溫建+唐立軍+賀慧勇+張建仁+楊奇武+賓峰+彭艷云

摘 ?要： 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于ZigBee無(wú)線組網(wǎng)的橋梁索力測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TI公司的CC2530芯片組建無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用MEMS傳感器對(duì)橋梁多個(gè)拉索進(jìn)行布點(diǎn)，用STM32芯片組成控制處理模塊，實(shí)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(cè)數(shù)據(jù)采集麻煩問(wèn)題。該系統(tǒng)具有節(jié)點(diǎn)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(shì)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)效果較好。

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

中圖分類號(hào)： TN919?34; TP202 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 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(lái)我國(guó)橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，質(zhì)量問(wèn)題也是一個(gè)不可回避的問(wèn)題，及時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)量精度高， 在橋梁索力測(cè)量中廣泛使用[2]。傳統(tǒng)的橋梁索力測(cè)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(zhǎng)、建設(shè)成本高、可移動(dòng)性和擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)[3]。無(wú)線數(shù)據(jù)采集方式如WiFi、NRF903、GSM、藍(lán)牙等，分別存在節(jié)點(diǎn)功耗大、傳輸距離短、組網(wǎng)難度大、節(jié)點(diǎn)容量小等問(wèn)題[4]。本文利用ZigBee技術(shù)具有節(jié)點(diǎn)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(shì)[5]，采用數(shù)字接口的MEMS傳感器，設(shè)計(jì)橋梁索力測(cè)量系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)方便、快速、同步多點(diǎn)測(cè)量橋梁的多拉索的索力，及時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁的健康狀態(tài)。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橋梁跨度大，需要檢測(cè)的部分分散，必須在所有拉索上布置多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，若不采取無(wú)線方式，需要對(duì)所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行人工采集，將會(huì)耗時(shí)耗力。利用WiFi、NRF903、GSM、藍(lán)牙等無(wú)線數(shù)據(jù)采集方式，因節(jié)點(diǎn)功耗大、節(jié)點(diǎn)容量小等問(wèn)題使得組網(wǎng)難度大。本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)實(shí)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(jì)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(gè)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(guò)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(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將控制數(shù)據(jù)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的終端，對(duì)終端進(jìn)行喚醒、休眠的操作以及加速度計(jì)的數(shù)據(jù)采集，ZigBee終端采集加速度計(jì)的數(shù)據(jù)后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，再通過(guò)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(guò)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(chǔ)在設(shè)備上。

1.1 ?硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 ?ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)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(chǔ)器四個(gè)部分組成，如圖2所示。ZigBee模塊為該節(jié)點(diǎn)的核心模塊，負(fù)責(zé)管理節(jié)點(diǎn)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(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)，以及通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至其他節(jié)點(diǎn)等功能。

為使各節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定工作，需設(shè)計(jì)穩(wěn)壓模塊為各節(jié)點(diǎn)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(jì)，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(diǎn)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(wú)需采集數(shù)據(jù)的時(shí)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(dòng)頻率，該芯片與ZigBee模塊采用I2C協(xié)議通信，連線簡(jiǎn)單，占用I/O口少。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)，才允許正常的讀寫操作，該芯片用來(lái)存儲(chǔ)ZigBee模塊從加速度計(jì)采集來(lái)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(wú)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(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊主要由STM32控制系統(tǒng)、LCD觸摸屏、存儲(chǔ)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(guò)FSMC接口驅(qū)動(dòng)LCD屏、使用觸摸屏控制器檢測(cè)觸點(diǎn)坐標(biāo)、通過(guò)USART與ZigBee協(xié)調(diào)器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信以及通過(guò)SDIO與存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)，并且可以運(yùn)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(dòng)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(diǎn)之間的中轉(zhuǎn)站，其與 STM32控制系統(tǒng)通過(guò)UART通信，與ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無(wú)線通信。

1.2 ?軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(gè)無(wú)線索力測(cè)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(cè)結(jié)果的輸出，其軟件流程圖如圖7所示。

STM32通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)得到MEMS傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的加速度信號(hào)，得到拉索振動(dòng)信號(hào)，得到斜拉索拉力。計(jì)算方法為：通過(guò)FFT能獲得自功率頻譜圖，選FFT后頻譜圖上的峰值最高點(diǎn)為計(jì)算基礎(chǔ)（ 簡(jiǎn)稱為主振頻率f （n），以相鄰兩峰值點(diǎn)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(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng);[fn]為斜拉索的第n階自振頻率n為振動(dòng)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(gè)系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段，即：上位機(jī)通過(guò)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(guò)來(lái)之后便將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，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(gè)無(wú)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(shí)反復(fù)查詢是否收到上位機(jī)的采集數(shù)據(jù)的命令請(qǐng)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(gè)數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)采集終端收到命令后先對(duì)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(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器每收到一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)就立馬通過(guò)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(wú)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(yùn)行之后首先檢測(cè)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(shí)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(jì)的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)無(wú)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(dòng)進(jìn)入定時(shí)休眠狀態(tài)，等待下一次的自動(dòng)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(chǎng)應(yīng)用結(jié)果

2.1 ?現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)出了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。在實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試基礎(chǔ)上，將樣機(jī)在湖南省長(zhǎng)沙市洪山大橋上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。該橋是目前世界上跨度最大的豎琴式無(wú)背索斜塔斜拉橋，主跨206 m，寬度33.2 m。測(cè)試過(guò)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(guò)控制協(xié)調(diào)器組建一個(gè)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(guò)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，分別記錄200組橋梁拉索震動(dòng)數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(guò)MEMS傳感器以相同的間隔連續(xù)采集64個(gè)數(shù)據(jù)，然后以數(shù)據(jù)包的形式通過(guò)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(yùn)算并且計(jì)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(dòng)的頻譜分析圖、控制菜單和基頻數(shù)據(jù)。圖中所示檢測(cè)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(yàn)證系統(tǒng)對(duì)采集到數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場(chǎng)處理數(shù)據(jù)與后期處理數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。在實(shí)地測(cè)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(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(guò)在跨瀏陽(yáng)河洪山大橋的實(shí)地檢測(cè)后，驗(yàn)證了基于ZigBee無(wú)線組網(wǎng)索力測(cè)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(guò)STM32處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理及顯示設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee無(wú)線組網(wǎng)的橋梁索力測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)增減傳感器無(wú)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新布線，對(duì)不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的橋梁都能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中采集，ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)休眠和喚醒，

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2.2 ?實(shí)驗(yàn)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(guò)MEMS傳感器以相同的間隔連續(xù)采集64個(gè)數(shù)據(jù)，然后以數(shù)據(jù)包的形式通過(guò)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(yùn)算并且計(jì)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(dòng)的頻譜分析圖、控制菜單和基頻數(shù)據(jù)。圖中所示檢測(cè)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(yàn)證系統(tǒng)對(duì)采集到數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場(chǎng)處理數(shù)據(jù)與后期處理數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。在實(shí)地測(cè)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(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(guò)在跨瀏陽(yáng)河洪山大橋的實(shí)地檢測(cè)后，驗(yàn)證了基于ZigBee無(wú)線組網(wǎng)索力測(cè)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(guò)STM32處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理及顯示設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee無(wú)線組網(wǎng)的橋梁索力測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)增減傳感器無(wú)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新布線，對(duì)不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的橋梁都能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中采集，ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)休眠和喚醒，

參考文獻(xiàn)

[1] ZHUANG Xiao?qi， ZHANG Lijun， FANG Min ， et al. An embedded system of bridge stress monitoring based on ARM9 and ZigBee [C]// 2010 IEEE International Conference on Electrical and Control Engineering. [S.l.]： IEEE， 2010： 1211?1216.

[2] 張永梅，王凱峰，馬禮.基于ZigBee和GPRS的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2012：32?35.

[3] 吳康雄，劉克明，楊金喜.基于頻率法的索力測(cè)量系統(tǒng)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2006，19（2）：62?66.

[4] 劉新輝，張怡，柴清.基于ZigBee 和ARM的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2013（1）：91?92.

[5] LEE Jin?shyan， SU Yu?wei， SHEN Chung?chou. A comparative study of wireless protocols： bluetooth， UWB， ZigBee， and Wi?Fi [C]// The 33rd Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society. Taipei， Taiwan， China： ?IEEE Industrial Electronics Society， 2007： 46?51.

[6] 茍爭(zhēng)旭，周淵平.基于 GSM 和 ZigBee 的遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2011（8）：71?73.

[7] 王小強(qiáng)，歐陽(yáng)俊，黃寧淋.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[8] 孫弋.短距離無(wú)線通信及組網(wǎng)技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[9] 韓之江，楊建紅.橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與實(shí)施[J].公路，2008（3）：51?56..

[10] XIAO Hai?tao， GONG Yi?xuan. A data collection system in wireless network integrated WSN and ZigBee for bridge health diagnosis [C]// Proceedings of SICE Annual Conference. Tokyo， Japan： ?IEEE， 2011： 111?118.

2.2 ?實(shí)驗(yàn)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(guò)MEMS傳感器以相同的間隔連續(xù)采集64個(gè)數(shù)據(jù)，然后以數(shù)據(jù)包的形式通過(guò)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(yùn)算并且計(jì)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(dòng)的頻譜分析圖、控制菜單和基頻數(shù)據(jù)。圖中所示檢測(cè)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(yàn)證系統(tǒng)對(duì)采集到數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，將現(xiàn)場(chǎng)處理數(shù)據(jù)與后期處理數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。在實(shí)地測(cè)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(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(guò)在跨瀏陽(yáng)河洪山大橋的實(shí)地檢測(cè)后，驗(yàn)證了基于ZigBee無(wú)線組網(wǎng)索力測(cè)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(guò)STM32處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理及顯示設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee無(wú)線組網(wǎng)的橋梁索力測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)增減傳感器無(wú)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新布線，對(duì)不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的橋梁都能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中采集，ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)休眠和喚醒，

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[2] 張永梅，王凱峰，馬禮.基于ZigBee和GPRS的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2012：32?35.

[3] 吳康雄，劉克明，楊金喜.基于頻率法的索力測(cè)量系統(tǒng)[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2006，19（2）：62?66.

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[6] 茍爭(zhēng)旭，周淵平.基于 GSM 和 ZigBee 的遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2011（8）：71?73.

[7] 王小強(qiáng)，歐陽(yáng)俊，黃寧淋.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[8] 孫弋.短距離無(wú)線通信及組網(wǎng)技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[9] 韓之江，楊建紅.橋梁健康監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究與實(shí)施[J].公路，2008（3）：51?56..

[10] XIAO Hai?tao， GONG Yi?xuan. A data collection system in wireless network integrated WSN and ZigBee for bridge health diagnosis [C]// Proceedings of SICE Annual Conference. Tokyo， Japan： ?IEEE， 2011： 111?118.