸穩(wěn)定實時、傳輸安全可靠、功率低、成本低、適用范圍廣的基于zigbee無線網絡的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)。、[0005]為了解決上述技術問題，本實用新型采用的技術方案為一種基于zigbee無線網絡的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)，包括數據采集器、數據處理器和用于將灌漿監(jiān)測檢測數據集中輸出的數據集中器，所述數據采集器包括相互連接的傳感器単元和zigbee節(jié)點，所述數據處理器包括相互連接的中央處理模塊和zigbee路由，所述數據集中器包括用于zigbee無線網絡組網的zigbee協(xié)調器,所述zigbee協(xié)調器分別與zigbee節(jié)點、zigbee路由通過zigbee無線網絡相連，所述zigbee節(jié)點與zigbee路由通過zigbee無線網絡相連。作為上述技術方案的進ー步改進所述傳感器単元包括用于檢測灌漿壓カ的耐腐蝕壓カ傳感器。它還包括多個zigbee路由節(jié)點，所述zigbee節(jié)點通過zigbee路由節(jié)點與zigbee路由相連。所述zigbee協(xié)調器通過zigbee路由節(jié)點分別與zigbee節(jié)點、zigbee路由相連。所述數據集中器還包括用于解析灌漿監(jiān)測數據的數據解析器和將灌漿監(jiān)測數據發(fā)送至移動電信網絡的遠程數據傳輸模塊，所述zigbee協(xié)調器、數據解析器、遠程數據傳輸模塊依次相連。本實用新型具有下述優(yōu)點I、本實用新型包括數據集中器，數據采集器與數據處理器之間通過zigbee無線網絡相連、數據處理器與數據集中器之間通過zigbee無線網絡相連，因此能夠基于zigbee無線網絡實現(xiàn)灌漿的在線監(jiān)測，具有功耗低、成本低、時延短、網絡容量大、通信可靠、數據安全，數據鏈可靠性好的優(yōu)點。2、本實用新型進ー步包括多個zigbee路由節(jié)點，zigbee節(jié)點通過zigbee路由節(jié)點與zigbee路由相連，因此數據采集器和數據處理器之間能夠利用zigbee路由節(jié)點實現(xiàn)高可靠性的數據傳輸，防止數據鏈斷開，數據傳輸實時可靠。3、本實用新型zigbee協(xié)調器進ー步通過zigbee路由節(jié)點分別與zigbee節(jié)點、zigbee路由相連，因此zigbee無線網絡能夠利用zigbee路由節(jié)點實現(xiàn)zigbee無線網絡的高可靠性組網以及數據傳輸，防止數據鏈斷開；數據處理器通過zigbee路由節(jié)點發(fā)送給數據集中器或者直接發(fā)送給數據集中器，能夠充分利用zigbee無線網絡自組織性強的優(yōu)點，從而可以提高數據傳輸的可靠性和安全性。4、本實用新型的數據集中器進ー步包括數據解析器和遠程數據傳輸模塊，能夠將灌漿檢測數據實時發(fā)送至移動電信網絡，能夠充分利用現(xiàn)有的移動電信網絡，組網簡單方便、通用性好、適用范圍廣。

圖I為本實用新型實施例的框架結構示意圖。圖2為本實用新型實施例zigbee模塊的處理器電路原理示意圖。圖3為本實用新型實施例zigbee模塊的射頻功率放大器的電路原理示意圖。圖4為本實用新型實施例數據采集器的電路原理示意圖。圖5為本實用新型實施例zigbee路由的電路原理示意圖。圖6為本實用新型實施例GPRS數據傳輸模塊的原理示意圖。圖7為本實用新型實施例數據解析器的電路原理示意圖。[0023]圖例說明1、數據采集器；11、傳感器單元；12、zigbee節(jié)點；2、數據處理器；21、zigbee路由；22、中央處理模塊；3、數據集中器；31、zigbee協(xié)調器；32、數據解析器；33、遠程數據傳輸模塊；4、zigbee路由節(jié)點。
具體實施方式
如圖I所示，本實用新型實施例基于zigbee無線網絡的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)包括數據采集器I、數據處理器2和用于將灌漿監(jiān)測檢測數據集中輸出的數據集中器3，數據采集器I包括相互連接的傳感器單元11和zigbee節(jié)點12，數據處理器2包括相互連接的中央處理模塊22和zigbee路由21,數據集中器3包括用于zigbee無線網絡組網的zigbee協(xié)調器31, zigbee協(xié)調器31分別與zigbee節(jié)點12、zigbee路由21通過zigbee無線網絡相連，zigbee節(jié)點12與zigbee路由21通過zigbee無線網絡相連。zigbee節(jié)點12、zigbee路由21、zigbee路由節(jié)點4和zigbee協(xié)調器31通過zigbee無線網絡通信協(xié)議(IEEE802. 15. 4標準)形成zigbee無線網絡，從而通過zigbee無線網絡實現(xiàn)灌漿監(jiān)測數據的局域網絡傳輸。數據采集器I采集的原始灌漿監(jiān)測數據通過zigbee節(jié)點12發(fā)送給zigbee路由21,數據處理器2通過zigbee路由21接收采集的原始灌漿監(jiān)測數據并進行處理，再把處理后的灌漿監(jiān)測數據通過zigbee路由21發(fā)送給zigbee協(xié)調器31，數據集中器3將灌漿監(jiān)測數據實時輸出到工程監(jiān)控部門，zigbee無線網絡數據傳輸系統(tǒng)全部采用實時數據傳輸方式，其原始數據由傳感頭根據現(xiàn)狀檢測得到真實數據，當有不正常的數據產生時，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測可以對工程施行有力的保障使其工程能正常實施，確保工程能正常運行、保障工程灌漿質量。本實用新型實施例由于采用了 zigbee無線網絡傳輸灌漿監(jiān)測數據，因此具有傳輸實時高效、傳輸距離廣、功耗低、成本低、時延短、網絡容量大、通信可靠、數據安全，數據鏈可靠性好的優(yōu)點，其優(yōu)點具體概括如下I、功耗低，節(jié)點的功耗在Iw之內。2、成本低，zigbee協(xié)議棧簡單，復雜度僅為Bluetooth的1/10，對硬件資源的占用小，全功能節(jié)點僅需32KB代碼，子功能節(jié)點需要用4KB代碼，設備費用低。3、低速率，zigbee 在 868MHz (歐洲)，915MHz (美國)和 2. 4GHz (全球)的 ISM 頻段分別提供250kbps, 40kbps和20kbps的原始數據吞吐率。4、時延短，zigbee節(jié)點從休眠自如工作狀態(tài)需15ms，節(jié)點連接入網絡需30ms，而相比之下，藍牙需要3-10s、WiFi需要3s。5、網絡容量大、傳輸距離廣，可支持多達65000個節(jié)點設備。6、自組織性，網絡節(jié)點自動感知其他節(jié)點并確定連接關系，網絡有自愈功能節(jié)點位置發(fā)生變動或故障，網絡會自動修復，調整網絡拓撲結構。7、通信可靠,zigbee采用CSMA—CA碰撞避免機制,并為固定寬帶的通信業(yè)務留有專用時隙，避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突；MAC層采用確認的數據傳輸機制，每個發(fā)送的數據包都要等待接收方的確認信息。8、數據安全，zigbee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。9、數據鏈可靠性好。由于傳統(tǒng)是采用有線，但現(xiàn)場復雜的環(huán)境下有線可能很容易被損壞，導致數據鏈斷開，不能有效保證數據實時的傳輸。[0035]本實施例中，傳感器單元11包括用于檢測灌漿壓力的高精度PTH704耐腐蝕壓カ傳感器。此外還可以根據灌漿檢測的實際需要采用其他的傳感器，例如流量計、密度計、位移計等。本實施例中，zigbee節(jié)點12由zigbee模塊組成并設置為節(jié)點模式,用于實現(xiàn)zigbee無線網絡訪問功能，zigbee模塊主要由處理器和射頻功率放大器組成，其中處理器米用ember公司的em357芯片實現(xiàn),射頻功率放大器基于skyworks公司的SKY65336-11芯片實現(xiàn)，em357芯片內部嵌入6組模數轉換單元12位高精度AD轉換模塊實現(xiàn)，轉換速度極快，使得計量更加準確。zigbee無線網絡包括多個zigbee路由節(jié)點4, zigbee節(jié)點12通過zigbee路由節(jié)點4與數據處理器2相連。傳感器単元11將采集的模擬電壓信號通過zigbee節(jié)點12內部自帶的AD轉換模塊轉換為數字信號形式的原始灌漿監(jiān)測數據，并通過zigbee節(jié)點12發(fā)送至zigbee無線網絡。如圖2和圖3所示,zigbee節(jié)點單元12中EM357芯片的PC5引腳與SKY65336-11芯片的收發(fā)控制引腳(12、27、28)通過Q2協(xié)助相連 接；射頻收發(fā)引腳(RF_P、RF_N、RT_TX_LT_P、RT_TX_LT_N)與 SKY65336-11 芯片的 2、3、7、8射頻收發(fā)引腳相連；PB2、PB1引腳用作串行輸出輸入接ロ實現(xiàn)與外部單元數據通信；PB5、PB6引腳與外部LED相連，用作指示中央處理器的工作狀體；0SCA、OSCB引腳與外部24MHz(Yl)時鐘源相連；PA0、PA1、PA2分別用作SC2M0SSEL、SC2M0S0、SC2M0SI用于SPI串行通信。SKY65336-11芯片的射頻in相位上加上ー個8. 2nH的電感，在out相位上加上ー個3. 3nH電感來抑制外部干擾；SKY65336-11芯片的ANT引腳直接引出與外部天線相連用于發(fā)射射頻信號。本實施例中，如圖4所示，傳感器単元11采集壓力信號通過數據采集器I中信號轉換芯片 AD8275ARMZ 的 Vout 與 zigbee 節(jié)點 12 中 zigbee 模塊(zigbee-module)的 PB7 引腳相連；數據采集器I還包括數據存儲器AT45DB321D (U3)和電源參考電壓LM385-1. 2 (U2)，數據存儲器AT45DB321D (U3)通過SPI串行與zigbee節(jié)點12中zigbee模塊的em357芯片通信，并存儲實時的AD轉換值。LM385-1. 2 (U2)與zigbee節(jié)點12中zigbee模塊的PBO相連，為zigbee模塊的AD轉換提供參考電壓。本實施例中，中央處理模塊22基于PC機實現(xiàn)，PC機通過串ロ與數據處理器2中zigbee路由21相連。zigbee路由21具有zigbee無線網絡的路由功能，能夠自動通過路由算法在zigbee無線網絡中查找最近的路徑將灌漿監(jiān)測數據發(fā)送至數據集中器3，zigbee路由21由zigbee模塊組成并設置為路由模式，zigbee模塊由處理器和射頻功率放大器組成，其中處理器采用ember公司的em357芯片實現(xiàn),射頻功率放大器基于skyworks公司的SKY65336-11芯片實現(xiàn)。來自zigbee節(jié)點12的原始灌漿監(jiān)測數據直接傳輸給zigbee路由21，或者通過ー個或者多個zigbee路由節(jié)點4傳輸給zigbee路由21，最后通過串ロ輸入至中央處理模塊22進行數據處理。同時將處理完的數據通過zigbee路由21直接傳輸直zigbee協(xié)調器31、或通過ー個或者多個zigbee路由節(jié)點4傳輸給zigbee協(xié)調器31 ;如圖5 所不,zigbee 路由 21 中 zigbee 模塊(zigbee-module)的 PB1、PB2、PA6 引腳通過 MAX485E轉換為485總線形式與pc機通信傳輸原始灌漿監(jiān)測檢測數據。本實施例中，數據集中器3還包括用于解析灌漿監(jiān)測數據的數據解析器32和將灌漿監(jiān)測數據發(fā)送至移動電信網絡的遠程數據傳輸模塊33，zigbee協(xié)調器31、數據解析器32、遠程數據傳輸模塊33依次相連。zigbee協(xié)調器31主要用于組建和管理整個zigbee無線網絡，為整個zigbee無線網絡提供系統(tǒng)實時時鐘并保存待發(fā)送灌漿監(jiān)測數據，同時把待發(fā)送灌漿監(jiān)測數據通過串ロ(RS232)傳送給數據解析器32，數據解析器32進行數據解析以后再通過遠程數據傳輸模塊33發(fā)送至移動電信網絡，從而通過移動電信網絡發(fā)送給遠端服務器平臺。本實施例中，zigbee協(xié)調器31由zigbee模塊組成并設置為協(xié)調器模式，zigbee模塊主要由處理器和射頻功率放大器組成，其中處理器采用ember公司的em357芯片實現(xiàn)，射頻功率放大器基于skyworks公司的SKY65336-11芯片實現(xiàn),強大的協(xié)議棧能力與強有力是射頻發(fā)射功率能輕松應對局域網絡作業(yè)要求；數據解析器32基于ATMEL公司的AT91SAM7X256AU微處理器實現(xiàn)，AT91SAM7X256AU內嵌入兩個USART以及兩個SPI的ARM7處理器，強大的數據處理能力能有效的應對局域網絡數據作業(yè)要求。遠程數據傳輸模塊33為GPRS數據傳輸模塊。如圖6所示，本實施例中GPRS數據傳輸模塊具體基于SIM900-TE-C實現(xiàn)。如圖7所示，AT91SAM7X256AU微處理器通過USARTO與USARTl分別與zigbee協(xié)調器31和GPRS數據傳輸模塊進行數據通信。AT91SAM7X256AU微處理器的PAlO (TffD)、PAll (TWCK)、PB2 (/RES)引腳與外部實時時鐘(DS1302)相連以通信獲取實時時鐘；PA17 (SPI0_M0SI)、PA16 (SPI0_M0S0)、PAll (SPI0_NPCS0)、PA18 (SPI0_SPCK)、PA2 (RESET)與數據集中器 3 的外部數據存儲器(AT4OTB321D)通信實現(xiàn)數據存儲功能，外部數據存儲器(AT4OTB321D)用 于存儲協(xié)調及接收GPRS數據傳輸模塊暫未發(fā)送的數據；PB19、PB20、PB21引腳連接外部LED以顯示指示外部數據存儲器(AT4OTB321D)的運行狀態(tài)；USART0 PAO (TR)、PAl (TX)與USARTl PA5 (TR)、PA6 (TX)分別于zigbee協(xié)調器31、GPRS數據傳輸模塊進行串行通信；PA3 (GPRS-P)、PB27(0N/0FF)引腳用作控制GPRS數據傳輸模塊。其中GPRS-P用于控制GPRS數據傳輸模塊的電源；0N/0FF為GPRS數據傳輸模塊的開關。本實施例還包括多個zigbee路由節(jié)點4, zigbee節(jié)點12通過zigbee路由節(jié)點4與數據處理器2相連；zigbee協(xié)調器31通過zigbee路由節(jié)點4分別與zigbee節(jié)點12、zigbee路由21相連。zigbee無線網絡的結構為以zigbee路由節(jié)點4為中心的星形拓撲結構，zigbee路由節(jié)點4主要用于zigbee無線網絡的路由功能，它能夠把超過通信距離范圍的其他zigbee通信模塊有機的聯(lián)系在一起，它是個數據中轉站，建立起數據鏈路，將數據采集器I、數據處理器2和數據集中器3，有機聯(lián)系起來形成一個可靠的zigbee無線網絡。本實施例中，zigbee路由節(jié)點4主要包括處理器和射頻功率放大器，處理器基于EM357芯片實現(xiàn)，射頻功率放大器基于SKY65336-11芯片實現(xiàn)。本實施例中，數據集中器3只有一個，數據集中器3是整個zigbee無線網絡的組網中心，數據采集器I、數據處理器2以及zigbee路由節(jié)點4的數量則可以根據需要進行調節(jié)數量，但不能超過40個。本實用新型實施例的工作過程如下 I)上電初始化首先數據集中器3上電啟動，GPRS數據傳輸模塊連接遠程服務器，同時zigbee協(xié)調器31上電后組建zigbee無線網絡。等待GPRS數據傳輸模塊連接完成后，再由數據集中器3的zigbee協(xié)調器31發(fā)送準備狀態(tài)信息給zigbee無線網絡上的其他zigbee節(jié)點12，通知可以發(fā)送灌漿監(jiān)測數據。2)灌漿監(jiān)測系統(tǒng)上電初始化完畢后，首先數據采集器I通過傳感器單元11采集原始灌衆(zhòng)監(jiān)測數據，然后通過zigbee節(jié)點12發(fā)送給zigbee路由21,數據處理器2通過zigbee路由21獲取原始灌漿監(jiān)測數據并進行數據處理后再通過zigbee路由21把數據發(fā)送給zigbee協(xié)調器31，數據集中器3通過zigbee協(xié)調器31獲取灌漿監(jiān)測數據，然后再通過數據解析器32解析zigbee網絡數據并通過GPRS數據傳輸模塊發(fā)送給遠端服務器。在工作過程中，zigbee節(jié)點12、zigbee路由21、zigbee協(xié)調器31和zigbee路由節(jié)點4的zigbee模塊的上電工作指示燈提示數據的發(fā)送頻率和有效工作狀態(tài)。數據集中器3上的指示燈也會提示有數據發(fā)送頻率與有效工作狀態(tài)。 以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，本實用新型的保護范圍并不僅局限于 上述實施例，凡屬于本實用新型思路下的技術方案均屬于本實用新型的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種基于zigbee無線網絡的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)，包括數據采集器(I)和數據處理器(2)，其特征在于所述灌漿監(jiān)測系統(tǒng)還包括用于將灌漿監(jiān)測檢測數據集中輸出的數據集中器(3)，所述數據采集器(I)包括相互連接的傳感器單元(11)和zigbee節(jié)點(12)，所述數據處理器(2)包括相互連接的中央處理模塊(22)和zigbee路由(21)，所述數據集中器(3)包括用于zigbee無線網絡組網的zigbee協(xié)調器(31),所述zigbee協(xié)調器(31)分別與zigbee節(jié)點(12)、zigbee路由(21)通過zigbee無線網絡相連,所述zigbee節(jié)點(12)與zigbee路由(21)通過zigbee無線網絡相連。
2.根據權利要求I所述的基于zigbee無線網絡的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器單元(11)包括用于檢測灌漿壓力的耐腐蝕壓力傳感器。
3.根據權利要求2所述的基于zigbee無線網絡的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于它還包括多個zigbee路由節(jié)點(4)，所述zigbee節(jié)點(12)通過zigbee路由節(jié)點(4)與zigbee路由(21)相連。
4.根據權利要求3所述的基于zigbee無線網絡的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述zigbee協(xié)調器(31)通過zigbee路由節(jié)點(4)分別與zigbee節(jié)點(12)、zigbee路由(21)相連。
5.根據權利要求I 4中任意一項所述的基于zigbee無線網絡的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述數據集中器(3 )還包括用于解析灌漿監(jiān)測數據的數據解析器(32 )和將灌漿監(jiān)測數據發(fā)送至移動電信網絡的遠程數據傳輸模塊(33)，所述zigbee協(xié)調器(31)、數據解析器(32)、遠程數據傳輸模塊(33)依次相連。
專利摘要本實用新型公開了一種基于zigbee無線網絡的灌漿監(jiān)測系統(tǒng)，包括數據采集器、數據處理器和用于將灌漿監(jiān)測檢測數據集中輸出的數據集中器，數據采集器包括相互連接的傳感器單元和zigbee節(jié)點，數據處理器包括相互連接的中央處理模塊和zigbee路由，數據集中器包括用于zigbee無線網絡組網的zigbee協(xié)調器，zigbee協(xié)調器分別與zigbee節(jié)點、zigbee路由通過zigbee無線網絡相連，zigbee節(jié)點與zigbee路由通過zigbee無線網絡相連。本實用新型具有數據傳輸穩(wěn)定實時、傳輸安全可靠、功率低、成本低、適用范圍廣的優(yōu)點。
文檔編號G08C17/02GK202524431SQ20122010254
公開日2012年11月7日 申請日期2012年3月19日 優(yōu)先權日2012年3月19日
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