樊清江 王津 溫建 劉文 唐立軍

引言：文中介紹了一種基于MEMS傳感器的橋梁拉索振動加速度檢測系統(tǒng)，應用于橋梁索力加速度數(shù)據(jù)的實時測量和傳輸。本系統(tǒng)采用MEMS傳感器獲取索力加速度，通過ZigBee模塊組建的網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)進行傳輸，并通過PC上位機界面對數(shù)據(jù)進行處理、儲存及顯示。

在現(xiàn)代社會中橋梁已成為了交通運輸系統(tǒng)的重要樞紐，由于受到自然因素及車輛增多等影響，橋梁結構均受到了不同程度的損傷，導致諸多意外事故的發(fā)生。因此，設計一種實時橋梁健康狀態(tài)的監(jiān)測系統(tǒng)具有重要意義[1]。

傳統(tǒng)的橋梁拉索的加速度人工檢測方法有較多局限性，如在連線時較為繁瑣、檢測數(shù)據(jù)時不能及時發(fā)送等 [2]。其他無線數(shù)據(jù)采集方式如wifi、IrDA、UWB技術、藍牙等，也均存在節(jié)點功耗大、傳輸距離短、組網(wǎng)難度大、成本高、節(jié)點容量小等問題[3]。本文所設計的橋梁索力加速度監(jiān)測系統(tǒng)采用的ZigBee技術具有功耗、成本、復雜度均較低等優(yōu)勢，且采用的MEMS傳感器也具有高精確度、低功耗、抗干擾能力強等特點。

一、系統(tǒng)設計

橋梁跨度大，需采集的節(jié)點多；系統(tǒng)覆蓋范圍廣，采集節(jié)點具有分散性。本系統(tǒng)采用ZigBee技術構建傳輸網(wǎng)絡。系統(tǒng)主要包括采集終端、ZigBee協(xié)調(diào)器和PC上位機組成。其結構如圖1所示。

系統(tǒng)工作流程為：操作人員通過PC上位機界面發(fā)送采集命令，ZigBee協(xié)調(diào)器接收到采集信號后將指令傳輸給各采集終端，采集終端收到命令后采集加速度數(shù)據(jù)，并通過ZigBee發(fā)送終端發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，而協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)傳送給PC上位機，進行數(shù)據(jù)處理與顯示。

（一）硬件設計

1、加速度采集模塊設計

采集模塊主要由ZigBee模塊、穩(wěn)壓模塊、加速度傳感器和數(shù)據(jù)存儲器4部分組成。ZigBee模塊是該節(jié)點的核心模塊，主要負責管理節(jié)點中各模塊的協(xié)調(diào)工作；采集加速度模塊利用較為方便的MMA7455加速度傳感器；MMA7455加速度傳感器輸出的是數(shù)字量，節(jié)省了對A/D轉(zhuǎn)換的需要，并具有低成本、低功耗等優(yōu)點。

2、中繼模塊設計

本文選用CC2530芯片作為ZigBee模塊的射頻芯片，克服了傳統(tǒng)射頻芯片的技術缺陷，如通信距離短、集成度低等。CC2530芯片結合了RF收發(fā)器和C8051控制內(nèi)核的優(yōu)點，可在系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)編程閃存[5]。其的封裝尺寸更小，且具有更大的緩存容量，F(xiàn)lash存儲容量可達256KB，理想環(huán)境下的最大通信距離可達400m。

3、電源管理模塊設計

ZigBee模塊底層電路板的電源管理模塊電路如圖2所示，撥動開關SW2可選擇外接電源或電池供電的方式。外接電源模式下，由USB電纜提供+5 V電壓或由+5V直流電源供電，再經(jīng)線性穩(wěn)壓器TPS79533轉(zhuǎn)換為3.3V電壓輸出。為了減少穩(wěn)壓器內(nèi)部的輸出噪聲和電壓噪聲，PASS引腳連接一個0.01μF電容。

（二）軟件設計

1、采集模塊程序設計

加速度傳感器的驅(qū)動程序包含兩個子程序，初始化函數(shù)和讀取傳感器采樣值函數(shù)。ZigBee采集模塊的網(wǎng)絡流程如圖2所示。

2、ZigBee模塊程序設計

ZigBee協(xié)調(diào)器相當于中轉(zhuǎn)站作用，是整個網(wǎng)絡的核心，其的軟件流程如圖3所示。ZigBee協(xié)調(diào)器開始時反復查詢是否收到上位機的采集數(shù)據(jù)命令請求，數(shù)據(jù)采集終端在收到命令后先進行解析，然后采集命令中所需的數(shù)據(jù)量，當采集完后立即打包發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器并自動進入低功耗狀態(tài)，ZigBee協(xié)調(diào)器每收到一個終端節(jié)點的采集數(shù)據(jù)便及時的通過串口將該數(shù)據(jù)傳給上位機，直至收集完所有終端的數(shù)據(jù)為止。

3、上位機與ZigBee協(xié)調(diào)器通信

上位機是系統(tǒng)信息輸入輸出模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，其軟件流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后首先進行外圍器件的初始化，如觸屏、串口和顯示屏等。然后判斷開始按鈕是否被按下，當開始按鈕被按下后，整個系統(tǒng)進入數(shù)據(jù)采集階段，等到有數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器發(fā)送過來后便將數(shù)據(jù)進行處理、存儲，并最終顯示到觸摸屏上，直至收集完所有終端的數(shù)據(jù)為止。

二、實驗測試過程及結果顯示

在測試過程中，將兩組數(shù)據(jù)采集終端綁定在相距200 m的橋梁模型的拉索上，協(xié)調(diào)器模塊和PC上位機放在兩個采集終端中間，具體步驟如下：

步驟1 打開協(xié)調(diào)器電源開關，待LED3亮起后，表明協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡建立成功；

步驟2 將ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口線與PC上位機相連，并打開串口調(diào)試助手，設置其參數(shù)，當串口助手界面指示顯紅色標志時表明連接成功；

步驟3 打開ZigBee采集終端電源，待LED3亮起后表明加入網(wǎng)絡成功；

步驟4 將協(xié)調(diào)器進行復位，待LED3再次亮起時復位ZigBee采集終端，數(shù)據(jù)開始傳輸，在串口調(diào)試助手端接收到所采集的加速度數(shù)據(jù)。

終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包如圖5所示。數(shù)據(jù)處理終端接收到數(shù)據(jù)后進行FFT運算，得到有效加速度數(shù)值，該數(shù)據(jù)處理終端界面如圖6所示。

三、結束語

本設計通過上位機下達采集加速度指令，采集終端收到指令采集加速度數(shù)據(jù)，ZigBee發(fā)送終端將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將所采集的加速度數(shù)據(jù)傳至上位機，并在界面上顯示所采集的橋梁拉索的加速度值。從而達到了實時檢測橋梁拉索加速度的目的。

參考文獻

[1]ZigBee Alliance，ZigBee speci?cation：Technical Report Document 053474r06，Version 1.0，ZigBee Alliance，2005.

[2]崔京偉，黃灝.基于ARM和ZigBee的無線溫度采集系統(tǒng)設計[J].電子科技，2013，26（4）：12-13，16.

[3]李金明.分布式Zigbee多節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)融合軌跡關聯(lián)[J].電子科技，2011，24（8）：42-43，51.

[4]王堃.基于嵌入式的無線橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].武漢：湖北工業(yè)大學，2009.

[5]秦霆鎬，豆曉強，黃文彬.Zigbee技術在無線傳感器網(wǎng)絡中的應用[J].儀表技術，2007（1）： 57-58.

[6]張莉.近距離無線通信技術及應用前景[J].電信技術，2005（11）：9-11.

[7]K.West，Is 2008 the year of ZigBee–at last？ in：ZigBee Resource Guide， Spring 2008.

[8]穆乃剛.Zigbee技術簡介[J].電信技術，2006（3）：84-86.

（作者單位：長沙理工大學物理與電子科學學院）

作者簡介

樊清江（1990-），男，本科，研究方向：光信息科學與技術。