李亮德　張延賀　王國慶　錢國明

摘 要：設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁線形自動監(jiān)測系統(tǒng)。傾角傳感器輸出信號采用差分方式放大，采用微處理器對傾角信號進(jìn)行過采樣，并對測量結(jié)果進(jìn)行溫度補償，進(jìn)一步提高測量精度。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點依據(jù)ZigBee協(xié)議組成簇狀網(wǎng)絡(luò)，通過喚醒的方式完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。GPRS網(wǎng)關(guān)將來自協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程服務(wù)平臺上，從而實現(xiàn)對橋梁線形的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：橋梁線形；ZigBee無線傳感器；過采樣；溫度補償

中圖分類號：TM932 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.098

橋梁的建設(shè)和維護(hù)是國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，而橋梁線形是評價橋梁健康狀況的重要指標(biāo)。通過實時監(jiān)測橋梁各個控制斷面的撓度，可以擬合得到其整體線形結(jié)構(gòu)。目前，對于橋梁傾斜角度、撓度等的測量，主要采用的是GPS傳感技術(shù)、光電成像傳感技術(shù)和激光圖像撓度傳感技術(shù)。但這些技術(shù)存在穩(wěn)定性低、成本高、維護(hù)難等問題，有必要對現(xiàn)行系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

由于橋梁變形曲線連續(xù)光滑，可以通過傾角傳感器測量橋梁縱向斷面的傾斜角度數(shù)值，擬合得到撓度曲線，從而得到橋梁線形結(jié)構(gòu)。該方法具有成本低、測量精度高、測點布設(shè)方便等優(yōu)點。同時，通過無線通信技術(shù)自組織形成網(wǎng)絡(luò)，可以協(xié)作感知、采集、處理和傳輸橋梁傾斜角度的信息，并最終把這些信息發(fā)送給橋梁管理部門，從而實現(xiàn)橋梁線形的自動監(jiān)測。本文在應(yīng)用傾角傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁線形監(jiān)測系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心3部分組成。ZigBee協(xié)議包括簇狀、星形、網(wǎng)狀3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了降低功耗和減少數(shù)據(jù)包的丟失，本系統(tǒng)采用簇狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。具體做法是將安放在橋梁不同位置的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點劃分為不同的簇，每個簇相當(dāng)于一個獨立的自組織網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以分為監(jiān)測節(jié)點、簇首節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點3種。其中，監(jiān)測節(jié)點負(fù)責(zé)橋梁傾角數(shù)據(jù)的感知與采集，數(shù)據(jù)以“最短路徑”原則沿著其他路由節(jié)點逐跳進(jìn)行傳輸，到達(dá)每個簇的簇首節(jié)點；簇首節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的融合，繼而發(fā)送到與GPRS網(wǎng)關(guān)相連的協(xié)調(diào)器節(jié)點；協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)對來自橋梁上不同位置的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總。GPRS網(wǎng)關(guān)以自定義的數(shù)據(jù)格式將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程管理平臺，遠(yuǎn)程管理平臺對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實現(xiàn)對橋梁線形的遠(yuǎn)程監(jiān)測。本監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要由傾角傳感器模塊、差分運放模塊、處理器模塊、供電模塊、ZigBee無線通訊模塊組成。差分運放模塊用于對傳感器輸出信號進(jìn)行預(yù)處理，消除共模電壓以及滿足處理器對輸入信號范圍的要求；供電模塊為整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點提供了能量支持；ZigBee無線通訊模塊用于實現(xiàn)與其他節(jié)點通信形成自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)。

為了實時監(jiān)測室外橋梁的形變狀態(tài)，系統(tǒng)應(yīng)該具有測量精度高、工作穩(wěn)定性能好、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等特點。因此，本系統(tǒng)的微處理器模塊采用MSP430，傾角傳感器模塊采用SCA103T，ZigBee無線通信模塊采用CC2530，結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

其中，SCA103T內(nèi)部集成了傾角傳感器和溫度傳感器。傾角傳感器將傾角信息轉(zhuǎn)化為差分模擬信號輸出，差分運放模塊主要由儀表放大器AD620組成，目的是將差分信號轉(zhuǎn)化為單端信號，降低共模抑制比。單端信號輸入到微處理器MSP430進(jìn)行過采樣A/D轉(zhuǎn)換，從而計算出傾角的大小。同時，MSP430通過SPI接口讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)，對傾角數(shù)值進(jìn)行溫度補償。

2.2 傳感器模塊

SCA103T的測量原理是利用加速度傳感器測其重力加速度，有2個模擬電壓輸出引腳，分別輸出2個傳感元件的加速度值，通過儀表放大器將差分信號轉(zhuǎn)化為單端信號，可顯著抑制共模信號，提高測量精度和穩(wěn)定性。傾斜角度可由下式求出：

（1）

式（1）中：Vout為傳感器差分輸出電壓，Vout=out1-out2；O為傳感器在傾斜角度為0°時的輸出電壓；S為傳感器的靈敏度。

2.3 處理器模塊設(shè)計

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在室外的橋梁中，電源節(jié)能是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)，因此我們采用TI公司推出的16位超低功耗微處理器MSP430F149。該微處理器采用了獨特的時鐘系統(tǒng)，能在低電壓下以多種低功耗模式運行，整機(jī)功耗遠(yuǎn)低于業(yè)界其他微處理器。而且該微處理器內(nèi)部擁有12位ADC模塊，儀表放大器的輸出信號經(jīng)過四分壓之后即可送入ADC模塊中采樣，避免了設(shè)計復(fù)雜的外圍ADC電路。

2.4 ZigBee無線通訊模塊設(shè)計

ZigBee無線通訊模塊采用了CC2530射頻收發(fā)器。CC2530射頻收發(fā)器具有多種低功耗運行模式，且運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，能進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。CC2530射頻收發(fā)器的諸多優(yōu)良特性，使其十分適用于本文的低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計。

3 微處理器軟件設(shè)計

MSP430微處理器主要完成模擬信號的過采樣、A/D轉(zhuǎn)換、讀取SPI接口的溫度數(shù)據(jù)、溫度補償、軟件濾波以及串口通信等工作。

3.1 溫度補償程序設(shè)計

通過對比不同溫度下SCA103T的測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的偏移，SCA103T的靈敏度—溫度曲線呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，影響了測量精度。利用MATLAB軟件對不同溫度下靈敏度的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到為靈敏度進(jìn)行補償?shù)姆匠淌剑?/p>

Scorr=-0.001 1T2+0.002 2T+0.0408.則校正之后的靈敏度為Scomp=S（1+Scorr/100）.

MSP430可以通過SPI接口讀取SCA103T內(nèi)部的溫度傳感器數(shù)據(jù)，從而對靈敏度進(jìn)行溫度補償。

3.2 過采樣程序設(shè)計

SCA103T輸出信號包含的噪聲近似為白噪聲，為改善SNR值，以提高測量精度，可通過軟件編程將MSP430內(nèi)部12位ADC的采樣精度提高到16位，在提高有效分辨率的同時簡化模擬電路。

4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件設(shè)計

當(dāng)協(xié)調(diào)器建立起ZigBee網(wǎng)絡(luò)之后，周圍的節(jié)點通過掃描可用信道的方式申請加入此網(wǎng)絡(luò)。為保證節(jié)點功耗低，在設(shè)計中通過喚醒的方式完成與協(xié)調(diào)器的連接以及發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，其他時間進(jìn)入低功耗模式，工作流程如圖3所示。

5 實驗測試

為了驗證設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，在實驗室搭建的測試平臺上布置了由協(xié)調(diào)器節(jié)點、多個路由器節(jié)點和監(jiān)測節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，成功實現(xiàn)了對橋梁線形的遠(yuǎn)程監(jiān)控。傳感器節(jié)點和ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)實物圖分別如圖4和圖5所示。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)將ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于橋梁線形遠(yuǎn)程監(jiān)測中，設(shè)計簇狀的傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案，在選取合適器件的基礎(chǔ)上完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計，通過過采樣、溫度補償?shù)葦?shù)據(jù)處理方法實現(xiàn)了對傾角的高精度測量，能有效地實現(xiàn)對橋梁線形的遠(yuǎn)程監(jiān)測。另外，本系統(tǒng)還可以應(yīng)用于可穿戴設(shè)備上的人體姿態(tài)測量、建筑施工測量、飛機(jī)慣性測量等行業(yè)。

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〔編輯：劉曉芳〕

文章編號：2095-6835（2017）08-0100-02