浅析基于ZigBee的高大支模无线监测系统

黄欣城

（广州市市政工程试验检测有限公司，广东广州 510000）

0 引言

现代人们逐渐不满足物质上的追求，逐渐转向精神上的追求，对于建筑物的美观性的要求标准在不断地提升，对于外形的要求提升也是对于技术水平要求提升，所以对于模板支撑结构具有更高的安全性要求。所以进一步地加强高大支模无线监测系统技术的提升是十分必要的。

1 高大支模无线监测的前景优势以及ZigBee技术概述

1.1 人工光学设备检测

较为传统的监测方法主要是依靠光学设备开展监测工作，就比如全站仪。一般情况下，会在施工影响的范围外，在基准点上进行设置，大约距离施工区域35m左右，会根据实际情况对高程传递点进行布置。人工监测的资金成本虽然低，但是监测的总体效果不是非常的理想，只能读与施工现场外诶的观测点进行监测。高大支模内部因为结构较为复杂、杆件分布较多，所以监测工作开展异常艰难，不仅无法监测到立杆轴力，还伴随着检测密度过低的情况。一般监测的时间间隔大约在30min左右，很难满足要求，并且不能够有效地起到预防的作用[1]。

1.2 测量机器人

测量机器人在监测行业起到广泛的应有作用，因为它的监测原理非常简单的同时，测量数据的准确度还非常的高，所以测量机器人被广泛地应用与大坝、滑坡以及桥梁等大型的建筑物变形监测工作当中。相较于人工监测，测量机器人的检测频率相对较高，缺点就是测量机器人的成本偏高，用在监测点较少的项目工程中时单次的成本投入过高。由于测量机器人的出检测种类非常的单一，无法对立杆轴力开展监测工作，对于高支模内部也无法进行有效的监测，在测量机器人开展监测工作时测量数据的精准程度会受到所处的环境温度影响。测量机器人并不是高大支模监测工作中的最佳解决方案[2]。

1.3 无线自动化监测

无线自动化监测主要是将传感器与无线传输模块相连接，将传感器放置在需要进行监测的测量点上，设置好固定的参数数值，系统会自动按照设置的时间发送采集数据的指令，让传感器开始进行数据采集的工作。无线自动化监测成本是可以人为控制的，投入成本会随着监测点的增加而提升，单个的监测点的成本普遍较低，同时因为高大支模监测工程的总体周期较短，设备使用完成后还可以回收进行重复利用，所以综合使用成本较低。同时无线自动化监测可以根据项目实际需求的不同，对于测量数据的精准度进行灵活的调节，相较于其他的监测手段，可以测量更多种类的数据。而且无线监测技术在工程建筑的应用中，不仅可以让工作人员获取非常准确的施工信息，同时也可以有效地减少施工人员的工作量[3]。

1.4 ZigBee技术

ZigBee技术是由非常多个无线节点组合而成的，众多节点之间可以进行数据的传输，可以借助于路由器扩大网络的覆盖面积。ZigBee技术在很早就已经被提出了，在市场中有规模应用，所以此项技术的可靠性较高，可以收集到此项技术的相关资料也比较多。其技术的特点主要就是网络容量大以及功耗非常低两点，首先就是低功耗，只需要两节5号电池就可以支持终端节点在PM3模式下可以持续运行几个月之久，但是缺点就是会出现延迟的状况。第二个优点就是网络容量大，在理论上此项技术可以支持的网络节点大约在65000，在实际的应用中使用上百个节点时也表现得较为突出。当项目工程额采集布点较多、传输数据信息量较小、设备的体积较小可以进行电池供电以及移动网络覆盖盲区时就可以利用此项技术进行监测[4]。

2 基于ZigBee的高大支模无线监测系统的硬件设计

2.1 传感器

传感器是系统中非常重要的组成成分，传感器就是数据的产生者，传感器会直接影响到采集数据的准确性，根据监测需求不同就需要选择不同类型的传感器。在传感器的选择上需要遵循三点，首先就是对传感器厂商的确定，不同厂家生产出来的传感器的可靠性会有较大的差别；其次就是在确定监测工作的需求之后，进一步的选择与监测参数类型一致的传感器；最后一点就是根据工程的实际情况，预估监测的范围以及采集数据的准确程度。通常情况下，传感器直接输出就是模拟信号，借助于模数转换进一步的输出数字信号，同时会根据外界环境文温度与电阻进行相应的补偿，传感器连接电缆造成的电阻变化过于轻微，并不会对最终的数据信息读取的准确性产生影响。经历过转换的数字信号可以作为数据信息直接使用，不需要再度进行人工转换的步骤了，同时也有效地保证了数据信息的准确性[5]。

2.2 终端节点

终端节点会直接与传感器进行连接，终端节点的主要作用就是为传感器与ZigBee网络搭建起一个可以互相传输的桥梁，终端节点主要选择用ZigBee作为开发板，提供连接口以及传感器连接。传感器中会有色种颜色的连接线，且终端接口上方有标识，在连接工作完成后注意接线部位的防水绝缘处理工作，避免安全事故的发生。下图就是传感器的四色连接线。图1为传感器的四色连接线。

图1 传感器的四色连接线

2.3 中心节点

中心阶段的作用就是将ZigBee的协调器与GPS集成进行有效的相连，协调器上会建立ZigBee网络。中心节点的硬件的地板为主要用于供电以及提供串口通信的调试工作，如图2所示。

图2 中心节点的硬件

3 基于ZigBee的高大支模无线监测系统的软件设计

3.1 系统软件总体设计

将传感器安装到项目工程的指定监测点，再将每个监测点上的传感器与ZigBee的终端进行绑定连接，在协调器上建立ZigBee网络，使ZigBee加入进网络之中，协调器利用网关与互联网进行连接，协调器与服务器的指定端口建立TCP连接后，服务器就会读取网关所发送的心跳包信息，与此同时，还会制定一个定时的任务，这样服务器就会定时将采集指令发送到自动采集器之中，命令自动采集器进行数据采集，定时任务的时间间隔主要是由用户首次登录时进行填写，之后也可以随时对时间间隔进行更改，服务器就收到传感器上传的数据信息会，就会开始对收集得到的数据信息进行解析，解析完成后可以将数据存放在数据库之中，用户进行系统登录时，服务器还可以将已经储存进数据库中的数据提取出来渲染页面。服务器系统可以按照功能分成两个部分也就是采集部分以及展示部分。展示部分主要是进行前后端分离开发，后端主要负责逻辑处理以及数据信息的定时采集，前端主要负责页面的展示功能，前后两端数据信息的交互主要是通过json格式进行的。

3.2 数据采集系统设计

数据采集系统设计主要分为两个部分也就是数据库设计以及程序设计，首先就是数据库设计，因为每一个账号都会有与之对应且唯一的ID，手机号以及账户名称也会做出相应的唯一性处理，登录的密码会先进行加密之后存放在系统的数据库之中进行储存。每一个项目工程都会有与之对应的id，项目工程的账户id与工程负责人的id相对应，而id就可以决定可以常看项目工程数据信息的用户群体。另一个部分就是程序的设计，传感器是借助于ZigBee才能与互联网相连接，服务器可以与协调器进行直接通信，协调器在接收到数据信息后会在ZigBee网络中的广播服务器中发送传输过来的指令。协调器主要是通过rcp协议以及服务器进行连接，一般情况下，一个施工项目中只会配备一个协调器，而协调器在通电之后会将心跳包服务发送到服务器的3020端口。服务器使用该类型端口的原因就是可以有效地避免网络爬虫的干扰。协调器通电之后会马上发送心跳包，主要是为了避免过长时间没有进行数据信息的发送，导致的信号连接中断的现象，服务器会监听端口的信息，在服务器接收到项目工程的编号后就会与之前接收到的心跳包中的项目编号标记相连接，之后将项目的编号以及查询项目的传感器制作成表格，每一个项目工程都会有数据采集的时间间隔，服务器在监听到心跳包后就会自动创建定时任务，定时向传感器发送进行数据采集的指令。因为一个网络的传感器只能接受一条指令，即便有多个传感器，一次也只能由一个传感器接收指令，一次性发送很多条指令，传感器也只会执行接收到的第一条信息。所以在下达指令时需要进行一次发送。同时也会由于无线网络不稳定导致数据无法采集的情况发生，所以需要稍等，大约10s，在此期间如果没有数据信息被回传过来，就再次下达数据采集的指令，无论10s过后有无数据信息回传，再次给传感器下达数据采集指令。

3.3 数据展示系统设计

服务端不仅监听端口，同时还监听用户的访问情况。用户界面主要选择可以不用安装客户端的架构，这样就可以进一步的节省设备的维护成本，不需要进行系统更新，任何适合打开展示界面都是最新版的用户界面。前端页面的展示系统主要是利用了vue框架进行开发的，此框架主要是构建用户界面的渐进式框架，与其他框架有所不同，此框架属于从下向上的逐层应用，还采用了dom算法，系统性能非常的优异，被非常多的公司用来作为前端页面。想要保护监测数据的安全，就需要设计用户的登录功能，可以勾选保存密码的功能，这样浏览器就会将账户以及密码储存至数据库之中，此后用户就可以不输入账号密码，直接登录进入系统页面之中。如果不勾选密码保存就会在用户点击退出登录或是关闭页面后，消除用户的登录信息，以此有效地提升账号的安全性。也可以在浏览器中增加可视化数据库，以便于更加直观地监测数据信息的变化趋势。

3.4 移动端展示界面

为了方便工作人员的访问以及对数据信息的查看，可以进一步地研发移动端的展示页面，移动端提供样可以通过网页进行展示，为了更加方便用户的访问，增强用户的体验感，可以通过移动端自带的浏览器打开系统页面，将网页添加到主屏幕之中，在桌面上添加网站入口的便捷方式，但移动端相较于pc端会简单一些，只提供数据信息的查询功能，其他功能并不开放。这样就方便点击进入详情页面是展示出此项目每个监测点的最新数据。同时可以对移动端页面的背景进行设置，当数据信息的预警信息小于80%就可以使用绿色的背景，一旦预警信息超过80%但未达到预警值时，背景就会转变为橙色的警告提示，一旦数据信息超过预警值就可以将背景直接设置成为红色并且会发送预警短信。点击监测点不仅可以查到监测点的实时信息，还可以查到监测点的历史数据。

4 结语

综上所述，本文主要通过ZigBee网络，对高大支模无线监测系统进行更为深入的探索，将分析出来的自动化监测平台系统应用在高大支模的安全监测领域之中，不仅可以有效地对建筑工程的变形情况进行实时监测，同时还可以进行及时的预警，所以此项监测系统会有非常大的市场应用前景。