摘? 要: 通過對橋梁無線監(jiān)測系統(tǒng)" title="監(jiān)測系統(tǒng)">監(jiān)測系統(tǒng)的分析,在研究ZigBee的IEEE802.15.4標準通信協(xié)議的基礎上,提出了基于ZigBee無線傳感器網絡的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)架構,設計了橋梁無線網絡監(jiān)測系統(tǒng)數據采集" title="數據采集">數據采集與傳輸的軟硬件,實現了監(jiān)測信號的獲取和無線傳輸。?

　　關鍵詞:? ZigBee; 無線傳感器網絡;? 橋梁監(jiān)測?

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　　橋梁監(jiān)測是通過測量橋梁的環(huán)境參數和自身的結構參數來監(jiān)測橋梁的運行狀態(tài),對于檢驗設計參數、進行橋梁方面的科學研究等有著重要意義。穩(wěn)定可靠的數據采集和傳輸系統(tǒng)對于保證監(jiān)測系統(tǒng)的長期運行至關重要,同時是獲取有效、可靠的監(jiān)測數據的前提。ZigBee技術則是一種近距離、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術,可以嵌入到各種設備中,同時支持地理定位功能。它充分利用了IEEE802.15.4標準,用于建立可靠的、高性價比的、低功耗的實時監(jiān)測和控制的無線網絡,ZigBee與Bluetooth相比具有更低的功耗和成本,能夠最大限度地延長電池的使用壽命。?

　　本文主要介紹了在建筑工程領域橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中的應用設計,利用多種傳感器無線節(jié)點組成ZigBee無線網絡,實現橋梁的振動、位移、應變信號數據的自動采集和傳輸,由于使用無線網絡傳感技術,大大減小了現場布線的工作量,使得監(jiān)測施工十分方便快捷。?

1 基于ZigBee的無線網絡橋梁監(jiān)測系統(tǒng)架構?

　　802.15.4協(xié)議的網絡拓撲結構有三種類型:星型結構、網格狀結構和簇狀結構,其中網格狀結構和簇狀結構屬于點對點的結構,如圖1所示。在星型結構中,所有節(jié)點設備與中心設備協(xié)調器" title="協(xié)調器">協(xié)調器通信,網絡協(xié)調器功耗較大。與星型網絡不同,點對點網絡只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內,任何兩個設備之間都可以直接通信。在網絡中,根據設備所具有的通信能力,可以分為全功能設備(FFD)和精簡功能設備(RFD)。FFD設備之間以及FFD設備與RFD設備之間都可以直接通信。但RFD設備之間不能直接通信。在IEEE802.15.4網絡中,有一個稱為PAN網絡協(xié)調器(PAN coordinator)的FFD設備,它是網絡中的主控制器。PAN網絡協(xié)調器(簡稱網絡協(xié)調器)除了直接參與應用以外,還要實現成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉發(fā)等任務。?

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　　本文采用了星型網絡,主要考慮到星型網絡所需的協(xié)調器數量少,而協(xié)調器的功耗是普通設備功耗的幾十倍甚至上百倍,采用星型網絡可大大降低監(jiān)測網絡群體的總體功耗。另外,點對點網絡各網段設備間數據的傳輸要經過其他協(xié)調器,協(xié)調器內部的路由列表復雜,不易維護和實時管理。系統(tǒng)體系結構如圖2所示,主要由ZigBee無線傳感器節(jié)點" title="傳感器節(jié)點">傳感器節(jié)點、中心協(xié)調器和遠程控制中心組成。其中A、B、C、D傳感器節(jié)點為RFD設備,中心協(xié)調器為FFD設備,A、B、C、D傳感器節(jié)點向中心協(xié)調器發(fā)送數據,中心協(xié)調器收集各個傳感器節(jié)點數據后傳輸到遠程控制中心。?

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2 ZigBee無線傳感器網絡節(jié)點硬件設計?

2.1總體設計?

　　橋梁監(jiān)測系統(tǒng)包括傳感器信號采集系統(tǒng)、數據傳輸系統(tǒng)和數據分析與管理系統(tǒng)三個部分。數據采集和傳輸子系統(tǒng)是整個橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的終端設備,其主要功能是對各種傳感器信號進行采集、傳輸和保存,該部分即是傳感器網絡節(jié)點。模塊設計主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分組成,如圖3所示。傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內信息的采集和數據轉換;處理器模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作,存儲和處理本身采集的數據以及其他節(jié)點發(fā)來的數據;無線通信模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行無線通信,交換控制信息和收發(fā)采集數據;電源模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量,通常采用微型電池。?

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2.2 硬件實現?

　　目前對橋梁而言,主要監(jiān)測各承重部位的載荷與應變情況,有各種傳感器可供選擇。本監(jiān)測系統(tǒng)數據采集終端的傳感器僅以加速度傳感器" title="加速度傳感器">加速度傳感器MMA7260為例。終端由MMA7260芯片及相應的信號調理電路、配以符合IEEE802.15.4標準的飛思卡爾公司MC13192射頻收發(fā)調制解調器和低功耗的MCU芯片MC9S08GT60 控制器組成。A/D轉換器采用MCU芯片內部集成的ADC,其中MC9S08GT60負責數據采集和協(xié)議解析,MC13192主要完成物理層協(xié)議控制和數據收發(fā)。?

　　MMA7260是飛思卡爾公司三軸加速度傳感器,可用來檢測X,Y,Z軸方向的加速度,以類比電壓來表示所檢測的加速度的大小。它也可以作為一種用于測量傾角角度的儀器。由于任何空間結構都存在三個平動、三個轉動共六個自由度,而一旦結構受到約束,則平動與轉動之間總是存在一定的對應關系。如果能根據某個橋梁結構對象的具體條件求出轉動與平動的關系,即可以用加速度傳感器實現橋梁變形監(jiān)測。在橋梁監(jiān)測中,加速度傳感器具有安裝方便,使用靈活、容易確立基準、能適合惡劣環(huán)境下長期工作等優(yōu)點。?

　　硬件電路主要包括射頻接口電路、處理器接口電路和傳感器應用電路,其電路連接圖如圖4所示。主要設計在于MCU對MC13192的控制,MC13192外接16MHz的晶振提供芯片工作所需的時鐘,芯片本身具有可編程輸出時鐘向MC9S08GT60提供所需的時鐘,這里同樣設置為16MHz。MC13192與處理器的連接非常簡便。它使用IRQB0、ATTN和RXTXEN三個引腳表示收發(fā)數據的狀態(tài);而處理器通過SPI接口與MC13192交換數據、發(fā)送命令等。MCU對MC13192 的大部分操作都是以中斷服務程序的形式來實現

的,采用電平觸發(fā)的方式,在中斷觸發(fā)后,中斷服務程序通過讀取中斷狀態(tài)寄存器的相應位來確定進行何種操作。?

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3 ZigBee無線網絡軟件設計?

　　ZigBee協(xié)議?；陂_放系統(tǒng)互連模型(OSI),由一系列的分層結構組成,每一層為上一層提供服務。本設計系統(tǒng)軟件也分為三層結構:驅動層、協(xié)議層和應用層,其結構如圖5所示。驅動層提供系統(tǒng)硬件驅動程序,為上層提供相應的接口函數,所有對硬件的控制都通過該層來實現。協(xié)議層包括了基于802.15.4協(xié)議的物理層、數據鏈路層和網絡層。應用層調用協(xié)議層提供的服務,實現具體的任務操作,完成網絡的管理和數據的傳輸。?

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3.1驅動層的設計?

　　驅動層的設計主要是對SPI的驅動和對MC13192的驅動,通過對其寄存器的讀寫操作來實現。MCU對MC13192的行為及數據傳送的控制都是通過 MC13192的4線SPI 模塊完成的,SPI 的數據交換被分成兩個部分,一部分為頭信息,頭信息部分固定為8位,另一部分為2字節(jié)的整數倍的有效數據域。對于簡單的讀寫模式,一次 SPI 數據交換有24位數據信息。?

　　MC13192內部有48個寄存器^[1],包括控制/狀態(tài)寄存器、命令選通寄存器和訪問收發(fā)FIFO緩存區(qū)的寄存器?？刂?狀態(tài)寄存器都是16位的,寫這些控制/狀態(tài)寄存器可以控制MC13192的工作方式,如選擇工作頻率、地址識別模式等。讀這些寄存器可以查詢MC13192的工作狀態(tài)。每個命令選通寄存器的地址相當于一條MC13192可以執(zhí)行的指令,當MC13192接收到寫命令選通寄存器的地址信息字以后,會啟動MC13192內部操作,如開始發(fā)送數據、啟動或停止振蕩器等。?

3.2協(xié)議層的設計?

　　協(xié)議層[2]包括了物理層、數據鏈路層和網絡層。物理層主要負責對 MC13192 的管理以及物理層數據的發(fā)送和接收,物理層向上層提供了一系列對MC13192芯片功能實現的函數,上層通過這些函數接口就可以直接實現所需要的功能,而不必關心這些功能具體是怎么實現的,這些功能包括:數據請求、狀態(tài)切換、信道能量檢測與選擇、計數器設置以及芯片復位等操作。?

　　MAC層提供兩種服務:MAC層數據服務(MCPS)和MAC層管理服務(MLME)。前者保證MAC協(xié)議數據單元在物理層數據服務中的正確收發(fā),后者維護一個存儲MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關信息的數據庫。?

　　網絡層主要完成網絡的組建以及管理網絡成員等功能。本方案中的網絡拓撲是星型網絡,因此不存在路由等比較復雜的問題。網絡協(xié)調者的網絡層協(xié)議具有新建網絡的功能,在新建網絡之前,網絡協(xié)調者必須先對周圍的無線環(huán)境進行檢測,然后才進行具體的網絡配置工作。下面簡要介紹非信標使能網絡的建立過程^[3],圖6為網絡協(xié)調器建立網絡流程,圖7為終端設備加入網絡流程。

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3.3應用層的設計?

　　應用層軟件包括數據采集端應用軟件和網絡協(xié)調器的應用軟件設計。通過對整個系統(tǒng)的需求分析可知,各個數據采集端長時間處于非工作狀態(tài),當需要數據采集的時候,主控制中心發(fā)送數據請求信號來通知無線網絡協(xié)調器進行工作,網絡協(xié)調器通知各個數據采集端,數據采集端先解析請求命令中所要傳輸的數據量,然后采集并發(fā)送相應的數據,發(fā)送完畢后自動進入低功耗狀態(tài),等待下個命令的激活。數據采集端應用程序流程圖如圖8所示。針對系統(tǒng)定期檢測的要求,數據采集端實際上長時間處于低功耗的狀態(tài),電池供電能夠滿足要求。

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　　網絡協(xié)調器是整個無線網絡的核心,應用層的功能是將控制中心主機端監(jiān)控程序發(fā)送的數據請求信號發(fā)送出去,另外還要接收數據采集端的數據并上傳給主機。具體實現過程如下:首先,網絡協(xié)調器系統(tǒng)初始化后開中斷,完成后系統(tǒng)進入睡眠模式,當主機端發(fā)出數據請求命令時,此時將會觸發(fā)系統(tǒng)的串口中斷激活系統(tǒng),然后中斷服務程序將系統(tǒng)置為發(fā)送命令狀態(tài),先解析命令信號,接著將命令信號打包發(fā)送出去,發(fā)送成功后將進入等待接收數據模式,此后,如果有數據發(fā)送過來,就直接將數據通過串口上傳給主機,這樣就完成了系統(tǒng)的一次數據傳輸。其程序流程如圖9所示。?

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4 測試結果?

　　應用設計的三塊ZigBee網絡節(jié)點模塊組成ZigBee無線網絡測試平臺,其中一塊作為協(xié)調器,通過串口與PC機直接相連,另兩塊作為網絡節(jié)點。采用8位A/D轉換器,在PC機上得到加速度傳感器的數據如圖10所示,第一行是加速度傳感器的輸出電壓,第二行是A/D轉換器的輸出結果(范圍0～255),第三行是轉換為加速度的結果。?

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　　本文在研究ZigBee無線網絡技術的基礎上,構建了基于ZigBee協(xié)議的無線網絡數據采集與傳輸方案,設計了加速度傳感器采集終端,極大地降低了數據采集端的功耗,能夠長時間穩(wěn)定工作。這一設計方案解決了大量監(jiān)測點的無線組網,在橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中得到了成功應用。?

參考文獻?

[1] MC13192 Reference Manual. http://freescale.com,2004.?

[2] 802.15.4 MAC/PHY Software Reference Manual.Motorola,2005.?