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1.系統分析

本系統由感知層、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測點，安裝傳感器；b.將傳感器采集數據通過ZigBee模塊傳輸至嵌入式無線網關；c.嵌入式處理器接受數據后，進行算法分析處理，并評級，通過GPRS網絡傳送至總監控室，并向現場發送預警信號；d.總監控室接受到信號顯示在主機屏幕上，現場警報預警。

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。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。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。預先選擇要監測的幾個點，設定腳手架的每一層都監測一個點，將傳感器連接在腳手架鋼管上或者是腳手板上。根據《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范JGJ130-2011》規定，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，構成壓力監測感應節點。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，會出現較大的荷載變化，也是事故易發的環節。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，使用監測系統，可以及時地將壓力數據進行傳輸。

1.1.2安裝在鋼管上的形變傳感器。監測立桿，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無線收發模塊、GPRS通信模塊和以太網卡構成，是系統的核心。它負責接收各個感知層節點上傳的數據并對數據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點，實現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。據估算，ZigBee設備僅靠兩節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務預留了專用時隙，避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

1.2.6安全：ZigBee提供了基于循環冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能,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.系統硬件設計

系統的硬件設計包含感知節點的硬件設計和嵌入式無線網關的硬件設計。

2.1感知節點的硬件設計

感知節點ZigBee無線收發模塊采用TI公司CC2530F256芯片，運行ZigBee2007/PRO協議，最高數據率250kb/s。該芯片結合RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存、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，實現串口數據傳輸，方便本系統內所有感知節點數據的傳輸。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議轉換。協議轉換的作用就是在不同通信協議的網絡中組織通信機制實現信息數據的傳輸。通過對數據的標準化協議進行封裝和解析，完成內外網通信，使得不同協議的網間通信暢通。

3.系統軟件設計

3.1感知節點的軟件設計

節點軟件控制邏輯如圖3所示。程序運用于中斷形式，以保證能耗的節省。節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。當節點接收到來自網關的數據時，獲得相應的中斷信號，判斷是否符合本節點地址，符合即產生中斷，并關中斷以獲取傳感器數據。之后將此數據打包成ZigBee幀發送至網關，當接收到發送成功報文時，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。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進行根文件系統的制作，并通過mkyaffsimage將文件系統制作成鏡像文件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服務器文件系統的根目錄，即完成Qtopia系統的制作。

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程序創建新的進程，這樣就在最大程度上節省了系統資源。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。本系統中CGI與應用程序之間的通訊采用有名管道的方式實現進程間的通信。

4.經濟投入

本系統使用低成本、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，計算本體統的投資金額，總系統需要嵌入式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。本系統的總投資約為30000元左右。

5.總結

本系統在工程中因腳手架問題出現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，值得我們學者繼續深入探究。

作者：水博于軍琪單位：西安建筑科技大學