一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

隨著我國(guó)社會(huì)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(yíng)過(guò)程中，都會(huì)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(guò)了規(guī)定的限度，就會(huì)影響建筑物的正常使用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)危及建筑物的安全。因此，在建筑物的施工和運(yùn)營(yíng)期間，必須對(duì)它們進(jìn)行變形觀測(cè)。為了監(jiān)視建筑物在施工的過(guò)程和使用中的安全，需在施工過(guò)程及使用過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行變形觀測(cè)；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(duì)建筑物進(jìn)行變形觀測(cè)。建筑物的變形監(jiān)測(cè)內(nèi)容一般有沉降觀測(cè)、位移監(jiān)測(cè)和傾斜變形監(jiān)測(cè)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(duì)建筑物尤其是對(duì)高層建筑物進(jìn)行沉降觀測(cè)。通過(guò)變形監(jiān)測(cè)，對(duì)所得到的變形觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而對(duì)建筑物的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不正常狀況時(shí)，需及時(shí)對(duì)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(wú)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(lái)，早一點(diǎn)攻破核心技術(shù)”；“在國(guó)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(guó)的傳感信息中心，或者叫‘感知中國(guó)’中心”。 在這個(gè)全新學(xué)科中，我國(guó)的技術(shù)研發(fā)水平已處于世界前列。

目前，中國(guó)與德國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家一起，成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)國(guó)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(cè)、老人護(hù)理、個(gè)人健康等多個(gè)領(lǐng)域。專家預(yù)計(jì)，這一領(lǐng)域?qū)?huì)發(fā)展成為一個(gè)上萬(wàn)億元規(guī)模的高科技市場(chǎng)。因此結(jié)合無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監(jiān)測(cè)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(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也為我國(guó)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(tái)設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)，始終以低功耗為目標(biāo)，利用太陽(yáng)能電池板供電，充分體現(xiàn)了環(huán)保意識(shí)，另外基于分布式的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)也是本系統(tǒng)的一個(gè)創(chuàng)新之處，相信本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成之后，會(huì)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(cè)系統(tǒng)，主要涉及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、樓宇變形沉降監(jiān)測(cè)方法和核心無(wú)線數(shù)傳芯片CC2530的應(yīng)用等背景知識(shí)，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(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)覆蓋世界上萬(wàn)事萬(wàn)物的“Internet of Things”。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，物品(商品)能夠彼此進(jìn)行“交流”，而無(wú)需人的干預(yù)。其實(shí)質(zhì)是利用射頻自動(dòng)識(shí)別等各種傳感技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)識(shí)別和信息的互聯(lián)與共享。

目前業(yè)界對(duì)物聯(lián)網(wǎng)還沒(méi)有一個(gè)完全統(tǒng)一的概念，但普遍認(rèn)可的概念是通過(guò)射頻識(shí)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(lái)，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)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(shí)別物體、采集信息。感知層包括條碼掃描、RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器、攝像頭、GPS、各種傳感器、終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)等，主要是識(shí)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(huì)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(guó)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(gè)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(lái)是對(duì)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(gè)要點(diǎn)，才能從當(dāng)前階段和未來(lái)階段把握中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展機(jī)會(huì)。

1.2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)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(wú)線通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對(duì)各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集，這些信息通過(guò)無(wú)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(huì)這三元世界的連通。

2000年12月，電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(institute of electrical and electronics engineers，IEEE)成立了IEEE 802.15.4工作組。這個(gè)工作組致力于定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線連接技術(shù)。ZigBee正是這種技術(shù)的商業(yè)化命名，這個(gè)名字來(lái)源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過(guò)ZigBee形狀的舞蹈來(lái)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(cè)試和市場(chǎng)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(guó)Inversys 公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)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(wú)線設(shè)備公司和開(kāi)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(wú)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(dòng)下，結(jié)合其他無(wú)線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)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(lái)其應(yīng)用更將擴(kuò)展到涉及人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小、成本低，具有無(wú)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(huì)有定位系統(tǒng)、電源再生單元和移動(dòng)單元等。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量傳感器節(jié)點(diǎn)被布置在整個(gè)觀測(cè)區(qū)域中，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將所探測(cè)到的有用信息通過(guò)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(guò)程是通過(guò)相鄰節(jié)點(diǎn)接力傳送的方式傳送回基站，然后再通過(guò)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(wú)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(hào)的收發(fā)時(shí)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(dòng)至工作模式，設(shè)備搜索時(shí)間僅需45ms。通過(guò)上述機(jī)制，普通電池就可支持Zigbee節(jié)點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)長(zhǎng)達(dá)6個(gè)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(méi)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(guò)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(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 在傳感器使用過(guò)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(gè)數(shù)就會(huì)動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)變化。

3.高可擴(kuò)充性 在沒(méi)有協(xié)調(diào)器的情況下，一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最多可容納255個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。若是有協(xié)調(diào)器的加入，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最多可擴(kuò)充到65535個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)，再加上各個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相互連接，則可使整個(gè)無(wú)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(cuò)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(cè)方法概述

建筑物垂直位移觀測(cè)是測(cè)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(kāi)挖之前開(kāi)始進(jìn)行，而貫穿于整個(gè)施工過(guò)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(cè)方法主要是采用精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量。

水平位移觀測(cè)的任務(wù)是測(cè)定建筑物在平面位置上隨時(shí)間變化的移動(dòng)量。當(dāng)要測(cè)定某大型建筑物的水平位移時(shí)，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(cè)，當(dāng)要測(cè)定建筑物在某一特定方向上的位移量時(shí)，這時(shí)可以在垂直于待測(cè)定的方向上建立一條基準(zhǔn)線，定期地測(cè)量觀測(cè)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(cè)一般有以下幾種方法：基準(zhǔn)線法、角度前方交會(huì)法、角度后方交會(huì)法。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，監(jiān)測(cè)儀器、監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)技術(shù)日新月異，給樓宇沉降變形監(jiān)測(cè)帶來(lái)了嶄新的研究課題。就目前的監(jiān)測(cè)方法，可分為下列幾類：

1.傳統(tǒng)測(cè)量方法

在地面沉降變形監(jiān)測(cè)中，使用最為普及的是傳統(tǒng)測(cè)量方法。該方法是在需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的區(qū)域，按照一定的原則，布設(shè)一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，定期或不定期地進(jìn)行點(diǎn)位三維坐標(biāo)測(cè)量。其中，地面點(diǎn)的平面位置觀測(cè)，采用測(cè)角、量距的方法進(jìn)行;高程觀測(cè)，采用水準(zhǔn)測(cè)量的方法進(jìn)行。這種觀測(cè)，一般操作簡(jiǎn)單，精度高，但成本高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

2.全站儀測(cè)量

地面沉降變形監(jiān)測(cè)，主要測(cè)量監(jiān)測(cè)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(cè)量功能于一體的測(cè)繪儀器系統(tǒng)，具有簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通訊等功能，因此，地面沉降觀測(cè)多采用全站儀進(jìn)行。但這種觀測(cè)方法，由于多種因素的綜合影響，其監(jiān)測(cè)精度需要分析研究。

3.GPS測(cè)量

采用GPS和GIS技術(shù)進(jìn)行地面沉降變形監(jiān)測(cè)，不僅可以監(jiān)測(cè)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(cè)的重要發(fā)展方向之一。GPS測(cè)量主要以相對(duì)定位為主，它可以提供高精度的三維點(diǎn)位坐標(biāo)，使測(cè)量精度控制在較高的范圍內(nèi)，是沉降變形監(jiān)測(cè)的理想方法。其缺點(diǎn)在于監(jiān)測(cè)成本較高。

4.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的發(fā)展起源于攝影測(cè)量自動(dòng)化的實(shí)踐，即利用攝像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化測(cè)圖。與模擬、解析攝影測(cè)量的最大區(qū)別在于，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)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(jué)代替人眼的立體觀測(cè)。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)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(cè)量方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)地面沉降變形的監(jiān)測(cè)。

5.星載合成孔徑雷達(dá)干涉監(jiān)測(cè)技術(shù)

空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展為地面沉降變形監(jiān)測(cè)提供了全新的方法。利用空間遙感技術(shù)測(cè)繪地面沉降，是當(dāng)前監(jiān)測(cè)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(dòng)化和高精度監(jiān)測(cè)地面沉降變形的能力。它是利用不同時(shí)間測(cè)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(gè)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(guò)對(duì)比地面變形實(shí)測(cè)值來(lái)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(cè)方法不同的是，它不再是對(duì)有限數(shù)目的離散點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在理論條件下，其監(jiān)測(cè)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(cè)不受氣候條件限制、測(cè)站間無(wú)需保持通視、可同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維位移及自動(dòng)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(dòng)化，達(dá)到遠(yuǎn)程在線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)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(cè)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(wú)線芯片概述

CC2530是一個(gè)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(chǎng)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(gè)USART、12位ADC和21個(gè)通用GPIO，以及更多可擴(kuò)展功能口。除了通過(guò)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(wú)線通信，CC2530還可以配備TI的一個(gè)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(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，使你更快的獲得市場(chǎng)。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(dòng)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(hào)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(shí)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(wú)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(gè)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(shí)僅24mA的流耗4μs就能喚醒系統(tǒng)；在睡眠定時(shí)器運(yùn)行時(shí)僅1μA的流耗；在供電模式3時(shí)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(shí)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(gè)支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART，以及1個(gè)符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC

★定時(shí)器，1個(gè)16位定時(shí)器和1個(gè)8位定時(shí)器；

★強(qiáng)大和靈活的開(kāi)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(gè)指令周期中的一個(gè)時(shí)鐘周期與標(biāo)準(zhǔn)8051每個(gè)指令周期中的12個(gè)時(shí)鐘周期相對(duì)應(yīng)，并且取消了無(wú)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(shí)間，故絕大多數(shù)單字節(jié)指令在一個(gè)時(shí)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(gè)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(shí)，現(xiàn)有的帶有定時(shí)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(shí)器的串行端口不同于它們?cè)谄渌?051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?？梢栽贔CTL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(cè)距傳感器或者激光測(cè)距儀等傳感器件來(lái)采集樓宇的變形沉降信息，通過(guò)CC2530無(wú)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(cè)。每個(gè)樓宇可設(shè)置多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，每個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)配置一個(gè)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(shí)間也可以長(zhǎng)達(dá)半年，視后期完善程度可以采用太陽(yáng)能電池板供電，可以充分體現(xiàn)環(huán)保意識(shí)，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(hào)微控制器開(kāi)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(guò)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(wú)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(shí)顯示和用戶手動(dòng)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(yáng)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(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)一定時(shí)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(shí)查看樓宇某時(shí)間的變形沉降情況。上位機(jī)控制程序可通過(guò)計(jì)算機(jī)的串口對(duì)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(hào)放大等模塊，以保證系統(tǒng)的整體可靠性和穩(wěn)定性?？紤]到環(huán)保低功耗，各模塊初始配置為每隔間斷時(shí)間上報(bào)各自的數(shù)據(jù)信息，其他時(shí)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(shí)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(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監(jiān)測(cè)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(kāi)發(fā)，并憑借各種優(yōu)越特性以利于實(shí)際的市場(chǎng)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