鄭俊光, 王建新
(廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,福建 廈門 361005)
建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控是土木工程重要的研究領(lǐng)域之一,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控是基于有線的通信技術(shù)進(jìn)行的[1],但是有線傳輸?shù)某杀据^高,而且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大,在一些復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中,進(jìn)行有線布置的困難日益突出,因此文中提出基于ZIGBEE的無線傳感網(wǎng)的橋梁監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)在不同環(huán)境下對橋梁各種緩慢變化參數(shù)的檢測,相比較傳統(tǒng)的有線監(jiān)控,在保證穩(wěn)定性,可靠性的同時,大大的延長了系統(tǒng)的壽命和系統(tǒng)布置的方便性。
ZIGBEE是一種網(wǎng)絡(luò)容量大,節(jié)點(diǎn)體積小,低復(fù)雜度,低速率,低功耗的短距離無線通信技術(shù),是一組基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。在ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)根據(jù)功能的不同可以分為兩類:全功能設(shè)備節(jié)點(diǎn)(FFD)和簡化功能設(shè)備(RFD)。FFD實現(xiàn)了IEEE802.15.4協(xié)議的全集,而RFD為了減少能量消耗只實現(xiàn)了 IEEE802.15.4協(xié)議中的一部分[2-3]。而這兩種不同功能的節(jié)點(diǎn)組成ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中的3種邏輯設(shè)備類型:協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動整個網(wǎng)絡(luò),是網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備。協(xié)調(diào)器也可以用來協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中安全層和應(yīng)用層的綁定;路由節(jié)點(diǎn)主要協(xié)助終端節(jié)點(diǎn)的通信,終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集的發(fā)送。根據(jù)3種邏輯器件在網(wǎng)絡(luò)中的不同作用,協(xié)調(diào)器和路由器只能由FFD組成,而終端設(shè)備可以由FFD或者RFD組成。
以上簡單地分析了ZIGBEE的性能,可以發(fā)現(xiàn)它是非常合適應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的。
文中的設(shè)計目標(biāo)是在橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)中通過搭建一個基于ZIGBEE的無線傳感網(wǎng)絡(luò),通過無線網(wǎng)絡(luò)把傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳傳回PC端,實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)健康情況進(jìn)行實時監(jiān)控。接下來主要從系統(tǒng)的節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬煞矫孢M(jìn)行討論。
由于本系統(tǒng)應(yīng)用在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸,根據(jù)其特點(diǎn),在設(shè)計本系統(tǒng)過程中,從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面充分地考慮了系統(tǒng)的節(jié)能,從而最大程度的延長無線系統(tǒng)的壽命。
1.1.1 硬件節(jié)能設(shè)計
硬件方面,傳感器節(jié)點(diǎn)上采用Atmega 128單片機(jī)采集和存儲數(shù)據(jù),該芯片是8位的低功耗CMOS處理器;路由器節(jié)點(diǎn)上采用的是TI公司的TS320C5509A定點(diǎn)低功耗DSP,該芯片在處理速度高達(dá)600 MI/s的同時,功耗低至0.05 mw,因此很適合用于無線通信領(lǐng)域;射頻模塊采用的是 Chipcon公司的 CC2430芯片,它是第一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案,該芯片具有超低功耗,當(dāng)控制內(nèi)核運(yùn)行在32 MHz時,其接收電流損耗和傳輸電流損耗分別為 27 mA和 25 mA,在休眠模式下僅有0.9 μA,待機(jī)模式下更是低于0.6 μA[4]。以上從硬件方面選擇了適合應(yīng)用在無線傳輸領(lǐng)域的低功耗芯片。
1.1.2 軟件節(jié)能設(shè)計
軟件方面,采用的是基于IEEE 802.15.4無線個人網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的ZIGBEE協(xié)議棧,該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是專門為短距離無線局域網(wǎng)設(shè)計的,具有超低功耗的特點(diǎn)。在低耗電待機(jī)模式下,2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點(diǎn)工作 6~24個月,甚至更長,因此滿足無線傳感網(wǎng)。
在文中的系統(tǒng)設(shè)計中,鑒于橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性--要對長達(dá)幾百米的橋梁進(jìn)行監(jiān)控,首先要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪聿贾谜麄€網(wǎng)絡(luò)。ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中有3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星狀拓?fù)?、樹簇狀拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)洹?/p>
應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的無線傳感網(wǎng),由于需要的節(jié)點(diǎn)多,不合適采用星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),同時,終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到路由器,路由器經(jīng)過多跳把數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器,這并不要求任意兩個節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,因此也不適合采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。鑒于以上情況,本設(shè)計采用既滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量大又具有較低復(fù)雜度的樹簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。橋梁的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
整個工作流程如下:協(xié)調(diào)器啟動一個網(wǎng)絡(luò)之后,發(fā)出一個廣播信號,當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)收到這個信號之后向傳感器發(fā)送一個ACK加入網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)把采集的信號傳送到它的上級路由器,路由器節(jié)點(diǎn)完成一些相關(guān)的數(shù)據(jù)出來后經(jīng)過多跳把數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器。
本系統(tǒng)硬件主要由3大部分組成:傳感器節(jié)點(diǎn)部分、路由器節(jié)點(diǎn)部分和協(xié)調(diào)器部分。傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集的傳輸,路由器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和中轉(zhuǎn),協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和進(jìn)行整個網(wǎng)絡(luò)的管理[5]。由于各個部分的功能不同,決定了它們的硬件組成也有所不同。
傳感器器節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的主要任務(wù)是:采集橋梁結(jié)構(gòu)健康的相關(guān)數(shù)據(jù),經(jīng)過放大模塊把采集的電壓值放大,濾波模塊,然后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換把數(shù)據(jù)傳給Atmega128存儲并做簡單的數(shù)據(jù)處理,最后通過CC2430把數(shù)據(jù)發(fā)給路由節(jié)點(diǎn)。根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)實現(xiàn)的功能,將其硬件結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集電源、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
本系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)都是利用電池供電,由于電壓的穩(wěn)定性比較差,因此必須使用電源管理芯片來提供穩(wěn)定的工作電壓,確保系統(tǒng)正常工作。本系統(tǒng)選擇的穩(wěn)壓芯片是 BL8530,電池經(jīng)過 BL8530后為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的 5 V電壓。5 V電壓經(jīng)過TPS79530后降為3 V,為ADS8341的Vref提供穩(wěn)定的參考電壓,而TPS79533為Atmega 128和CC2430提供3.3 V的工作電壓。
相比較傳感器節(jié)點(diǎn),路由器最大的特點(diǎn)是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線計算,因此在路由器節(jié)點(diǎn)上需要一個具有高速計算能力的 CPU,現(xiàn)采用的是具有高性能、低功耗的 TMS320VC5509DSP芯片[6]。數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器節(jié)點(diǎn)傳到路由器端的 CC2430,CC2430通過 UART異步串口與DSP進(jìn)行通信,在DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理(FFT,卡爾曼濾波,AR算法,LQR算法),處理后的數(shù)據(jù)再傳到CC2430,進(jìn)過多跳最后送到協(xié)調(diào)器。路由器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
同上面分析,電源管理模塊確保電路的穩(wěn)定工作。TPS73HD301是雙輸出變壓芯片,輸出電壓為1.6 V和3.3 V,其中1.6 V為TMS320VC5509DSP的內(nèi)核芯片供電,3.3 V則為5509DSP的I/O口供電。
相比較傳感器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)器的結(jié)構(gòu)比較簡單,主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接受并通過串口于pc端進(jìn)行信息交互,不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理工作。由于協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)和傳感器大體相同,這里就不再介紹。
與硬件設(shè)計相對應(yīng),本系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為無線收發(fā)模塊和節(jié)點(diǎn)采集處理模塊。節(jié)點(diǎn)采集處理模塊首先對傳感信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,然后將得到的數(shù)字信號儲存起來并做相關(guān)的處理,限于篇幅,這里不對節(jié)點(diǎn)采集處理模塊進(jìn)行深入的討論。下面主要討論的是系統(tǒng)的無線收發(fā)模塊的設(shè)計。
由1章可知,協(xié)調(diào)器的主要任務(wù)是建立網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。首先,協(xié)調(diào)器掃描到一個空信道后自動生成一個 PAN AD,設(shè)置協(xié)調(diào)器的短地址為0X0000并選擇網(wǎng)絡(luò)傳輸信道,網(wǎng)絡(luò)建立成功;啟動廣播機(jī)制,然后判斷是否有新節(jié)點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò),如果有要為其分配16位的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址,為接下來的通信做準(zhǔn)備。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程如圖4所示。
傳感器節(jié)點(diǎn)首先負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和存儲,然后進(jìn)行簡單的處理后將其發(fā)送至路由器節(jié)點(diǎn)。具體工作流程如下:首先傳感器節(jié)點(diǎn)上電后開始掃描網(wǎng)絡(luò)中是否有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器存在,當(dāng)收到協(xié)調(diào)器的 ACK后,傳感器節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送自己的64位物理地址,申請加入網(wǎng)絡(luò),然后協(xié)調(diào)器根據(jù)傳感器加入網(wǎng)絡(luò)的先后為其分配16位的網(wǎng)絡(luò)短地址,此時傳感器節(jié)點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò)成功。為了減少能量消耗,傳感器節(jié)點(diǎn)采取需求喚醒工作機(jī)制。傳感器節(jié)點(diǎn)流程如圖5所示。
文中基于ZIGBEE無線標(biāo)準(zhǔn)[7],設(shè)計了適合運(yùn)用在大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)絡(luò),具有低成本,低功耗,高可靠性,高安全性等特點(diǎn)。本設(shè)計從硬件設(shè)計到軟件設(shè)計都充分的考慮了系統(tǒng)的節(jié)能,最大程度延長了無線傳感網(wǎng)的壽命。系統(tǒng)采用樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),減少了復(fù)雜度的同時滿足節(jié)點(diǎn)的大容量需求,特別適合運(yùn)用在橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控。隨著ZIGBEE無線技術(shù)的發(fā)展,相信將更廣泛的服務(wù)人們的生活。
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