隨著我國經濟的騰飛，公路、大跨度橋梁、大壩等大型巖土建筑數量越來越多。而地質因素、施工質量、建筑老化等問題使巖土建筑的健康狀況的監控變得日益迫切，當今主流的檢測應力方法多為人工定時持應力監測設備進行實地測量，這就難免導致數據監測的不及時,并產生人為誤差。

本系統主要利用了無線傳感器網絡便捷、成本低和功耗低等優點，結合GPRS（General Packet Radio Service）網絡的運用，實現了對巖土建筑應力數據的實時采集，并通過GPRS網絡對數據進行遠程傳輸。在成本方面，大大節約了以往采用人力監測的資源消耗；同時，GPRS網絡和無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Networks)技術的結合運用，使監測方式變得簡單易行，并更具可操作性[1]。

系統主要利用了無線收發芯片、低功耗單片機以及GPRS模塊，通過數據采集節點、數據發送節點將從巖土建筑采集得到的應力數據實時傳輸到遠端的監測人員手中，從而實現了遠程實時監測的目的。系統主要由數據采集節點、數據發送節點組成，通過寫入協議棧，設置協調器、路由器和數據終端，組建基于ZigBee協議的傳感器網絡，數據采集范圍可隨采集節點網絡的增加而擴大[2]。網絡先通過“多跳的方式”將多點數據進行匯總，然后通過GPRS網絡以短消息方式發送到遠端的接收端。另外，通過使用GPRS模塊的TCP/IP協議的網絡傳輸功能，應力數據可以同步傳輸到PC終端，從而實現在線監測。系統示意圖如圖1所示。

1 硬件平臺的設計

1.1 整體平臺

本文系統主要通過單片機分別控制無線發射模塊和GPRS模塊，通過從傳感器采集數據，再經2.4 GHz頻段信道傳送到終端發送節點，最后通過GPRS模塊將數據以短信模式發送出去。硬件結構示意圖如圖2所示。

1.1.1 網絡節點

微控制器MCU(Micro Control Unit)選用了MSP430F1611，它是具有超低功耗的16位單片機。在活動模式下，MSP430的功耗可以達到280 ?滋A。其次，12位帶采樣保持的A/D轉換模塊可以為傳感器數據采集提供模數轉換。兩路串行通信口USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)可以滿足通過SPI口對射頻模塊進行控制的同時，還可以對GPRS模塊實現操作[3]。

無線收發芯片選用了TI公司的CC2420，這款芯片兼容IEEE 802.15.4無線收發芯片，性能優良，功耗低，體積小，非常適用于無線傳感器網絡領域。CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要在外圍擴充天線及16 MHz晶振等少許元件，就可以在2.4 GHz頻段使用。該芯片配有SPI口，便于與微控制器連接使用。本方案選用MSP430F1611作為微控制器，對CC2420進行寄存器配置、讀取狀態位，以及控制收發數據等操作[4]。

GPRS模塊選用SIMCOM 300，它具有支持AT命令控制、RS232、TTL電平雙模式控制等優點，十分有利于系統的應用。

JTAG接口主要用于下載、調試程序，USB接口可實現與計算機直接通信。

1.1.2 數據采集模塊

傳感器：本系統選用了傳統貼式應變片，通過設計放大、保持電路，將形變量轉換成電信號。應力數據采集部分將應變片黏貼于橋梁模型上,輸出電壓為：

式中ε為應變片電橋激勵電壓, ε為應變片形變量，A為信號調理電路放大倍數。在本文所用橋梁模型中，輸出電壓信號范圍為1 V～2 V。

傳感器電路圖如圖3所示。

1.2 硬件連接

CC2420在通信中主要使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳說明通信狀態。SFD引腳表明是否在接收或發送數據幀；FIFO在接收中指示接收緩沖器中是否有數據；FIFOP用于指示接收數據的上限到達或者完整地接收幀；CCA用于查看信道是否為空。

CC2420與MSP430的連接非常方便。只需要使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳表示收發數據狀態；而處理器通過SPI接口與CC2420交換數據、發送命令。SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引腳組成。處理器通過SPI接口訪問CC2420內部寄存器和儲存器。在訪問過程中，接收來自處理器的時鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執行輸入/輸出操作。在本方案設計中，MSP430處于主模式，CC2420處于從模式。