采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)橋梁撓度數(shù)據(jù)自動監(jiān)測和無線傳輸?shù)脑O(shè)計

隨著各類大跨徑橋梁的不斷出現(xiàn)，人們對大型重要橋梁的安全性、耐久性和可靠性日漸關(guān)注，橋梁的健康監(jiān)測和安全評估已越來越受到人們的重視。橋梁健康監(jiān)測的諸多參數(shù)中，橋梁撓度是一項重要指標(biāo)，它直接反映橋梁的安全性和可靠性?，F(xiàn)有的橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)通常采用有線通信方式組建網(wǎng)絡(luò)，存在成本高、施工周期長和易受環(huán)境影響等缺點。

目前新興的ZiZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。gBee技術(shù)是一種短距離無線雙向通信技術(shù)，該技術(shù)具有協(xié)議簡單、功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短及成本低等優(yōu)點，特別適合應(yīng)用于傳輸數(shù)據(jù)量小、實時性強和覆蓋范圍廣的監(jiān)測系統(tǒng)中。針對傳統(tǒng)橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)存在的缺點，本文提出了將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，實現(xiàn)了橋梁撓度數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和無線傳輸。

1 ZigBee與其他短距離無線通信技術(shù)的比較

Zigbee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴展。

目前市場上常見的短距離無線通信技術(shù)主要包括：ZigBee技術(shù)、紅外技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、UWB技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)等，它們都有各自的特點，將這些短距離無線通信技術(shù)的參數(shù)進行比較，見表1所示。

ZigBee技術(shù)所采用的自組織網(wǎng)是怎么回事？舉一個簡單的例子就可以說明這個問題，當(dāng)一隊傘兵空降后，每人持有一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。而且，由于人員的移動，彼此間的聯(lián)絡(luò)還會發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對原有網(wǎng)絡(luò)進行刷新。

ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點：

（1） 低功耗： 由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達(dá)6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。

（2） 成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5-2.5美元， 并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。

（3） 時延短： 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設(shè)備信道接入的時延為15ms.因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應(yīng)用。

（4） 網(wǎng)絡(luò)容量大： 一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備， 一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)， 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

（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(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

（6） 安全： ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證， 采用了AES-128的加密算法，各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

2 橋梁撓度無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

ZigBee設(shè)備具有強大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星型結(jié)構(gòu)、樹簇型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)簡單，但網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都只能與協(xié)調(diào)器進行通信，從而容易造成信息擁堵，增加丟包率和協(xié)調(diào)器的功耗。樹簇型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)都屬于點對點結(jié)構(gòu)，任何兩個設(shè)備之間都可以進行通信，從而降低了協(xié)調(diào)器的功耗，并增加了通信范圍，但網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本較高。

橋梁撓度無線監(jiān)測系統(tǒng)由橋梁撓度傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、現(xiàn)場計算機和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心計算機所組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

橋梁撓度傳感器節(jié)點是橋梁撓度無線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，也是本文介紹的重點。它首先由CCD圖像傳感器采集圖像信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送到MCU處理，獲得撓度數(shù)據(jù)；然后通過ZigBee通信模塊將撓度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為ZigBee通信協(xié)議數(shù)據(jù)包，傳輸給最近的路由器節(jié)點。

路由器節(jié)點根據(jù)路由表驅(qū)動路由算法，選擇最優(yōu)的通信路徑，通過其他ZigBee路由模塊以多跳的通信方式把數(shù)據(jù)包傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器。

協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)包后，一方面按原路徑發(fā)送確認(rèn)原語到發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點，實現(xiàn)握手通信，完成一次完整的ZigBee無線通信；另一方面把收到的撓度數(shù)據(jù)通過串口上傳到現(xiàn)場計算機，方便現(xiàn)場工作人員的測試與維修?，F(xiàn)場計算機將采集的撓度數(shù)據(jù)進行匯總，并通過光纜將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心的計算機。

3 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

橋梁撓度傳感器節(jié)點的硬件主要由圖像傳感器模塊、微處理器模塊、通信模塊和電源模塊4部分組成，如圖2所示。微處理器模塊為該節(jié)點的核心模塊，負(fù)責(zé)管理節(jié)點中各模塊的協(xié)調(diào)工作，如產(chǎn)生TCD1209D的脈沖信號，并將TCD1209D采集的撓度圖像信號進行處理、保存和發(fā)送，啟動CC2430通信模塊收發(fā)數(shù)據(jù)等。電源模塊負(fù)責(zé)為傳感器節(jié)點各模塊提供可靠電源。基于篇幅的原因，下面主要介紹微處理模塊和CC2430無線通信模塊的電路設(shè)計。

3.1 微處理器模塊電路設(shè)計

橋梁撓度傳感器節(jié)點的微處理器芯片選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8芯片。它采用32位Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率為72 MHz.Cortex-M3內(nèi)核是至今最小的ARM內(nèi)核，其采用3級指令流水線的哈佛結(jié)構(gòu)；具有超低功耗，僅為0.19 mW/MHz;兼容Thumb-2指令集，可用16位的代碼密度；與ARM7TDMI內(nèi)核相比，運行速度提高35%,但代碼量卻節(jié)省45%,節(jié)省了存儲空間；具有廣泛的開發(fā)工具，開發(fā)成本低，周期短。STM32F103C8采用LQFP封裝形式，引腳數(shù)為48個，內(nèi)部資源包括[2]:64 KB的Flash存儲器和20 KB的RAM;2個SPI通信接口；2個I2C接口；3個USART接口；11個定時器，其中有4個可用于產(chǎn)生PWM;2個12位10通道的ADC,提高了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

STM32F103C8外圍電路設(shè)計如圖3所示。其外圍采用直流3.3 V供電，外接電池插座可用于突然掉電時保證RTC正常工作。它通過串口引腳來收發(fā)無線通信數(shù)據(jù)。它由高級定時器和通用定時器產(chǎn)生TCD1209D的5路驅(qū)動脈沖信號（SH、RS、CP、φ1、φ2），其高級定時器由引腳29輸出一路PWM信號，經(jīng)電平上拉和74LS04反向后得到脈沖信號SH;其通用定時器3（TIM3）產(chǎn)生一組互補的PWM脈沖信號，經(jīng)電平上拉后可產(chǎn)生驅(qū)動信號φ1和φ2;其通用定時器2（TIM2）由引腳10輸出一路PWM信號，經(jīng)電平上拉和74LS04反向后得到RS脈沖信號，RS與CP時序周期相同，但CP比RS遲延100 ns,可以通過硬件門電路作延時又可產(chǎn)生脈沖信號CP.

3.2 無線通信模塊

ZigBee無線通信芯片選用符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的CC2430芯片，它具有性能穩(wěn)定、功耗極低和外圍器件少等優(yōu)點。CC2430芯片是TI公司提供的全球首款支持ZigBee協(xié)議的真正SoC型芯片，在單個芯片內(nèi)部整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器，使用1個8 bit MCU內(nèi)核，具有最大128 KB的可編程閃存和8 KB的RAM存儲空間，包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、4個定時器、AES-128協(xié)處理器、看門狗定時器、32.768 kHz晶振的休眠模式定時器等。

CC2430只需很少的外圍元器件就能實現(xiàn)信號收發(fā)功能，其外圍配置電路原理圖如圖4所示。CC2430外圍電路包括：電源濾波電路、晶振電路、通信接口電路、復(fù)位電路、天線電路和調(diào)試接口電路。CC2430芯片內(nèi)部自帶電壓調(diào)節(jié)器，從引腳41（AVDD_DREG）輸入3.3 V直流電壓，就可從引腳24輸出穩(wěn)定的1.8 V直流電壓，因此CC2430外部只需3.3 V直流電壓供電。電源濾波電路設(shè)計中為了保證外部電源供電的穩(wěn)定性，根據(jù)不同的供電電源選用不同的濾波電容，本設(shè)計中電路板采用5 V直流電壓供電，經(jīng)過AMS1117后輸出3.3 V直流電壓，因此選用0.1 μF和1 μF的濾波電容。晶振電路由外部32.768 kHz、32 MHz晶體振蕩器和負(fù)載電容組成，通過設(shè)置CLKCON寄存器的OSC位來設(shè)定CC2430的系統(tǒng)時鐘源，32.768 kHz為系統(tǒng)休眠時鐘。天線采用單級非平衡天線來連接非平衡變壓器，以使天線性能更加出色。電路中的非平衡變壓器由電容和電感組成，內(nèi)部T/R交換電路用于完成LNA和PA之間的交換。CC2430與MCU之間采用異步串行通信方式，將CC2430中U0CSR寄存器的第7位配置為UART通信模式，再配置特殊功能寄存器（SFR），將引腳13和14分別設(shè)置為USART的RX和TX,與STM32F103C8的串口收發(fā)引腳相連接，從而實現(xiàn)與MCU交換數(shù)據(jù)、接收命令等功能。調(diào)試接口電路的引腳為45（P2_2）和46（P2_1）。

4 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

橋梁撓度傳感器終端節(jié)點軟件部分設(shè)計以IAR Embedded Workbench為開發(fā)平臺。IAR是一套完整的集成開發(fā)工具集合，包括代碼編輯器、工程建立、C/C++編譯器、連接器和C-SPY調(diào)試器等各類開發(fā)工具。IAR支持Cortex-M3內(nèi)核的微處理器和ZigBee協(xié)議棧的軟件編寫和調(diào)試，以及Jlink仿真器和C51RF仿真器的使用。節(jié)點的ZigBee協(xié)議棧采用TI公司提供的免費協(xié)議棧，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置時，使用Chipcon公司提供的開發(fā)套件。

傳感器終端節(jié)點軟件采用C語言編寫，使用模塊化程序設(shè)計，主要由傳感器節(jié)點各模塊初始化、采集撓度數(shù)據(jù)和無線通信模塊收發(fā)數(shù)據(jù)三部分組成，其軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。STM32F103C8芯片初始化包括：定義緩沖區(qū)間、配置時鐘、配置GPIO管腳、中斷配置、串口配置、DMA配置和定時器配置等。CC2430芯片初始化包括：啟動電壓調(diào)節(jié)器、配置時鐘、配置8051的4個寄存器和配置A/D等。

5 應(yīng)用

通過在山西忻州高速公路公司小溝特大橋的應(yīng)用，驗證了該系統(tǒng)應(yīng)用時無線通信的可靠性和穩(wěn)定性。

首先選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于小溝橋每跨跨度為100 m,而ZigBee通信模塊的可靠通信距離≥100 m（與天線和發(fā)射功率有關(guān)），邊跨的撓度數(shù)據(jù)需要通過路由器逐跳傳給協(xié)調(diào)器，因此采用樹簇型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

然后布設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，如圖6所示。將7個撓度傳感器節(jié)點放置于每跨的橋梁撓度監(jiān)測處，負(fù)責(zé)采集各跨的撓度信息；6個路由器節(jié)點放置于相距每跨撓度傳感器節(jié)點5~10 m處，相鄰路由器的距離為75~90 m;1個協(xié)調(diào)器節(jié)點固定于小溝橋的中跨，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址，并將各跨傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)由串口上傳到現(xiàn)場計算機。

最后現(xiàn)場計算機通過串口接收各跨的撓度數(shù)據(jù)，并運行LabVIEW[3]語言編寫的軟件來顯示和保存橋梁各跨的撓度數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場采集右幅橋的撓度曲線如圖7所示，不同曲線代表車輛通過時各跨的撓度。每條曲線都是連續(xù)的，沒有明顯的間斷和跳變，說明該無線通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸可靠、穩(wěn)定性強。

ZigBee技術(shù)彌補了低成本、低功耗和低速率短距離無線通信市場的空缺，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的組成部分。本文主要創(chuàng)新點是將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)中，并利用Cortex-M3內(nèi)核高性能低功耗的特點實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時采集和無線傳輸，具有穩(wěn)定性強、移動性好和費用低等優(yōu)點。本文將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到橋梁撓度監(jiān)測系統(tǒng)中，有效地解決了原有系統(tǒng)中所存在的布線工作量大、施工周期長等缺點。