溫建+唐立軍+賀慧勇+張建仁+楊奇武+賓峰+彭艷云

摘 ?要： 設(shè)計實現(xiàn)了一種基于ZigBee無線組網(wǎng)的橋梁索力測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TI公司的CC2530芯片組建無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用MEMS傳感器對橋梁多個拉索進(jìn)行布點，用STM32芯片組成控制處理模塊，實現(xiàn)一次性同步得到橋梁多拉索的索力數(shù)據(jù)，解決了橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)采集麻煩問題。該系統(tǒng)具有節(jié)點功耗小、傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)容易、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)勢，現(xiàn)場應(yīng)用實驗效果較好。

關(guān)鍵詞： ZigBee組網(wǎng); 索力測量; WSN; MEMS傳感器

中圖分類號： TN919?34; TP202 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）24?0121?05

Bridge cable force measurement of wireless networking system

WEN Jian 1， TANG Li?jun1， HE Hui?yong1， ZHANG Jian?ren2， YANG Qi?wu1， BIN Feng1， PENG Yan?yun1

（1. School of Physics and Electronic Science1， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410004， China;

2. School of Civil Engineering and Architecture， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410004， China）

Abstract： A kind of bridge cable force measurement system based on ZigBee wireless networking was designed， in which TI's CC2530 chip was used to set up a wireless data transmission network， MEMS sensors was distributed to the measured points on multiple bridge cables， and STM32 chip was employed to constitute a control processing module to achieve the one?time sync cable force data of multiple bridge cables to solve the troublesome problem of bridge monitoring data acquisition. The system has small node power consumption， long transmission distance， easy networking， low?cost， large network capacity and other advantages. Field application experiment effect is better.

Keywords： ZigBee wireless networking; cable force measurement; WSN; MEMS sensor

0 ?引 ?言

隨著車輛數(shù)量的急劇增加造成了橋梁的高負(fù)荷承載，使得橋梁結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)一定程度的損傷與抗力衰減，加之近年來我國橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，質(zhì)量問題也是一個不可回避的問題，及時監(jiān)測橋梁的橋梁健康狀態(tài)，避免橋梁坍塌事故發(fā)生，具有十分重要的意義。

采用頻率法測定索力[1]， 不僅方便， 適應(yīng)多種工況， 設(shè)備可重復(fù)使用， 且測量精度高， 在橋梁索力測量中廣泛使用[2]。傳統(tǒng)的橋梁索力測量系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集一般基于有線方式，存在安裝布線繁瑣、維護(hù)復(fù)雜、施工周期長、建設(shè)成本高、可移動性和擴(kuò)展性差等缺點[3]。無線數(shù)據(jù)采集方式如WiFi、NRF903、GSM、藍(lán)牙等，分別存在節(jié)點功耗大、傳輸距離短、組網(wǎng)難度大、節(jié)點容量小等問題[4]。本文利用ZigBee技術(shù)具有節(jié)點功耗小、傳輸距離遠(yuǎn)、組網(wǎng)容易、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)勢[5]，采用數(shù)字接口的MEMS傳感器，設(shè)計橋梁索力測量系統(tǒng)以實現(xiàn)方便、快速、同步多點測量橋梁的多拉索的索力，及時監(jiān)測橋梁的健康狀態(tài)。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計

橋梁跨度大，需要檢測的部分分散，必須在所有拉索上布置多個采集節(jié)點，若不采取無線方式，需要對所有節(jié)點數(shù)據(jù)進(jìn)行人工采集，將會耗時耗力。利用WiFi、NRF903、GSM、藍(lán)牙等無線數(shù)據(jù)采集方式，因節(jié)點功耗大、節(jié)點容量小等問題使得組網(wǎng)難度大。本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組建、數(shù)據(jù)的傳輸以及數(shù)據(jù)的處理顯示。系統(tǒng)設(shè)計為分布式體系結(jié)構(gòu)，主要包含數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)處理模塊兩個部分，數(shù)據(jù)采集終端由ZigBee終端和ZigBee協(xié)調(diào)器（與上位機(jī)交互的終端）組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)工作流程：首先操作人員操作觸控顯示設(shè)備設(shè)置參數(shù)并且選擇命令，然后數(shù)據(jù)處理中心的STM32處理器通過RS 232接口向數(shù)據(jù)采集終端的ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送命令，ZigBee協(xié)調(diào)器根據(jù)數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送的控制命令以廣播形式通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將控制數(shù)據(jù)發(fā)送到對應(yīng)的終端，對終端進(jìn)行喚醒、休眠的操作以及加速度計的數(shù)據(jù)采集，ZigBee終端采集加速度計的數(shù)據(jù)后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，再通過RS 232接口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊，最后通過數(shù)據(jù)處理模塊匯總數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，并且顯示觸控顯示并存儲在設(shè)備上。

1.1 ?硬件系統(tǒng)設(shè)計

1.1.1 ?ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點設(shè)計

ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點的硬件主要由ZigBee模塊、穩(wěn)壓模塊、加速度傳感器和數(shù)據(jù)存儲器四個部分組成，如圖2所示。ZigBee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，例如讀出加速度傳感器的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)，以及通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至其他節(jié)點等功能。

為使各節(jié)點穩(wěn)定工作，需設(shè)計穩(wěn)壓模塊為各節(jié)點提供可靠電源。穩(wěn)壓模塊采用SPX1117芯片，該芯片非常適合于小封裝的低功耗設(shè)計，其功能是將鋰電池提供的3.7 V電壓轉(zhuǎn)換為終端節(jié)點所需的3.3 V電壓，其電路如圖3所示，圖中的按鍵為電源開關(guān)，在芯片的第3腳和第2腳分別加0.1 μF和2.2 μF的旁路電容，以提高電源的穩(wěn)定性，芯片的散熱端與第2腳相連有利于芯片的散熱。

加速度傳感器采用MMA7455芯片，其電路如圖4所示，該芯片具有低功耗模式，在無需采集數(shù)據(jù)的時候進(jìn)入低功耗模式模式可以省電，該芯片具有2 g、4 g和8 g三種量程可供選擇，適應(yīng)于不同的橋梁振動頻率，該芯片與ZigBee模塊采用I2C協(xié)議通信，連線簡單，占用I/O口少。

數(shù)據(jù)存儲器采用AT24C08芯片，其電路如圖5所示，該芯片具有8 KB的容量，第7腳為寫保護(hù)端，當(dāng)為低電平時，才允許正常的讀寫操作，該芯片用來存儲ZigBee模塊從加速度計采集來的數(shù)據(jù)，可有效地解決較快的數(shù)據(jù)采集速率和較低的無線數(shù)據(jù)傳輸速率之間的矛盾。

1.1.2 ?數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)處理模塊主要由STM32控制系統(tǒng)、LCD觸摸屏、存儲器及3.3 V電源4部分構(gòu)成。STM32控制系統(tǒng)為該系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中各部分的協(xié)調(diào)工作，如通過FSMC接口驅(qū)動LCD屏、使用觸摸屏控制器檢測觸點坐標(biāo)、通過USART與ZigBee協(xié)調(diào)器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以及通過SDIO與存儲器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等。3.3 V電源使系統(tǒng)使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

數(shù)據(jù)處理模塊采用的微處理器為STM32F103VET6芯片，工作頻率為72 MHz。存儲器采用MicroSD卡，根據(jù)需要可選擇不同的容量，非常合適于大批量的數(shù)據(jù)存儲，并且可以運行系統(tǒng)文件，其與微處理器芯片內(nèi)部專用的SDIO接口通信。LCD液晶、觸摸屏作為系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備，自帶液晶屏和觸摸屏的驅(qū)動電路，其與微處理器內(nèi)部的FSMC接口通信。ZigBee協(xié)調(diào)器相當(dāng)于STM32控制系統(tǒng)和ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點之間的中轉(zhuǎn)站，其與 STM32控制系統(tǒng)通過UART通信，與ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無線通信。

1.2 ?軟件系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 ?數(shù)據(jù)處理模塊與ZigBee協(xié)調(diào)器的通信

數(shù)據(jù)處理模塊作為整個無線索力測量系統(tǒng)的上位機(jī)，主要負(fù)責(zé)控制信息的輸入、數(shù)據(jù)的處理與檢測結(jié)果的輸出，其軟件流程圖如圖7所示。

STM32通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)得到MEMS傳感器節(jié)點獲取的加速度信號，得到拉索振動信號，得到斜拉索拉力。計算方法為：通過FFT能獲得自功率頻譜圖，選FFT后頻譜圖上的峰值最高點為計算基礎(chǔ)（ 簡稱為主振頻率f （n），以相鄰兩峰值點之間的頻率差最小值為基頻， 用主振頻率[fn]除以此頻率差最小值作為主振頻率[fn]的階次n。是利用弦振動理論，可得到斜拉索拉力與其自振頻率之間的關(guān)系：

[T=4ωL2f2nn2g] （1）

式中：[ω] 為單位長度索重;g為重力加速度;T為斜拉索的張力;L為斜拉索的索長;[fn]為斜拉索的第n階自振頻率n為振動階數(shù)。

工作流程為：上電之后首先進(jìn)行外圍器件的初始化，例如觸屏，顯示屏和串口等，然后判斷開始按鈕是否被按下，當(dāng)開始按鈕被按下后，整個系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段，即：上位機(jī)通過串口向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送采集數(shù)據(jù)命令控制符0x86，然后進(jìn)入等待狀態(tài)，等到有數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器發(fā)送過來之后便將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲，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。

1.2.2 ?ZigBee協(xié)調(diào)器傳輸指令及數(shù)據(jù)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器相當(dāng)于中轉(zhuǎn)站的作用，是整個無線網(wǎng)絡(luò)的核心。其軟件流程圖如圖8網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開始時反復(fù)查詢是否收到上位機(jī)的采集數(shù)據(jù)的命令請求，如果沒有收到則繼續(xù)查詢，如果收到則將該命令以廣播方式轉(zhuǎn)發(fā)給各個數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)采集終端收到命令后先對命令進(jìn)行解析，然后采集命令中所需的數(shù)據(jù)量，采集完后立馬打包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器并自動進(jìn)入低功耗狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器每收到一個終端節(jié)點的采集數(shù)據(jù)就立馬通過串口將該數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，直至收集完所有終端的數(shù)據(jù)為止。

1.2.3 ?ZigBee終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)

終端采集設(shè)備是負(fù)責(zé)控制加速傳感器采集數(shù)據(jù)并且無線發(fā)送至協(xié)調(diào)器。其軟件流程圖如圖9所示。設(shè)備開始運行之后首先檢測是否有協(xié)調(diào)器發(fā)送的采集數(shù)據(jù)指令，如果沒有采集數(shù)據(jù)指令則終端設(shè)備進(jìn)入休眠定時狀態(tài)，如果有采集數(shù)據(jù)指令的話終端設(shè)備進(jìn)入工作狀態(tài)，開始采集加速度計的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，在與協(xié)調(diào)器握手之后確認(rèn)信息是否發(fā)送完全，一旦信息發(fā)送完畢則設(shè)備自動進(jìn)入定時休眠狀態(tài)，等待下一次的自動喚醒，然后查詢是否有采集數(shù)據(jù)指令事件。

2 ?系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果

2.1 ?現(xiàn)場試驗

根據(jù)以上設(shè)計方案，設(shè)計出了實驗樣機(jī)。在實驗室模擬測試基礎(chǔ)上，將樣機(jī)在湖南省長沙市洪山大橋上進(jìn)行現(xiàn)場測試。該橋是目前世界上跨度最大的豎琴式無背索斜塔斜拉橋，主跨206 m，寬度33.2 m。測試過程中，將5組數(shù)據(jù)采集終端綁定在距離橋面2.5 m的橋梁拉索上，兩模塊之間的距離為20 m，數(shù)據(jù)處理模塊位于采集終端的最右端，如圖10所示（圖中紅色方塊為數(shù)據(jù)采集模塊，黑色方塊為數(shù)據(jù)處理模塊）。首先數(shù)據(jù)處理模塊上電，通過控制協(xié)調(diào)器組建一個網(wǎng)絡(luò)，然后再打開各采集終端加入網(wǎng)絡(luò)，最后根據(jù)觸控屏上的菜單先后進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集處理和顯示的操作。當(dāng)橋面少有車輛通過時進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，分別記錄200組橋梁拉索震動數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場測試的實驗樣機(jī)：STM32數(shù)據(jù)處理終端、ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee采集終端1、采集終端5，見圖11。

2.2 ?實驗數(shù)據(jù)分析

終端每接收到一次數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)采集命令，就開始通過MEMS傳感器以相同的間隔連續(xù)采集64個數(shù)據(jù)，然后以數(shù)據(jù)包的形式通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊，終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包如圖12所示，數(shù)據(jù)包的包頭為AA包尾為55。

數(shù)據(jù)處理終端接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行FFT運算并且計算出其基頻，數(shù)據(jù)處理終端界面如圖13所示，該界面包括拉索振動的頻譜分析圖、控制菜單和基頻數(shù)據(jù)。圖中所示檢測到的基頻數(shù)據(jù)分別為：0.847 5，0.632 4，0.481 3，0.324 6，0.205 7。

為了驗證系統(tǒng)對采集到數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場處理數(shù)據(jù)與后期處理數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。在實地測量之后，將存放在SD卡中的加速度數(shù)據(jù)隨機(jī)抽取兩組，并用Matlab軟件進(jìn)行快速傅里葉變換，得到如圖14、圖15的頻譜圖，與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對照，得出第一組數(shù)據(jù)的基頻：0.823 6，第二組數(shù)據(jù)的基頻：0.627 8。與數(shù)據(jù)處理模塊所得數(shù)據(jù)基本一致。

通過在跨瀏陽河洪山大橋的實地檢測后，驗證了基于ZigBee無線組網(wǎng)索力測量系統(tǒng)的可行性。

3 ?結(jié) ?論

采用抗干擾能力強(qiáng)的ZigBee自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳輸，通過STM32處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理及顯示設(shè)計實現(xiàn)了基于ZigBee無線組網(wǎng)的橋梁索力測量系統(tǒng)。系統(tǒng)整個網(wǎng)絡(luò)增減傳感器無需對系統(tǒng)進(jìn)行重新布線，對不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的橋梁都能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中采集，ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點可自動休眠和喚醒，

參考文獻(xiàn)

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2.2 ?實驗數(shù)據(jù)分析

終端每接收到一次數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)采集命令，就開始通過MEMS傳感器以相同的間隔連續(xù)采集64個數(shù)據(jù)，然后以數(shù)據(jù)包的形式通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊，終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包如圖12所示，數(shù)據(jù)包的包頭為AA包尾為55。

數(shù)據(jù)處理終端接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行FFT運算并且計算出其基頻，數(shù)據(jù)處理終端界面如圖13所示，該界面包括拉索振動的頻譜分析圖、控制菜單和基頻數(shù)據(jù)。圖中所示檢測到的基頻數(shù)據(jù)分別為：0.847 5，0.632 4，0.481 3，0.324 6，0.205 7。

為了驗證系統(tǒng)對采集到數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場處理數(shù)據(jù)與后期處理數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。在實地測量之后，將存放在SD卡中的加速度數(shù)據(jù)隨機(jī)抽取兩組，并用Matlab軟件進(jìn)行快速傅里葉變換，得到如圖14、圖15的頻譜圖，與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對照，得出第一組數(shù)據(jù)的基頻：0.823 6，第二組數(shù)據(jù)的基頻：0.627 8。與數(shù)據(jù)處理模塊所得數(shù)據(jù)基本一致。

通過在跨瀏陽河洪山大橋的實地檢測后，驗證了基于ZigBee無線組網(wǎng)索力測量系統(tǒng)的可行性。

3 ?結(jié) ?論

采用抗干擾能力強(qiáng)的ZigBee自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳輸，通過STM32處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理及顯示設(shè)計實現(xiàn)了基于ZigBee無線組網(wǎng)的橋梁索力測量系統(tǒng)。系統(tǒng)整個網(wǎng)絡(luò)增減傳感器無需對系統(tǒng)進(jìn)行重新布線，對不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的橋梁都能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中采集，ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點可自動休眠和喚醒，

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2.2 ?實驗數(shù)據(jù)分析

終端每接收到一次數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)采集命令，就開始通過MEMS傳感器以相同的間隔連續(xù)采集64個數(shù)據(jù)，然后以數(shù)據(jù)包的形式通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊，終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包如圖12所示，數(shù)據(jù)包的包頭為AA包尾為55。

數(shù)據(jù)處理終端接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行FFT運算并且計算出其基頻，數(shù)據(jù)處理終端界面如圖13所示，該界面包括拉索振動的頻譜分析圖、控制菜單和基頻數(shù)據(jù)。圖中所示檢測到的基頻數(shù)據(jù)分別為：0.847 5，0.632 4，0.481 3，0.324 6，0.205 7。

為了驗證系統(tǒng)對采集到數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場處理數(shù)據(jù)與后期處理數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。在實地測量之后，將存放在SD卡中的加速度數(shù)據(jù)隨機(jī)抽取兩組，并用Matlab軟件進(jìn)行快速傅里葉變換，得到如圖14、圖15的頻譜圖，與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對照，得出第一組數(shù)據(jù)的基頻：0.823 6，第二組數(shù)據(jù)的基頻：0.627 8。與數(shù)據(jù)處理模塊所得數(shù)據(jù)基本一致。

通過在跨瀏陽河洪山大橋的實地檢測后，驗證了基于ZigBee無線組網(wǎng)索力測量系統(tǒng)的可行性。

3 ?結(jié) ?論

采用抗干擾能力強(qiáng)的ZigBee自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳輸，通過STM32處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理及顯示設(shè)計實現(xiàn)了基于ZigBee無線組網(wǎng)的橋梁索力測量系統(tǒng)。系統(tǒng)整個網(wǎng)絡(luò)增減傳感器無需對系統(tǒng)進(jìn)行重新布線，對不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的橋梁都能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中采集，ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點可自動休眠和喚醒，

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