（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式的无线桥梁监测系统的研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fh l f o r m a t i o n t e c h n o l o g yb r i n g s w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kac o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o ni nf i e l do fd a t at r a n s m i s s i o n m e a n w h i l e ，w i t ht h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y , t h e c o m b i n a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n de m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y h a sb e e nc o n s i d e r e da sas u p e r i o rh o tb u m o n i na r e ao fb r i d g e sm o n i t o r i n g 。t h i s c o m b i n a t i o nn o to n l ym a k e st r a n s m i s s i o nm o r ef l e x i b l e b u ta l s oc u t0 f j ft h ee x p e n s e s b e s i d e s ，t h ew h o l es y s t e mc o u l db ee a s yt oe x t e n da n dm a i n t a i n t h i sp a p e ri sb a s e d o nt h i si d e aa n dt h i sd e s i g nh a sb e e ni m p l e m e n t e d t h ed r o je c ti sb a s e do ng p r sn e t w o r kt e c h n o l o g y , a n di tc o u l dp r o v i d e r e a l t i m ea n do n 1 i n em o n i t o t i n gt ot h ev i b r a t i o ns i t u a t i o no ft h eb r i d g e t h el p c 213 8 c h i pi su s e da st h ep r o c e s s o ro ft h i se m b e d d e ds y s t e mt ob u i l du pah a r d w a r e e n v i r o n m e n t ，g c o s i io p e r a t i o ns y s t e mi sa p p l i e da st h ep l a t f o r mt oa s s i g nt a s k s t h eg p r sm o d u l e ( m 2 2 a 1i su s e dt of i n i s ht r a n s m i t t i n gd a t at or e m o t es e r v e rw i t h f i x e di p t h i st h e s i ss t a r t e dw i t ht h ep r e s e n ts i t u a t i o na n df o r e g r o u n do fg p r st e c h n o l o g y , s y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e da n ds t u d i e dt h ep r i n c i p l ea n da r c h i t e c t u r eo fg p r sn e t w o r k b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ，w i t ht h ec o m p a r i s o no fc o m m u n i c a t i o nm e d i u m ，a m e t h o do f b r i d g ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md e s i g ni sp r e s e n t e d a f t e ra n a l y z i n gf u n c t i o n s o fe v e r ym o d u l e a l lt h ec i r c u i ti sd e s i g n e da n dt h ep c bi sf i n i s h e d i nt h ea s p e c to f s o f t w a r ed e s i g n ，o nt h eb a s i so fg c o s i io p e r a t i o ns y s t e m ，w h i c hh a sb e e n t r a n s p l a n t e di n t ol p c 2 13 8 e v e r yf u n c t i o n a lt a s ki sd e v e l o p e d b e s i d e s i nt h ep a r to f t r a n s m i s s i o n ，a f t e rf i n i s h i n gp r o g r a m m i n gt h ed r i v e r , g p r sm o d u l ec o u l db e i n i t i a l i z e ds u c c e s s f u l l y a c c o r d i n gt ot c p i pp r o t o c o l ，t h ed a t ar e c e i v i n gp r o g r a m ， w h i c hu s e dt oa n a l y s i sa n dp r o c e s sd a t a i sp r o g r a m m e di nr e m o t er e c e i v i n gs e r v e r ， f i n i s h i n gd a t at r a n s m i s s i o nf r o mg p r sn e t w o r kt oi n t e m e t i nt h ee n d t h es y s t e mi st e s t e di nt w ow a y s ：f u n c t i o n a lm o d u l et e s ta n de n t i r et e s t f r o mi t so u t c o m ep r o v i d e di nt h et h e s i s t h i ss y s t e mi sf i g u r e do u tt h a ti ti sc a p a b l et o a c c o m p l i s hb r i d g ed a t ar e m o t ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n a n di ti ss u i t a b l ei nv a r i o u sa r e a s k e y w o r d s ：w i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e m ，g p r sn e t w o r k ，e m b e d d e ds y s t e m ，g c o s i i o p e r a t i o ns y s t e m 湖咖二董大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性：声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者鲐王砺 魄哆年占月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：卫露 日期必少年6 月7 日 指导教师签名： 曰期2 口吵年月7 日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题来源及产生背景 第1 章绪论 本课题来源于湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队项目“桥梁损伤安全评 定关键技术的研究”( 鄂教科 2 0 0 4 1 7 号) 。桥梁健康监测是桥梁建设和维护过程中 的重要环节，直接关系着桥梁的安全和使用寿命。由于缆索的质量状况是桥梁的整 体健康状况的重点，所以在对桥梁的健康监测的主要研究对象就是缆索张力，应力 变力，中心挠力等指标。桥梁监测为这些亟待解决的问题提供了科学合理的解决方 法：它是对桥梁结构进行包括桥梁检查和必要的理论验算以及结构荷载试验等内容 的一系列工作，并据此对桥梁结构进行综合分析，做出符合实际的技术结论。目 前有很多桥梁已经进入了维护期，其数量还在不断的增加，对斜拉桥、悬索桥等桥 梁的缆索系统等关键因素进行长期的实时监测不仅对桥梁安全，交通管理起到重要 作用，而且在桥梁维护，寿命评估方面也具有重要的现实意义。桥梁的质量不仅关 系到桥梁本身的价值，对人民人身保险安全方面的意义更为重要。 在铁道、桥梁、港口、矿山、航天器等户外结构物的动态信号测试中，常常需 要进行大信号大量的信号采集分析。目前所有的数据采集分析系统的硬件大多依赖 于计算机，还需要配合专用的扩展箱、接口等多种附件，由于仪器的总体体积较大， 给野外现场数据采集分析带来很大不便。而且人工的监测方式不能很好的满足桥梁 缆索健康监测的要求【2 1 。本课题正是从这些问题出发，旨在开发一套基于g p r s 无 线传输的自动化长期实时监测系统，这样以前的检测仪器不需要做任何改变，也不 需要搬动到野外，就可以实现设备仪器功能升级从而使采集效果达到最大优化。本 课题在数据的获取方式上的革新，彻底改变了落后的人工检测方式，极大的提高了 监测效率，节省了监测成本，具有巨大的经济价值。国内外相关研究，在2 0 0 3 年， 福州大学任伟新教授研制的桥梁缆索张力测试仪着重对频率法索力测试的误差进 行了研究。目前国内对缆索张力测试还采用通用振动测试系统，如北京东方所的 i n v 系统。美国最近出现了采用磁通量法测试桥梁缆索张力的仪器，如芝加哥i l l i n o i s 跨越密西西比河的q u n c y 斜拉桥，就采用e m 传感器测斜拉索索力【3 j 。华中科技大 学康宜华教授亦采用磁通量法对桥梁缆索的损伤进行检测。这些仪器虽然都能对缆 索健康进行检测，但这些检测工作都采用人为的定期检测的方式，不能实现长期的 实时的自动化监测。在检测数据的传输方式上，主要采用客户机服务器网络系统， 通过有线网络或电话线与调制解调器实现计算机之间的远程数据传输。这种数据传 湖北工业大学硕士学位论文 输方式不仅成本高，而且拨号连接的方式速度较慢。 近年来，基于中国移动g p r s 网络和联通c d m a 网络的无线数据传输方式开 始在气象信息采集，环保数据采集，水文监控系统，电力监控系统等方面得到广泛 应用，如广东省已在1 6 个城市建立了环保检测站，这些检测站可以通过g p r s 网 络将数据实时传送到省局监控中心。g p r s 网络的理论数据传输速率为1 7 1 2 k b p s ， 实际速率一般为4 0 k b p s ，桥梁缆索张力检测数据文件最小为1 k ，最大可达1 0 k ，因 此传输速率和传输数据量都足够，并且易于软件分析。另外，g p r s 无线网络可以 实现永远在线，费用按流量计费或者包月，成本比较低廉。因此，本项目尝试将 g p r s 无线远程终端模块引入桥梁健康长期检测领域，在传输效果上和经济成本上 都具有相当的优势，经研究是一种切实可行的方案，具有重要的工程实际意义。 1 2 课题研究的目的和意义 本课题所研究的无线监测传输系统采用无线技术以及嵌入式操作系统，这两种 技术都是当前飞速发展的前沿技术，具有极强的理论研究和工程实践价值。本项目 尝试将g p r s 无线远程终端模块引入桥梁健康长期监测领域，在传输效果上和经济 成本上都具有相当的优势，经研究是种切实可行的方案，具有重要的工程实际意 义。 本课题的意义还在于实现嵌入式数据采集终端同i m e m e t 实现无线互联，使无 线g p r s 技术同嵌入式系统领域相结合，为嵌入式应用提供了一种实际可行的低成 本高效率的解决方案，使嵌入式系统能够很方便的应用到移动通信等非p c 应用领 域及其它相关领域，具有广阔的应用前景。 本课题是g p r s 无线技术和嵌入式a r m 技术在桥梁健康监测系统中的具体应 用。在应用中将基于中国的移动的g p r s 网络和i n t e w r n e t 的连接，与基于a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c n n e s ) 的数据采集和g p r s 终端有机整合和统一，既解决了 桥梁健康监测用户的需求，又实践g p r s 无线传输技术的应用。 在课题中，我们将集中解决一些基于数据采集、数据传输，和数据分析的典型 问题，如在数据采集时，选用采样频率高的转换精度高的a d ，这样在数据分析时 能够做到精益求精。课题的研究可以拓宽和实践了g p r s 无线技术和嵌入式a r m 技术的应用，并将解决g p r s 数据传输中的突发性的和频繁的中小数据量传输等典 型技术问题，对g p r s 技术的应用和桥梁健康长期实时自动化监测都有着重要的学 术意义。 桥梁健康监测系统基本原理是数据采集模块从服务器接收到的采样频率和采 集数据量命令( 或者默认采样频率和采集数据量) 来采集数据，采集完后通过g p r s 湖北工业大学硕士学位论文 模块传输到公网固定i p ( 公网服务器) ，服务器端通过端口映射软件，将接收到的 数据映射到索力分析监控客户端。客户端利用索力分析软件对索力数据进行f f t 分 析，计算缆索自振频率等。本项目用g p r s 无线传输技术，采集野外桥梁数据( 如 缆索振动) ，通过无线的方式传输到i n t e m e t 上的具有固定公网i p 的服务器上，客 户端可以通过访问服务器，来读取g p r s 传输的数据，利用分析软件分析数据，从 而确定斜拉桥健康状况。系统由低频加速度传感器，数据采集发送终端，移动g p r s 网络，公网固定i p ( 服务器) ，客户端5 部分组成。g p r s 组网方式是中心采用a d s l 的i n t e r n e t 公网连接，采用公网固定i p ，g p r s 直接向中心发起连接，将采集的 数据发送到服务器，在客户端通过服务器端口映射软件，接收桥梁缆索检测数据。 采集发送终端的硬件部分包括数据采集模块，中心处理模块，g p r s 模块；软件设 计包括数据采集与发送，g p r s 发送与接收，远程客户端的设计等。 1 3 桥梁监测系统现状 目前大量的桥梁已经进入维护检修阶段，对于所有的桥梁，在建设完成开始投放 使用以后，随着时间的推移，由于各种因素会使桥梁的安全性能有所下降，以至影响车 辆行驶的安全。 桥梁一般出现在重要的地段和区域，投资高，用期长。然而在桥梁的服役过程 中，所遭受的各种影响是非常大的，比如环境载荷作用、疲劳效应、腐蚀效应和材 料老化等不利因素对设施的长期影响，桥梁各部分发生老化导致其内部结构可能会 发生比较大的变化。因此桥梁的运行过程中对各项指标数据的监测和分析就显得非 常重要。但数据的大量采集也出现了一些固有的问题，比如，针对桥梁健康指标各 项数据的监测必须是实时监测的，每隔一段时间就必须将数据发送到上位服务器来 储存和分析，而桥梁的老化则是长年累月的积累的结果，所以在这么长的时期里的 所聚集的监测数据量是非常巨大的，从这么大量数据中分析和查找桥梁真实运行情 况不仅效率会大打折扣，而且可能会掩盖甚至丢失大量重要数据，为整合桥梁数据 资源设置了很大的难度。目前，从世界范围来讲，还没有提出一个真正有明显效果 的方案来分析处理如此大量的桥梁数监测数据。我国地形复杂，桥梁众多，想要保 证大量桥梁的安全使用仅仅靠人工和一般的桥梁健康监测系统是很难办到的，可见 找到一种稳定快速的桥梁监测系统是很有实际意义的。 采用无线g p r s 技术的监测系统依托中国移动通信在全国的普及性，很好的解 决了监测系统在地域上的限制，能切实有效的达到实时在线监测的功能。将g p r s 数据业务连接i n t e m e t 用作监测终端的通信线路，具有连接速度快，永远在线，实 时性强等特点。而且采用g p r s 进行远程监控，为远程监测监控提供了一个新的解 湖北工业大学硕士学位论文 决办法。 1 4 嵌入式系统概述 广义地讲，凡是不用于通用目的的可编程计算机设备，就可以是嵌入式计算机 系统。狭义上而言，嵌入式系统是指以应用为核心，以计算机技术为基础，软硬件 可裁减，对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。“嵌入 性”，“专用性”，“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。 嵌入式系统与通用计算机系统相比，具有如下一些主要特剧4 】 ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向专门的应用方向。 ( 2 ) 嵌入式系统本身不具备自主开发能力，需要专门的一套开发工具和环境 才能进行开发。 ( 3 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产 品同步进行。 ( 4 ) 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中。 ( 5 ) 嵌入式系统的硬件和软件力图精简，充分利用嵌入式系统的可剪裁性特 点，那个专门性应用。 目前，随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统的应用越来越多，目 前已经渗入人民生活的各个领域。己经有大量的8 ，1 6 ，3 2 位嵌入式微控制器的合 理应用，大大提高了工业生产效率和产品质量、降低劳动力成本的主要途径，其显 著的低成本，高性能也是它能够得到广泛应用的保证。 1 5g p r s 网络概论 g p r s 6 ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 且p 通用分组无线业务，它是在现有的网络 基础上发展起来的分组交换系统，与因特网或企业网相连，向移动客户提供丰富的 数据业务 引，它采用分组交换技术，理论上g p r s 最高传输速率可达1 7 1 2 k b p s ， g p r s 同时提高了g s m 网络系统的无线资源利用率，利用无线信道的空闲资源提 供分组业务。此外，g p r s 网络还有以下特点： ( 1 ) 网络覆盖范围广。g p r s 网络就是在g s m 网络的基础之上添加了相应的部 件完成服务，可以利用现有的g s m 网络覆盖资源。 ( 2 ) 接入时间短。分组交换接入时间缩短为少于1 秒，能提供快速即时的连接， 对实时监测系统来说，这一点就显得至关重要。 ( 3 ) 按流量计费。g p r s 用户只有在发送或接收数据时会分配信道带宽，所以 多个用户分时复用同一个信道，所以用户只要为所占用的信道资源分时付费即可。 4 湖北工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 传输速率高。网络的传输速度理论可达17 1 2 k b p s ，实际传输速度也可以达 到2 0 4 0 k b p s 稳定的传输速度进行数据传输。 ( 5 ) 支持标准数据通信协议。大大降低了无线用户和互联网，x 2 5 网络之间的 数据通信的开发难度。 g p r s 移动数据传输应用范围很广几乎所有中低速传输领域都可以使用，如城 市配电网络自动化、自来水、煤气管道自动化、商业机、接入、个人信息、股票信 息、金融、交通、公安等。 1 6 课题主要研究内容和主要工作 本文以桥梁缆索受力数据采集系统为例，针对桥梁各项数据( 应力变力，桥梁 中心挠度，缆绳振动速度等) 的无线传输研究了一种低成本高效率的的无线监测传 输系统，采用无线技术和嵌入式操作系统，这两种技术都是当前飞速发展的前沿技 术，具有极强的理论研究和工程实践价值。g p r s 作为移动通信的一种技术，由于 其覆盖面积广，已得到越来越多的应用。 另一方面，把嵌入式操作系统与嵌入式微处理器技术用于监测终端的处理机的 设计，在处理机上运行协议并接入互联网，以实现主控制机与智能设备之间信息的 收发、命令的发送、以及与主机的通信等功能是计算机技术应用的发展趋势。 基于此，本文的主要工作内容如下 嵌入式操作系统( 1 ac o s i i 系统) 和嵌入式微处理器( a r m 7 体系) 的研究 和应用，并对采用嵌入式开发无线传输系统的优势进行分析研究； g p r s 网络技术的研究，同时对通信方式的可行性和特点进行分析和研究； uc o s i i 系统中通信网络协议的分析和研究，通过g p r s 网络完成同i n t e r n e t 的互联，实现数据的远程传输； 从硬件和软件两个方面对无线传输监测系统终端进行设计。 各章安排如下： 第1 章绪论，主要介绍课题的背景，相关技术，现阶段的研究状况，以此为 基础，提出了本课题的主要研究工作。 第2 章系统总体设计部分，首先描述了监测系统的工作原理及整体构成然后 提出了本课题的研究重点即嵌入式监测数据采集系统的总体设计结构，讨论了嵌入 式处理器和嵌入式操作系统的选择，最后对系统的工作流程做了介绍。 第3 章系统硬件设计部分，首先给出了系统的硬件总体设计框图然后详细介 绍了各功能模块的设计，设计内容包括嵌入式模块硬件扩展、主控器外围电路、通 信电路、采集单元电路、系统供电单元等几个功能模块。 湖北工业大学硕士学位论文 第4 章系统软件设计部分，从对系统的软件需求分析出发，介绍了嵌入式实 时操作系统应用软件的设计，包括软件的主流程，任务的划分以及各个任务的具体 实现最后介绍了系统软件所遵循的通信协议。 第5 章系统测试部分，分为系统基本功能测试和系统实际运行分析，列举了 多项测试结果，证明系统实现了期望的功能，并已投入运行。 第6 章结论，总结了课题研究的意义及本系统的主要特点，同时，也提出了 针对本系统的不足和改进思想，对下一步的研究做了展望。 6 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章g p r s 监测系统的原理和组成 本系统的主要任务是在嵌入式系统基础上利用g p r s 网络完成数据的远程无线 通信，从而建立一个完善的无线桥梁检测系统。所以g p r s 监测系统的原理和组成 是本系统设计的理论基础和设计关键。 2 1g p r s 网络原理 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) e l i 通用分组无线业务，它作为第二代移动通 信技术向第三代移动通信的过渡技术，是由英国b tc e l l n e t 公司早在1 9 9 3 年提出 的，是g s mp h a s e 2 + ( 1 9 9 7 年) 规范实现的内容之一，是一种基于的移动分组数据 业务，面向用户提供移动分组的i p 或者x 2 5 连接【_ ”。g p r s 技术的提出为解决无 线用户和互联网之间的通信问题提供了一个合理的解决方案，实际上g p r s 技术使 得移动i p 这一概念得到广泛关注。 2 1g p r s 网络体系结构 g p r s 是利用“包交换”( p a c k e t s w i t c h e d ) 一概念所发展出的一套无线数据传 输方式。采用与g s m 网络相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳 频规则以及相同的t d m a 帧结构。这样做的原因是能够充分兼容g s m 网络，从而 顺利应用g s m 既有的网络覆盖资源。所以从整体上来说，g p r s 网络和g s m 网络 在体系结构伤势非常相似的。 g p r s 是在g s m 系统基础上引入新的部件( g g s n 和s g s n ) 而构成的无线数 据传输系统，能够兼容g s m 网络并在网络上遵循既有的信令有效的传输数据。 g p r s 网关支持节点g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o t e ) 主要面向的是互联网络 或其他数据网络；而g p r s 服务支持节点s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o t e ) 贝1 j 是面 向无线通信用户，在通过分别符合计算机网络标准协议和无线通讯网络协议，实现 无线网络和互联网络的无缝结合，达到两者顺利通信的目的。g p r s 骨干网络则承 担着主要数据通信链路工作。g p r s 网络结构图2 1 所示瞄j 。 湖北工业大学硕士学位论文 防火墙 图2 1g p r s 网络结构图 s g s n 的功能：s g s n 属于无线通信的数据管理节点，其主要功能是处理无线 用户终端的业务，包括无线通信信令的传达和数据包的处理，无线用户终端将分组 交换数据信息通过网络发送给基站，在g s m 网络覆盖的基站将数据通过s g s n 发 送到g p r s 分组交换骨干网，传输至g g s n ，从而建立s g s n 同g g s n 的连接。如 果无线用户终端没有连接互联网的请求，s g s n 同样可以直接将分组交换数据发送 到同一服务区的其他无线终端，完成无线通讯内部点对点通信。 g g s n 的功能：g g s n 是外部数据网同g p r s 网络之间的一个重要的数据节点。 主要处理外部数据网络业务，与s g s n 不同的是g g s n 有路由功能，可以将数据传 输到互联网的某个i p 地址，它是g p r s 网络和外部数据网相连的数据节点，同时 具有地址非配的功能。反之，g g s n 可以通过选择g p r s 骨干网的传输通道连接相 应的s g s n ，再通过基站将外部数据网的信息发送给无线用户终端。g g s n 和s g s n 都是支持双向数据传输。 2 2g p r s 监测系统原理 本项目用g p r s 无线传输技术，采集野外桥梁数据( 如缆索振动) ，通过无线 的方式传输到i n t e r n e t 上的具有固定公网i p 的服务器上，客户端可以通过访问服务 器，来读取g p r s 传输的数据，利用分析软件分析数据，从而确定斜拉桥健康状况。 系统由低频加速度传感器，数据采集发送终端，移动g p r s 网络，公网固定i p ( 服 务器) ，客户端5 部分组成。 本作品利用中国移动的g p r s 无线传输网络，研制了一套基于g p r s 终端模块 的嵌入式缆索张力测定仪，该仪器能永远在线，不间断的向远程客户端传送索力测 试数据，实现缆索张力的实时监测。本作品由低频加速度传感器，以a r m 为主控 湖北工业大学硕士学位论文 制器的数据采集发送终端，移动g p r s 网络，具有公网固定i p 的控制中心服务器、 处理客户端4 部分组成。g p r s 组网方式是中心采用a d s l 的i n t e r n e t 公网连接， 采用公网固定i p ( 公网服务器) ，g p r s 直接向中心发起连接，将采集的数据发送 到公网服务器。开通中国移动s i m 卡g p r s 服务的c m n e t 功能，就可实现g p r s 向公网中固定i p ( 服务器) 传输数据的功能，移动公司在g p r s 网关支持节点 ( g g s n ) 上为监控系统专门分配了一个域，并将系统为各终端申请的s i m 卡绑定 在此域内【9 】。服务器利用端口映射软件将数据映射到数据接收、处理客户端，实现 缆索张力的实时监测。本作品中，低频加速度传感器将绑定在斜拉桥的缆索上，传 感器连接电荷放大器，缆索向不同的方向振动，传感器将振动信号转化成电信号输 出，该电信号经电荷放大器放大，将输出正负不同，大小不同的电压信号，该输出 电压值将作为采集发送终端的模拟量输入。采集终端将模拟量转换成数字量，并存 入主控制器的数据缓冲区，当数据缓冲区满，主控制器将数据缓冲区数据写入g p r s 模块，该g p r s 模块将数据发送到具有公网固定i p 的服务器( 实验室服务器) ，在 试验中服务器装端口映射软件p o n m a p 。该软件可以将传输到服务器特定端口的数 据映射到局域网内特定口的客户端。远程服务器上的上位机软件，用于接收数据， 并且存储在服务器上供服务器所在局域网上的任意客户端调用或查询。 2 3g p r s 监测系统整体构成 g p r s 监测系统集先进的无线通信技术、嵌入式计算机控制技术、传感器技术、 数据采集技术、数据库技术于一体，搭建了一种基于g p r s 网络的远程数据采集及 无线监控系统平台。 2 3 1 监控中心 监控中心在本项目中设置为一个具有网络地址或者拥有专线端口的计算机作 为上位机服务器。用于接收数据，并且存储在服务器上供服务器所在局域网上的任 意客户端调用或查询。 2 3 2 现场监测设备 现场监测设备一般使用于针对某一特定的指标，并对其进行形式上的转换，使 之符合采集系统的需要。本系统的现场检测设备安置在桥梁的缆索或桥面上，其功 能就是将桥梁缆索及桥面的振动信号转换成电压信号，经过加速器将信号放大之后 通过串口传送至数据采集系统中。 9 2 33 数据采集传输设备 数据采集传输设备由嵌入式计算机和无线通信模块组成。在本课题中，主控芯 片选用a r m 体系的l p c 2 1 3 8 用于处理监测设备传来的数据，并且调度数据采集， 数据传输等任务，并依靠m 2 2 a 无线通信模块同互联厢建立无线链路，获得远程上 位机服务器发送的数据采集命令之后，按照命令的要求发送数据，从而完成数据采 集传输任务。 2 4 嵌入式g p r s 桥梁监测系统的总体设计 本课题利用中国移动的g p r s 无线传输网络，研制了一套基于g p r s 终端模块 的嵌入式缆索张力测定仪，该仪器能永远在线，不间断的向远程客户端传送桥梁缆 索状态测试数据，实现缆索张力的实时监测。桥梁缆索健康监测系统总体结构如图 22 所示。本系统由低频加速度传感器，以a r m 为主控制器的数据采集发送终端， 移动g p r s 网络，具有公网固定i p 的控制中心服务器、处理客户端组成。g p r s 组 网方式是中心采用a d s l 的i n t e r n e t 公网连接，采用公网固定i p ( 公网服务器) ， g p r s 直接向中一i i , 发起连接，将采集的数据发送到公网服务器。开通中国移动s i m 卡g p r s 服务的c m n e t 功能，即可实现g p r s 向公网中固定i p ( 服务器) 传输数 据的功能，服务器利用端口映射软件将数据映射到数据接收、处理客户端，实现缆 索张力的实时监测。 2 41 系统总体逻辑结构 图22 系统总体结构 本系统采用实时操作系统l ac o s i i 和a r m 体系嵌入式主控器芯片搭建数据采 集终端。其逻辑结构遵循从下至上的设计思想，在硬件的基础上建立操作系统，在 操作系统上开发功能性应用程序，并遵循相应传输协议和报文格式。整个采集系统 湖北工业大学硕士学位论文 的逻辑结构如图2 3 所示 2 4 2 嵌入式处理器的选择 图2 3 系统逻辑结构图 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器 品种总量已超过1 5 0 0 多种，流行的体系结构有5 0 多个系列。在应用中，嵌入式处 理器具有体积小、质量轻、成本低、可靠性高等优点。现在比较有影响的嵌入式处 理器产品主要有i n t e l 公司的3 8 6 e x 、i b m 公司的p o w e rp c 、m i p s 公司的m i p s 、 s u n 公司的s p a r c 和a r m 公司的a r m 系列【1 1 | 。 本系统从通用性、可靠性、集成度、开发时间、应用场合等方面综合考虑，最 终选择了a r m 系列的a r m 7 t d m i s 内核芯片。 a r m 处理器的3 大特点是 ( 1 ) 耗电少，成本低，功能强大。 ( 2 ) 1 6 3 2 位双指令集。 ( 3 ) 全球众多合作伙伴保证供应。 体系结构基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理。r i s c 指令集和相关的译码机 制比复杂指令集计算机( c i s c ) 的设计更简单。这种简单性得到了： ( 1 ) 高指令吞吐率。 ( 2 ) 出色的实时中断响应。 ( 3 ) 体积小、性价比高的处理器宏单元。 a r m 作为嵌入式系统中的处理器，以其低电压、低功耗和低集成度等特点及 其开放和可扩性，实际上已成为嵌入式系统首选的处理器体系结构。 2 4 3 嵌入式开发板介绍 本系统的硬件平台为m a g i ca r m 2 4 1 0 开发平台。m a g i c a r m 2 4 1 0 实验箱是由 广州致远电子有限公司开发的一款可使用p c o s i i 、l i n u x 和w i n d o w sc e 操作系 湖北工业大学硕士学位论文 统，支持q t 、m i n i g u i 图形界面的a r m 9 开发平台。该实验箱采用a r m 9 2 0 t 内 核的s 3 c 2 1 0 a 微处理器，扩展由充足的存储资源，具有1 0 1 0 0 m 以太网接口、u s b 接口等总线接口，带有8 英寸6 4 0 x 4 8 0 真彩t f t 液晶屏，可使用j t a g 仿真调试， 非常适合实验的要求。m a g i c a r m 2 4 1 0 具有以下四大特点 1 、众多接口提供便利； 2 、主频够快； 3 、存储够大； 4 、对众多操作系统的支持； m a g i c a r m 2 4 1 0 具有平台资源有： ( 1 ) 丰富的存储资源：2 m 字节n o rf l a s h 、6 4 m 字节s d r a m 、6 4 m 字节n a n d f l a s h 、2 5 6 字节e 2 p r o m 。 ( 2 ) 丰富的接口资源：具备1 0 1 0 0 m 自适应以太网接口、4 个u s bh o s t 、1 个 u s bd e v i c e 等。 ( 3 ) 多样的人机接口：8 英寸6 4 0 x 4 8 0 真彩t f t 液晶屏、4 个独立l e d 、8 个7 段数码管、1 6 键小键盘、1 个独立按键。 该开发板系统资源完全符合本项目要求。 2 4 3 嵌入式实时操作系统的选择 早期的许多嵌入式系统根本就没有操作系统，只不过有一个控制环而已。对很 简单的嵌入式系统来说，这可能已经足够。不过，随着嵌入式系统在复杂性上的增 长，一个操作系统显得重要起来。没有操作系统的支持，将使软件复杂度大幅增加 且变得极不合理。 随着硬件的发展，嵌入式系统的应用领域日益扩大，提供的应用功能也越来越 复杂，当初的控制程序被随之逐步加入了许多功能，而这些功能有很多是可以由操 作系统来提供的。这很自然地会让人联想到应该为嵌入式系统做一个嵌入式操作系 统。由于应用的需要和硬件条件的限制，嵌入式操作系统一般都注重占用空间小和 效率高等特点。 其实，嵌入式系统并不是一个新生的事物，从八十年代起，国际上就有一些i t 组织、公司，开始进行商用嵌入式系统和专用操作系统的研发。目前常见的嵌入式 实时操作系统有如下几种【l 3 j ( 1 ) 嵌入式l i n u x ( 1 ac l i n u x ) 1 1c l i n u x 是一个代码完全开放的操作系统，即“微控制领域中的l i n u x 系统”。 l ac l i n u x 保留了l i n u x 的大多数优点稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、对各 湖北工业大学硕士学位论文 种文件系统完备的支持，以及标准丰富的a p i 等。但其配置复杂，占用空间相对较 大，实时性能一般，针对不同处理器的移植相对复杂。 ( 2 ) v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实 时操作系统( r t o s ) ，以其良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开 发环境，在嵌入式实时操作系统领域占有一席之地。v x w o r k s 操作系统具有可靠性 高、实时性好、可裁减性等特点。然而，其源码不公开，使用费用过高，不适合做 一般的嵌入式开发。 ( 3 ) w i n d o w sc e m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先 权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制 器的用户电子设备进行定制。 ( 4 ) uc o s i i l ac o s i i 是一个公开源码的实时操作系统内核，它提供了实时系统所需的基 本功能。而且具有占用空间小，内核执行效率高，实时性能优良等特点。但是，u c o s i i 对于应用还是过于简单，需要根据具体应用对l ac o s i i 做功能上的扩展。 i xc o s i i 对本课题的适用性体现在以下几个方面：uc o s i i 具有源码公开、 强实时性、可移植性、可固化性、可裁剪性、多任务性等特点；l ac o s i i 提供信 号量、互斥信号量、时间标志、消息邮箱、消息队列等很多系统服务；l ac o s i i 的每个任务都有自己单独的栈，提供中断管理功能；自1 9 9 2 年以来，已经有数百 个商业应用，uc o s i i 基于i xc o s ，与pc o s 的内核是一样的，只是提供了更多 的功能，因此具有足够的稳定性和可靠性【l4 1 。 2 5 本章小结 本章主要介绍的理论知识，包括g p r s 网络体系结构，g p r s 数据传输过程， g p r s 传输协议模型。根据本课题的应用涉及到的g p r s 理论知识，重点阐述了针 对实时的无线数据传输设备和嵌入式系统开发的相关理论知识。本章首先介绍了桥 梁监测系统的构成，然后介绍了系统逻辑结构，嵌入式处理器的选择，丌发环境的 介绍，嵌入式操作系统的选择，并对本项目的大体设计思路做出了简述。 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计 3 1 系统硬件总体设计 本系统硬件的主要完成获取桥梁缆绳和桥面的振动信号，a d 转换后经主控器 c p u 处理传至g p r s 无线通信模块，再通过g p r s 网络发送到远程的服务器上。该 部分的合理设计和正确搭建是整个系统正常运行的基础。 3 1 1 系统硬件设计原则 嵌入式应用系统的硬件设计一般由系统扩展部分和外围组成，如果嵌入式处理 器内部的功能单元，如r o m 、r a m 、i o 、定时器计数器、中断系统等无法满足 应用系统的要求时，在片外进行的扩展电路。而外围电路即按照系统功能要求配置 的外围设备，如按键、显示电路j 电源电路等【1 5 】。在电路设计中尽量遵循以下的原 则【1 6 ： ( 1 ) 整个系统的设计和开发保证硬件模块化、标准化的设计方法； ( 2 ) 针对应用进行开发，充分利用嵌入式系统的可剪裁性，处理功能利用最 大化； ( 3 ) 硬件设计和软件设计并行开发，实时性要求由硬件控制以缩短响应时间， 优化c p u 利用率； ( 4 ) 充分考虑能耗和空间节约问题； ( 5 ) 充分考虑系统稳定性，加强完善抗干扰设计，包括芯片选型、模数隔离， 高低频滤波去涡滤波、印刷电路板布线、通道隔离等； ( 6 ) 合理利用主控芯片的驱动能力和负荷能力，在保证系统正常运行的情况 下尽量减少供电设备。 3 1 2 系统硬件设计结构图 本课题中，低频加速度传感器将绑定在斜拉桥的缆索上，传感器连接电荷放大 器，缆索向不同的方向振动，传感器将振动信号转化成电信号输出，该电信号经电 荷放大器放大，将输出正负不同，大小不同的电压信号，该输出电压值将作为采集 发送终端的模拟量输入。采集终端将模拟量转换成数字量，并存入主控制器的数据 缓冲区，当数据缓冲区满，主控制器将数据缓冲区数据写入m 2 3 g 模块，该g p r s 1 4 湖北工业大学硕士学位论文 模块将数据发送到具有公网固定口的服务器( 实验室服务器) ，在试验中服务器装 端口映射软件p o r t m a p 。该软件可以将传输到服务器特定端口的数据映射到局域网 内特定i p 的客户端。本作品的硬件设计与制作主要包括如下模块：基于a r m 的数 据采集部分设计，g p r s 无线终端模块的接口设计，主控制板的设计三部分共同组 成了数据采集发送终端。整体设计总体框架如图3 1 所示 缆 索 3 2 设备选型 3 2 1 主控芯片l p c 2 1 3 8 图3 1 系统硬件整体结构图 l p c 2 1 3 8 是n x p ( 前p h i l i p s ) 公司一款基于a r m 7 t d m i 的s o c 芯片【1 7 i 。 它一方面具有a r m 处理器的所有优点：低功耗、