无线ZigBee在桥梁健康监测系统中的探究

0 引言

桥梁建设和维护是国家基础设施的重要组成部分，在国家建设和人民生活中发挥着重要作用。桥梁结构的安全性与耐久性受到人们高度重视，在现代桥梁工程领域中有关桥梁的健康监测、安全评估以及寿命预测等已经成为当前桥梁工程界和民用工程领域一个新的热点技术问题。

传统的实现监测的方式是基于有线的传感器数据采集。但这种监测方式有许多重要缺陷，最主要的原因是传感器设备必须通过电缆连接到中心数据采集单元。其一，铺设的大量电缆不仅昂贵而且耗时；其二，测试电缆要预先埋入结构层。这不仅增加了承包商和工程设计师的工作量，同时也会遇到电缆损坏这个大问题。所以，采用无线的方式用于结构健康监测是必然。故用传感器网络实现结构健康监测是结构健康的趋势。

针对传统桥梁结构检测数据采集方式存在问题，本论文提出基于ZigBee 桥梁结构健康ZigBee数据采集方式，实现无线、远程ZigBee数据采集功能。终端系统，由传感节点与汇聚网关节点构成。传感节点获取应变、挠度等信息量，把这些信息发送至网关节点；网关节点汇聚各传感节点发送的数据，然后通过GPRS 连入Internet，并将这些数据发送至远程端，为进一步数据分析做好铺垫。

1 总体设计

本桥梁监测系统中的无线传感器网络包括适量的传感器节点（Sensor Node）和基站（Sink Node），通信协议为ZigBee；管理节点(上位机)为监测系统终端，采用GPRS 和基站通信。大量传感器节点部署在桥面、桥墩等重点测点，如桥梁结构的高应力区、反复应力作用区以及易损部位，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点的监测数据沿着其他传感器节点逐跳的进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到基站，最后通过GPRS 到达管理节点。桥梁维护人员通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

ZigBee 是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3 个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s 和40kbit/s 的传输速率，它的传输距离在10-75m 的范围内,但可以继续增加。由此，通过ZigBee 实现节点之间以及节点与基站间的通信，通过GPRS 实现基站和上位机之间的通信。总体结构如图1

图1 桥梁监测系统网络结构

2 传感器节点

2.1 节点硬件

传感器节点为自行设计并制板。传感器节点在硬件上由两个模块组成，一个模块是运算和通信平台，另一个模块是传感器平台，两个模块各自成板，之间通过SPI 接口进行连接。这种方式可以把采集部分和传输部分分开，使不同通信平台和不同传感器平台之间自由组合，有利于日后升级系统和随需应变。无线传感器网络微型节点采用主流设计思想院即由数据采集单元（传感器板）、数据处理单元、数据传输单元（运算和通信平台-CCB）和电源管理单元4 部分组成，如图2 所示。

图2 传感器节点硬件结构图

选用的传感器都为数字式传感器院压力传感器MS5534 和两维数字加速度计ADXL202。数据处理单元是无线传感器网络节点的计算核心。采集环境参数信号，需要采样率很高、数据量大，因此选择了TI 公司的MSP430 系列单片机MSP430F149 作为MCU，选用了CY62512V、64K*8bit 的RAM，AM29F032B 等芯片。数据传输单元模块电路选用Chipcon 公司在2003 年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4 的ZigBee无线模块CC2420 芯片。CC2420 基于Chipcon 公司的SmartRF 03 技术，具有完全集成的压控振荡器，只需要天线等极少外部元器件，便可确保短距离通信的有效性和可靠性，包括众多额外功能，是第一款适用于产品的RF 器件。数据传输单元模块支持数据传输率达250Kbps，实现了多点对多点的快速组网，系统体积小、成本低、功耗小，适于电池长期供电。

电能是传感器网络最珍贵的资源，它决定着传感器网络的寿命。节点的电能一旦耗尽，即宣布其寿命到期并退出网络，由剩下的节点再重新组网。因此节点的电源管理非常重要。在本设计中采用多路器芯片ADG715BRU 在I2C 总线的控制下选通所用到的传感器，没有用到的传感器不带电，以达到在无数据采集任务时及时关闭电源、节省电能的目的。

2.2 节点软件

传感器节点上的软件基于TinyOS。TinyOS 是构建可靠无线网格网络的一个有效的和模块化的嵌入式软件平台，最初是由美国加州大学伯克利分校开发的，现在是许多无线传感器网络的标准。通信协议采用ZigBee。

ZigBee 的基础是IEEE 802.15.4，但802.15.4 仅处理低级MAC 层和物理层协议，因此ZigBee 联盟扩展了802.15.4，对其网络层协议和API 进行了标准化。选择ZigBee无线模块的原因为，桥梁监测的的数据采集网点众多，但数据的传输量不大，且要求数据传输可靠性和安全性高，ZigBee数传模块符合上述要求。微型节点上的软件负责完成桥梁监测现场数据的以，通过ZigBee数传模块将采集的数据包无线传送。微型节点遵循休眠、被唤醒、正常工作的工作模式。在休眠状态下，处理器停止工作，而RAM、SPI 端口以及中断系统继续工作，ZigBee无线模块处于低电流的接收状态。在接收到Sink 节点发出的命令后，微型节点被唤醒，处理器对命令进行节点号判断，如果命令的对象是当前微型节点，则微型节点进入工作状态，否则微型节点对命令进行转发后再次进入睡眠状态。具体节点的软件操作流程如图3 所示。

图3 传感器节点软件操作流程

3 基站

基站即公用移动通信基站是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。移动通信基站的建设是我国移动通信运营商投资的重要部分，移动通信基站的建设一般都是围绕覆盖面、通话质量、投资效益、建设难易、维护方便等要素进行。随着移动通信网络业务向数据化、分组化方向发展，移动通信基站的发展趋势也必然是宽带化、大覆盖面建设及IP 化。基站用来集中从各节点搜集的数据，集中处理然后通过GPRS 把数据传输给上位机。它是WSN 与外部世界的网关。基站掌握每个节点的信息并进行适当的节点维护。有一定的内置故障分析程序和脱离上位机的现场实时分析程序。一个基站的选择，需从性能、配套、兼容性及使用要求等各方面综合考虑，其中特别注意的是基站设备必须与移动交换中心相兼容或配套，这样才能取得较好的通信效果。基站子系统主要包括两类设备院基站收发台(BTS)和基站控制器(BSC)

3.1 基站硬件

基站目前先采用开发板+RF 板模式，RF 板即为传感器节点中的运算和通信平台板（CCB），通过SPI 接口和开发板相连。待技术成熟后再开发适合于此应用的特定目标板。硬件配置具体如下院ARM9 系列S3C2410 开发板，M100A GPRS 模块，运算和通信平台板。包括处理器子系统、无线通信子系统等，其中，无线通信子系统包括院

1）与传感器节点的ZigBee数传模块通信单元。这部分采用传感器节点的运算及通信平台（CCB），通过USB 接口和开发板（DB）连接，实现数据从CCB 到DB 的传输。采用这样的设计而不是另行设计RF 通信板是因为可以增加通用性并且基站端不需要重新编写RF 部分程序，只需编写和USB 接口有关的程序即可实现数据读取

    2）与上位机的GPRS 通信单元。GPRS 采用M100A 模块，M100A 和开发板通过接口相连。这样，最大的简化了基站端的硬件设计，通过采用已经成熟的硬件来验证可行性，待技术成熟后再设计特定的基站目标板会更好。

3.2 基站软件

基站采用Linux 操作系统，根据桥梁监测系统的要求，需要对应的应用程序来完成系统功能。上层的应用程序包括系统状态设置单元、节点维护单元、数据接收单元、数据处理单元、数据发送单元。基站的输出频率，把由频率合成器提供的频率为766.9125-791.8875MHz 的载频信号与168.1MHz 的已调信号，分别经滤波进入双平衡变频器，并获得频率为935.0125-959.9875MHz 的射频信号，此射频信号再经滤波和放大后进入驱动级，驱动级的输出功率约2.4W，然后加到功率放大器模块。功率控制电路采用负反馈技术自动调整前置驱动级或推动级的输出功率以使驱动级的输出功率保持在额定值上。也就是把接收到的信号加以稳定再发送出去，这样可有效地减少或避免通信信号在无线传输中的损失，保证用户的通信质量。功率放大器模块的作用是把信号放大到10W，不过这也依据实际情况而定，如果小区发射信号半径较大，也可采用25W 或40W 的功放模块，以增强信号的发送半径。在开发板上的Flash 中有一部分作为数据存储池使用，FIFO 模式。由CCB 接收的数据通过USB 存放到开发板Flash 的特定区域（存储池）中，当数据存储区使用50%时将触发中断信号，应用程序将读出数据并把数据传给GPRS 模块，并由GPRS 模块实现向上位机的传输，具体见图4 和图5。

图4 节点与基站数据通信软件流程

图5 节点维护软件流程

4 结语

通过利用实验室内的桥梁模型，验证了结构健康监测的需求可以通过传感器网络来实现桥梁健康信息的ZigBee数据采集，并且相对于有线方式来讲，无线网络可以布更多的点而不会出现大量的线缆，成本增加不显著；冗余性好，在一个关键点失效后可以通过上位机指令用冗余节点快速替代，而传统的有线方式在一个地方布多个节点会导致线缆大幅增加；结构参数具有整体性，有线的方式只能把数据集中到上位机处理，传感器节点之间互通性不好，而无线网络节点可以互相协调，增加数据传输效率。整个系统基本达到了低成本和便捷性的要求。开发板上有以太网口提供，在数据量大或GPRS 不方便使用时用来替代完成向上位机的数据传输任务。由此，在将来开发基站硬件时，可以考虑加上高速以太网（FastEthernet）接口，使在能够接入有线网络的监控场合采用此接口，一来可以提高数据传输速率，二来可以降低成本及增加可靠性。