一、項(xiàng)目概述
1.1 引言
隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高大建筑物日益增多，由于各種因素的影響，在這些工程建筑物及其設(shè)備的運(yùn)營過程中，都會產(chǎn)生變形。這種變形在一定限度內(nèi)，應(yīng)認(rèn)為是正常的現(xiàn)象，但如果超過了規(guī)定的限度，就會影響建筑物的正常使用，嚴(yán)重時還會危及建筑物的安全。因此，在建筑物的施工和運(yùn)營期間，必須對它們進(jìn)行變形觀測。為了監(jiān)視建筑物在施工的過程和使用中的安全，需在施工過程及使用過程中對其進(jìn)行變形觀測;另一方面，為了進(jìn)行科學(xué)研究以及為以后的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也需要對建筑物進(jìn)行變形觀測。建筑物的變形監(jiān)測內(nèi)容一般有沉降觀測、位移監(jiān)測和傾斜變形監(jiān)測等等，而建筑物的傾斜、裂縫等情況往往是由建筑物不均勻沉降引起的，這就要求對建筑物尤其是對高層建筑物進(jìn)行沉降觀測。通過變形監(jiān)測，對所得到的變形觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對建筑物的運(yùn)營狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不正常狀況時，需及時對其進(jìn)行分析，找出原因并采取措施，以保證建筑施工及使用的安全。
2009年8月7日溫家寶總理在無錫微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心視察并發(fā)表重要講話，“在傳感網(wǎng)發(fā)展中，要早一點(diǎn)謀劃未來，早一點(diǎn)攻破核心技術(shù)”;“在國家重大科技專項(xiàng)中，加快推進(jìn)傳感網(wǎng)發(fā)展”;“盡快建立中國的傳感信息中心，或者叫‘感知中國’中心”。 在這個全新學(xué)科中，我國的技術(shù)研發(fā)水平已處于世界前列。
目前，中國與德國、美國、英國等國家一起，成為國際標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)國之一。物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、老人護(hù)理、個人健康等多個領(lǐng)域。專家預(yù)計(jì)，這一領(lǐng)域?qū)l(fā)展成為一個上萬億元規(guī)模的高科技市場。因此結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)，極具創(chuàng)新性和實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值，能夠極大推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，同時也為我國建筑質(zhì)量的大幅提升提供了技術(shù)保障。
系統(tǒng)以模塊化平臺設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)，始終以低功耗為目標(biāo)，利用太陽能電池板供電，充分體現(xiàn)了環(huán)保意識，另外基于分布式的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的測量網(wǎng)絡(luò)也是本系統(tǒng)的一個創(chuàng)新之處，相信本系統(tǒng)開發(fā)完成之后，會具有非常好的實(shí)際應(yīng)用前景，并可以進(jìn)一步完善成熟，達(dá)到真正的實(shí)際應(yīng)用。
1.2 項(xiàng)目背景
本基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)，主要涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、樓宇變形沉降監(jiān)測方法和核心無線數(shù)傳芯片CC2530的應(yīng)用等背景知識，以下為詳細(xì)介紹。
1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景
物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋世界上萬事萬物的“Internet of Things”。在這個網(wǎng)絡(luò)中，物品(商品)能夠彼此進(jìn)行“交流”，而無需人的干預(yù)。其實(shí)質(zhì)是利用射頻自動識別等各種傳感技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品的自動識別和信息的互聯(lián)與共享。
目前業(yè)界對物聯(lián)網(wǎng)還沒有一個完全統(tǒng)一的概念，但普遍認(rèn)可的概念是通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)(GPS)、激光掃描器、環(huán)境傳感器、圖像感知器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。
物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是物聯(lián)網(wǎng)的皮膚和五官，識別物體、采集信息。感知層包括條碼掃描、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS、各種傳感器、終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)等，主要是識別物體，采集信息與控制。
網(wǎng)絡(luò)層是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)中樞，就像大腦的信息傳遞和處理。網(wǎng)絡(luò)層包括通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心、信息中心和智能處理中心等。網(wǎng)絡(luò)層將感知層獲取的信息進(jìn)行傳遞和處理，類似于人體結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)中樞和大腦。
應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的“社會分工”，與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廣泛智能化。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)的深度融合，與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)行業(yè)智能化。
中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應(yīng)該堅(jiān)持“典型應(yīng)用是導(dǎo)向、智慧處理是重點(diǎn)”的方針，物聯(lián)網(wǎng)本身當(dāng)前不可能呈現(xiàn)為一個整體形式而是以局部和行業(yè)的應(yīng)用為當(dāng)前的主要發(fā)展特征，物聯(lián)網(wǎng)的未來是對獲取的海量并冗余信息的智能處理，智慧應(yīng)用是關(guān)鍵。抓住以上兩個要點(diǎn)，才能從當(dāng)前階段和未來階段把握中國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展機(jī)會。
1.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息的實(shí)時監(jiān)測、感知和采集，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會這三元世界的連通。
2000年12月，電氣和電子工程師協(xié)會(institute of electrical and electronIcs engineers，IEEE)成立了IEEE 802.15.4工作組。這個工作組致力于定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。ZigBee正是這種技術(shù)的商業(yè)化命名，這個名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過ZigBee形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE 802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層和 MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)。高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。ZigBee聯(lián)盟成立于2002 年8月，由英國Inversys 公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入。ZigBee聯(lián)盟官方網(wǎng)址為www.ZigBee.org，目前聯(lián)盟正式推出了ZigBee 1.2版的最新規(guī)格(ZigBee 2007/Pro)。
基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在ZigBee聯(lián)盟和IEEE 802.15.4 組織的推動下，結(jié)合其他無線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)。它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值，而且在未來其應(yīng)用更將擴(kuò)展到涉及人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小、成本低，具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感單元、處理單元、收發(fā)單元、電源單元等功能模塊組成。除此之外，根據(jù)具體應(yīng)用的需要，可能還會有定位系統(tǒng)、電源再生單元和移動單元等。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量傳感器節(jié)點(diǎn)被布置在整個觀測區(qū)域中，各個傳感器節(jié)點(diǎn)將所探測到的有用信息通過初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合后傳送給用戶，數(shù)據(jù)傳送的過程是通過相鄰節(jié)點(diǎn)接力傳送的方式傳送回基站，然后再通過基站以衛(wèi)星通信或者有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送給最終用戶。因此，與其他傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有如下特性：
1.低功耗Zigbee傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量少，信號的收發(fā)時間短。在非工作狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)處于睡眠模式。而由睡眠模式啟動至工作模式，設(shè)備搜索時間僅需45ms。通過上述機(jī)制，普通電池就可支持Zigbee節(jié)點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)長達(dá)6個月到2年左右。
2.自組織網(wǎng)絡(luò) 在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在沒有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方。傳感器的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，節(jié)點(diǎn)間的相互鄰居關(guān)系預(yù)先也不知道。例如，通過飛機(jī)播撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)到面積廣闊的原始森林中，或隨意放置到人不可到達(dá)或者危險(xiǎn)的區(qū)域。因此就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織能力，能夠自動進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 在傳感器使用過程中，部分傳感器節(jié)點(diǎn)由于能量耗盡或者環(huán)境因素造成失效，也有一些節(jié)點(diǎn)為了彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)、增加監(jiān)控精度而補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)中，所以在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個數(shù)就會動態(tài)地增加或者減少，從而使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之動態(tài)地變化。傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性要能夠適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。
3.高可擴(kuò)充性 在沒有協(xié)調(diào)器的情況下，一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最多可容納255個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。若是有協(xié)調(diào)器的加入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最多可擴(kuò)充到65535個Zigbee節(jié)點(diǎn)，再加上各個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相互連接，則可使整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目變得十分可觀。此外，Zigbee協(xié)議提供了數(shù)據(jù)完整性錯誤檢查，并采用了通用的AES-128加密算法，從而又具備了高保密性。
1.2.3 樓宇變形沉降監(jiān)測方法概述
建筑物垂直位移觀測是測定地基和建筑物本身在垂直方向上的位移。它應(yīng)該在基坑開挖之前開始進(jìn)行，而貫穿于整個施工過程中，并繼續(xù)到建成后若干年，直至沉陷現(xiàn)象基本停止。垂直位移的觀測方法主要是采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量。
水平位移觀測的任務(wù)是測定建筑物在平面位置上隨時間變化的移動量。當(dāng)要測定某大型建筑物的水平位移時，可以根據(jù)建筑物的形狀和大小，布設(shè)各種形式的控制網(wǎng)進(jìn)行水平位移觀測，當(dāng)要測定建筑物在某一特定方向上的位移量時，這時可以在垂直于待測定的方向上建立一條基準(zhǔn)線，定期地測量觀測標(biāo)志偏離基線的距離，就可以了解建筑物的水平位移情況。水平位移觀測一般有以下幾種方法：基準(zhǔn)線法、角度前方交會法、角度后方交會法。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，監(jiān)測儀器、監(jiān)測方法和監(jiān)測技術(shù)日新月異，給樓宇沉降變形監(jiān)測帶來了嶄新的研究課題。就目前的監(jiān)測方法，可分為下列幾類：
1.傳統(tǒng)測量方法
在地面沉降變形監(jiān)測中，使用最為普及的是傳統(tǒng)測量方法。該方法是在需要進(jìn)行監(jiān)測的區(qū)域，按照一定的原則，布設(shè)一定數(shù)量的監(jiān)測點(diǎn)，定期或不定期地進(jìn)行點(diǎn)位三維坐標(biāo)測量。其中，地面點(diǎn)的平面位置觀測，采用測角、量距的方法進(jìn)行;高程觀測，采用水準(zhǔn)測量的方法進(jìn)行。這種觀測，一般操作簡單，精度高，但成本高，費(fèi)時費(fèi)力。
2.全站儀測量
地面沉降變形監(jiān)測，主要測量監(jiān)測點(diǎn)的點(diǎn)位變化情況，而全站儀是集水平角、垂直角、距離、高差測量功能于一體的測繪儀器系統(tǒng)，具有簡單的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通訊等功能，因此，地面沉降觀測多采用全站儀進(jìn)行。但這種觀測方法，由于多種因素的綜合影響，其監(jiān)測精度需要分析研究。
3.GPS測量
采用GPS和GIS技術(shù)進(jìn)行地面沉降變形監(jiān)測，不僅可以監(jiān)測地面沉降的現(xiàn)狀，還可以在圖上實(shí)現(xiàn)成果可視化，是沉降監(jiān)測的重要發(fā)展方向之一。GPS測量主要以相對定位為主，它可以提供高精度的三維點(diǎn)位坐標(biāo)，使測量精度控制在較高的范圍內(nèi)，是沉降變形監(jiān)測的理想方法。其缺點(diǎn)在于監(jiān)測成本較高。
4.數(shù)字?jǐn)z影測量
數(shù)字?jǐn)z影測量的發(fā)展起源于攝影測量自動化的實(shí)踐，即利用攝像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真正的自動化測圖。與模擬、解析攝影測量的最大區(qū)別在于，數(shù)字?jǐn)z影測量處理的原始信息，不僅可以是像片，更主要的是數(shù)字影像或數(shù)字化影像，它最終是以計(jì)算機(jī)視覺代替人眼的立體觀測。其實(shí)質(zhì)是通過獲取的數(shù)字影像，利用計(jì)算機(jī)軟件，生成數(shù)字地面模型(DTM)與正射影像圖。它可與其他測量方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)地面沉降變形的監(jiān)測。
5.星載合成孔徑雷達(dá)干涉監(jiān)測技術(shù)
空間對地觀測技術(shù)的發(fā)展為地面沉降變形監(jiān)測提供了全新的方法。利用空間遙感技術(shù)測繪地面沉降，是當(dāng)前監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的新方向。這種技術(shù)具有連續(xù)空間覆蓋、高度自動化和高精度監(jiān)測地面沉降變形的能力。它是利用不同時間測得的衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)地面圖像相重疊而形成的微分干涉圖像，圖像中一個相干顏色條紋循環(huán)代表一定數(shù)量的地面變形變量，并通過對比地面變形實(shí)測值來確認(rèn)，再利用計(jì)算機(jī)處理形成地面變形等值線圖。與其它監(jiān)測方法不同的是，它不再是對有限數(shù)目的離散點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。在理論條件下，其監(jiān)測的地面變形精度為5～1Omm。
與其他幾種方法相比較，GPS定位技術(shù)具有觀測不受氣候條件限制、測站間無需保持通視、可同時測定點(diǎn)的三維位移及自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)外，利用GPS和計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)及數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)進(jìn)行集成，可實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理到變形分析及預(yù)報(bào)的自動化，達(dá)到遠(yuǎn)程在線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時監(jiān)控的目的。因而它為小范圍、短距離、高精度的工程建筑物的變形監(jiān)測提供了一種新的有效手段，目前正在被廣泛推廣應(yīng)用。
1.2.4 CC2530無線芯片概述
CC2530是一個兼容IEEE 802.15.4的真正的片上系統(tǒng)，支持專有的802.15.4市場以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE標(biāo)準(zhǔn)。CC2530提供了101dB的鏈路質(zhì)量，優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性，四種供電模式，多種閃存尺寸，以及一套廣泛的外設(shè)集——包括2個USART、12位ADC和21個通用GPIO，以及更多可擴(kuò)展功能口。除了通過優(yōu)秀的RF性能、選擇性和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)8051MCU內(nèi)核，支持一般的低功耗無線通信，CC2530還可以配備TI的一個標(biāo)準(zhǔn)兼容或?qū)Ｓ械木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧(RemoTI, Z-Stack, 或SimpliciTI)來簡化開發(fā)，使你更快的獲得市場。CC2530可以用于的應(yīng)用包括遠(yuǎn)程控制、消費(fèi)型電子、家庭控制、計(jì)量和智能能源、樓宇自動化、醫(yī)療以及更多領(lǐng)域。根據(jù)芯片內(nèi)置內(nèi)存的不同容量，CC2530擁有三種不同的版本：CC2530-F32/F64/F128/F256，編號后綴分別代表了芯片具32KB,64KB,128KB或256KB的閃存。
比起第一代CC2430，CC2530提供了改進(jìn)的RF性能，多達(dá)256KB的閃存以支持更大的應(yīng)用，強(qiáng)大的地址識別和數(shù)據(jù)包處理引擎，能夠很好的匹配RF前端，封裝更小，IR一代電路，以及支持ZigBee PRO和ZigBee RF4CE。CC2530 芯片具有如下主要性能：
★高性能和低功耗的8051微控制器核;
★32-、64-或128-KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存;
★8-KB RAM，具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力;
★集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī);
★極高的接收靈敏度和抗干擾性能;
★可編程的輸出功率高達(dá)4.5dBm;
★只需一個晶振，即可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需要;
★在供電模式1時僅24mA的流耗4μs就能喚醒系統(tǒng);在睡眠定時器運(yùn)行時僅1μA的流耗;在供電模式3時僅0.4μA的流耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng);
★硬件支持CSMA/CA功能;
★較寬的電壓范圍(2.0～3.6V);
★支持精確的數(shù)字化RSSI/LQI和強(qiáng)大的5通道DMA;
★具有捕獲功能的32KHz睡眠定時器;
★具有電視監(jiān)視器和溫度傳感器;
★具有8路可配置分辨率的12位ADC;
★集成了AES安全協(xié)處理器;
★帶有2個支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART，以及1個符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC
★定時器，1個16位定時器和1個8位定時器;
★強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。
另外，CC2530集成了增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核MCU核心。該核心使用標(biāo)準(zhǔn)8051指令集。每個指令周期中的一個時鐘周期與標(biāo)準(zhǔn)8051每個指令周期中的12個時鐘周期相對應(yīng)，并且取消了無用的總線狀態(tài)，因此其指令執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)8051快。由于指令周期在可能的情況下包含了取指令操作所需的時間，故絕大多數(shù)單字節(jié)指令在一個時鐘周期內(nèi)完成。除了速度改進(jìn)之外，增強(qiáng)的8051內(nèi)核也包含了下列增強(qiáng)的架構(gòu)：第二數(shù)據(jù)指針和擴(kuò)展了18個中斷源。
該8051內(nèi)核的目標(biāo)代碼與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051微控制器目標(biāo)代碼兼容。但是，由于與標(biāo)準(zhǔn)8051 使用不同的指令定時，現(xiàn)有的帶有定時循環(huán)的代碼可能需要修改。此外，由于外接設(shè)備單元比如定時器的串行端口不同于它們在其他的8051內(nèi)核，包含有使用外接設(shè)備單元特殊功能寄存器SFR的指令代碼將不能正常運(yùn)行。
Flash預(yù)取默認(rèn)是不使能的，提高了CPU高達(dá)33%的性能。這是以功耗稍有增加為代價(jià)的，但是因?yàn)樗欤栽诖蠖鄶?shù)情況下提高了能源消耗。可以在FCTL寄存器中使能Flash預(yù)取。
二、需求分析
2.1 功能要求
本系統(tǒng)主要包括信息采集節(jié)點(diǎn)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)控制程序等三大部分組成。
信息采集節(jié)點(diǎn)包括位移傳感器或光柵尺、加速度傳感器、超聲波測距傳感器或者激光測距儀等傳感器件來采集樓宇的變形沉降信息，通過CC2530無線傳輸模塊將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)到嵌入式網(wǎng)關(guān)，視功能需要也可以添加GPS模塊，結(jié)合各種傳感器實(shí)現(xiàn)樓宇變形沉降的精準(zhǔn)監(jiān)測。每個樓宇可設(shè)置多個基準(zhǔn)點(diǎn)，每個基準(zhǔn)點(diǎn)配置一個信息采集模塊，多方位采集樓宇群各處的變形沉降信息。信息采集節(jié)點(diǎn)可以采用電池供電，系統(tǒng)的低功耗特性滿足工作時間也可以長達(dá)半年，視后期完善程度可以采用太陽能電池板供電，可以充分體現(xiàn)環(huán)保意識，當(dāng)然前期調(diào)試為了方便采用220V電源降壓供電模式。
嵌入式網(wǎng)關(guān)主控制板采用Cypress公司提供的PSoC 3可編程混合信號微控制器開發(fā)板CY8CKIT030(是否應(yīng)為CY8CKIT003)，嵌入式網(wǎng)關(guān)匯總各信息采集節(jié)點(diǎn)上報(bào)的數(shù)據(jù)信息，然后經(jīng)過串口通信上報(bào)到上位機(jī)，視功能需要也可以添加GPRS遠(yuǎn)程無線傳輸模塊。嵌入式網(wǎng)關(guān)主控制板具備各種外設(shè)接口，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時顯示和用戶手動控制，并可擴(kuò)展外接各種需要的功能模塊。嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊可采用電池供電，或者太陽能電池板供電，或者220V常用電源降壓供電。
上位機(jī)控制程序配備后臺數(shù)據(jù)庫，存儲一定時間內(nèi)的各樓宇的變形沉降信息，經(jīng)程序分析處理后繪制成人性化的曲線展現(xiàn)給用戶，當(dāng)然用戶也可發(fā)送命令隨時查看樓宇某時間的變形沉降情況。上位機(jī)控制程序可通過計(jì)算機(jī)的串口對直連的嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行控制。
除以上主要功能外，信息采集節(jié)點(diǎn)和嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊，均采用優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)和先進(jìn)的控制策略設(shè)計(jì)，均配置有電源穩(wěn)壓電路、電流電壓保護(hù)電路、光耦隔離、信號放大等模塊，以保證系統(tǒng)的整體可靠性和穩(wěn)定性。考慮到環(huán)保低功耗，各模塊初始配置為每隔間斷時間上報(bào)各自的數(shù)據(jù)信息，其他時間工作在睡眠模式以降低系統(tǒng)功耗，需要傳輸數(shù)據(jù)時喚醒各自的CPU進(jìn)入工作模式。各功能模塊可方便組合實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自適應(yīng)、可擴(kuò)展的整個基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖
圖2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
2.2 性能要求
系統(tǒng)整體性能要求實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自適應(yīng)、可擴(kuò)展等基本要求，方便以后進(jìn)一步完善開發(fā)，并憑借各種優(yōu)越特性以利于實(shí)際的市場推廣應(yīng)用。
三、方案設(shè)計(jì)
3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理
嵌入式網(wǎng)關(guān)控制模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3，信息采集節(jié)點(diǎn)模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)控制節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖
圖4 信息采集節(jié)點(diǎn)模塊硬件結(jié)構(gòu)圖
3.2 硬件平臺資源
硬件平臺選用組委會提供的PSoC3開發(fā)工具CY8CKIT030，CY8CKIT030開發(fā)板是一個基于PSoC3 CY8C38系列可編程混合信號微控制器的評估套件和開發(fā)系統(tǒng)。PSoC3是Cypress在第一代可配置片上系統(tǒng)PSoC1基礎(chǔ)之上推出的新一代可配置芯片族，現(xiàn)包含CY8C32，CY8C34，CY8C36和CY8C38四個系列產(chǎn)品。與PSoC1相比，PSoC3處理核心基于增強(qiáng)型8051，指令集與標(biāo)準(zhǔn)8051完全兼容，支持乘法和除法指令，最高可運(yùn)行在67MHz時鐘;PSoC3 內(nèi)部Flash容量最高可達(dá)64KB，并且具有多個層次的保護(hù)權(quán)限設(shè)置，能夠充分保護(hù)Flash內(nèi)的程序內(nèi)容不被外部程序或設(shè)備讀取;PSoC3包含最多8KB的SRAM，以及最多2KB的EEPROM。此外，PSoc3還提供了具有24個通道，可傳輸32位數(shù)據(jù)高性能的DMA模塊，可以由CPU動態(tài)使能工作或是通過內(nèi)部連線由模塊產(chǎn)生的中斷觸發(fā)。
除了處理核心之外，PSoC3還包含三個重要組成部分：數(shù)字系統(tǒng)(Digital System)，模擬系統(tǒng)(Analog System )以及系統(tǒng)資源(System Wide Resources)，這三個部分通過系統(tǒng)總線(System Bus)與處理核心通信，通過數(shù)字內(nèi)部互聯(lián)(Digital Interconnect)和模擬內(nèi)部互聯(lián)(Analog Interconnect)與芯片管腳連接。
數(shù)字系統(tǒng)主要包含兩個部分：一些專用的功能模塊和一組通用數(shù)字模塊(Universal Digital Block，簡稱UDB)。一些常用功能，如8位，16位或是32位的定時器(Timer)，計(jì)數(shù)器(Counter)和脈寬調(diào)制(PWM)，SPI，I2C 和UART接口，以及CAN總線和Full-Speed USB接口等都可以由專用模塊或是UDB實(shí)現(xiàn)。有時設(shè)計(jì)者希望實(shí)現(xiàn)一些與應(yīng)用相關(guān)的數(shù)字功能，例如馬達(dá)控制，數(shù)字多路器或是與非門邏輯等，此時可以使用UDB實(shí)現(xiàn)所需功能。
UDB基于可編程邏輯器件(PLD)技術(shù)，每一個UDB都包含：一個8位的數(shù)據(jù)通路(Datapath);兩個PLD 邏輯器件(PLD 12C4)，12位輸入，其中8位作為與操作的乘積項(xiàng);一個狀態(tài)與控制模塊(Status and Control);一個時鐘與復(fù)位模塊(Clock and Reset)。
數(shù)據(jù)通路包含一個8位的算術(shù)邏輯單元(ALU)，兩個累加器，兩個數(shù)據(jù)寄存器，兩個含有4個單元的FIFO以及一個移位器(Shift)。其中，ALU可以配置成加法器，減法器，自增1，自減1，邏輯與，邏輯或，邏輯異或和無操作共八種功能;而移位器可以實(shí)現(xiàn)左移，右移，高四位與第四位景象調(diào)換和無操作四種功能。某種程度上，一個數(shù)據(jù)通路就像一個“迷你型”處理器，可以處理8位基本運(yùn)算邏輯功能，如果把多個數(shù)據(jù)通路以菊花鏈的拓?fù)溥B接起來就能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能。
PSoC3也具備高性能的模擬系統(tǒng)，以資源較少的CY8C32系列為例，其模擬功能模塊包括：一個1.024伏內(nèi)部電壓參考，14ppm/℃，誤差0.9%上下;一個可配置的12位Delta-Sigma ADC，采樣率最高可達(dá)192 ksps，70 dB信噪比，1位INL/DNL;一個8位8Msps的IDAC或是1Msps的VDAC; 兩個75ns 響應(yīng)時間的比較器;一個觸摸按鍵掃描模塊。
對于資源最多的CY8C38系列，其模擬功能模塊更多，甚至包括一個67MHz，24位定點(diǎn)數(shù)字濾波器模塊以實(shí)現(xiàn)IIR、FIR 濾波功能。PSoC3的系統(tǒng)資源提供了多種可選頻率的時鐘系統(tǒng)以供數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)使用，除此之外，還包含了內(nèi)部晶振，內(nèi)部復(fù)位電路，WatchDog模塊，低電壓檢測模塊，休眠模塊等必要系統(tǒng)功能。
3.3 軟件開發(fā)環(huán)境及系統(tǒng)架構(gòu)
針對PSoC3包含的眾多數(shù)字模塊和模擬模塊，Cypress提供了集成開發(fā)環(huán)境PSoC Creator。PSoC Creator將硬件資源抽象成了眾多的功能模塊(Component)，每個模塊實(shí)現(xiàn)一種基本功能，例如PWM模塊，I2C模塊，基本與門，中斷響應(yīng)模塊，輸入輸出管腳等等。設(shè)計(jì)者像繪制原理圖一樣，選擇適當(dāng)模塊，將其輸入輸出與其他模塊連接，然后通過每個模塊提供的圖形化配置向?qū)гO(shè)置模塊參數(shù)，之后編寫適當(dāng)?shù)能浖a，即可實(shí)現(xiàn)所需功能。這種模塊化的設(shè)計(jì)方法令設(shè)計(jì)者能夠?qū)⒏嗑性趯?shí)現(xiàn)應(yīng)用的功能上，而無需關(guān)注許多底層硬件配置細(xì)節(jié)，這是其他國際大公司同類開發(fā)軟件所無法比擬的優(yōu)勢之處。
系統(tǒng)上位機(jī)軟件擬基于VC++6.0開發(fā)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫可選簡單的ACCESS數(shù)據(jù)庫或成熟的SQL SERVER數(shù)據(jù)庫開發(fā)設(shè)計(jì)。上位機(jī)控制程序配備后臺數(shù)據(jù)庫，可存儲一定時間內(nèi)的各樓宇的歷史變形沉降信息，經(jīng)程序分析處理后繪制成人性化的曲線展現(xiàn)給用戶，當(dāng)然用戶也可發(fā)送命令隨時查看樓宇某時間的變形沉降情況。上位機(jī)控制程序通過計(jì)算機(jī)的串口對直連的嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行控制。
3.4軟件程序流程圖
上位機(jī)控制程序軟件流程圖如圖5所示，嵌入式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖6所示，信息采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖7所示。
圖5上位機(jī)控制程序軟件流程圖
圖6嵌入式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序流程圖
圖7信息采集節(jié)點(diǎn)程序流程圖
3.5 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果
目前實(shí)際應(yīng)用的樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)絕大部分都是基于GPS的簡單系統(tǒng)，功能不夠完善，具有很多缺點(diǎn)，所以利用Cypress公司的PSoC3 CY8C38系列可編程混合信號微控制器超強(qiáng)的處理性能和低功耗能力，以及豐富的外設(shè)端口，開發(fā)基于CY8C38系列微處理器控制的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)極具有獨(dú)創(chuàng)性，具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和市場推廣價(jià)值。
本系統(tǒng)可適用于各種樓宇變形沉降監(jiān)測場合，初步實(shí)現(xiàn)以上功能后可方便的進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)適用于各種地面或巖層的變形沉降監(jiān)測場合，如開發(fā)成功正式投產(chǎn)以后，可極大促進(jìn)建筑物變形沉降監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展和Cypress公司的PSoC3 CY8C38系列可編程混合信號微控制器產(chǎn)業(yè)的壯大成熟。
