摘  要: 通过对桥梁无线监测系统的分析,在研究ZigBee的IEEE802.15.4标准通信协议的基础上,提出了基于ZigBee无线传感器网络的桥梁监测系统架构,设计了桥梁无线网络监测系统数据采集与传输的软硬件,实现了监测信号的获取和无线传输。 

　　关键词:  ZigBee; 无线传感器网络;  桥梁监测 

　　桥梁监测是通过测量桥梁的环境参数和自身的结构参数来监测桥梁的运行状态,对于检验设计参数、进行桥梁方面的科学研究等有着重要意义。稳定可靠的数据采集和传输系统对于保证监测系统的长期运行至关重要,同时是获取有效、可靠的监测数据的前提。ZigBee技术则是一种近距离、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,可以嵌入到各种设备中,同时支持地理定位功能。它充分利用了IEEE802.15.4标准,用于建立可靠的、高性价比的、低功耗的实时监测和控制的无线网络,ZigBee与Bluetooth相比具有更低的功耗和成本,能够最大限度地延长电池的使用寿命。 

　　本文主要介绍了在建筑工程领域桥梁监测系统中的应用设计,利用多种传感器无线节点组成ZigBee无线网络,实现桥梁的振动、位移、应变信号数据的自动采集和传输,由于使用无线网络传感技术,大大减小了现场布线的工作量,使得监测施工十分方便快捷。 

1 基于ZigBee的无线网络桥梁监测系统架构 

　　802.15.4协议的网络拓扑结构有三种类型:星型结构、网格状结构和簇状结构,其中网格状结构和簇状结构属于点对点的结构,如图1所示。在星型结构中,所有节点设备与中心设备协调器通信,网络协调器功耗较大。与星型网络不同,点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内,任何两个设备之间都可以直接通信。在网络中,根据设备所具有的通信能力,可以分为全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以直接通信。但RFD设备之间不能直接通信。在IEEE802.15.4网络中,有一个称为PAN网络协调器(PAN coordinator)的FFD设备,它是网络中的主控制器。PAN网络协调器(简称网络协调器)除了直接参与应用以外,还要实现成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。 

　　本文采用了星型网络,主要考虑到星型网络所需的协调器数量少,而协调器的功耗是普通设备功耗的几十倍甚至上百倍,采用星型网络可大大降低监测网络群体的总体功耗。另外,点对点网络各网段设备间数据的传输要经过其他协调器,协调器内部的路由列表复杂,不易维护和实时管理。系统体系结构如图2所示,主要由ZigBee无线传感器节点、中心协调器和远程控制中心组成。其中A、B、C、D传感器节点为RFD设备,中心协调器为FFD设备,A、B、C、D传感器节点向中心协调器发送数据,中心协调器收集各个传感器节点数据后传输到远程控制中心。 

2 ZigBee无线传感器网络节点硬件设计 

2.1总体设计 

　　桥梁监测系统包括传感器信号采集系统、数据传输系统和数据分析与管理系统三个部分。数据采集和传输子系统是整个桥梁监测系统的终端设备,其主要功能是对各种传感器信号进行采集、传输和保存,该部分即是传感器网络节点。模块设计主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分组成,如图3所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制信息和收发采集数据;电源模块为传感器节点提供运行所需的能量,通常采用微型电池。 

2.2 硬件实现 

　　目前对桥梁而言,主要监测各承重部位的载荷与应变情况,有各种传感器可供选择。本监测系统数据采集终端的传感器仅以加速度传感器MMA7260为例。终端由MMA7260芯片及相应的信号调理电路、配以符合IEEE802.15.4标准的飞思卡尔公司MC13192射频收发调制解调器和低功耗的MCU芯片MC9S08GT60 控制器组成。A/D转换器采用MCU芯片内部集成的ADC,其中MC9S08GT60负责数据采集和协议解析,MC13192主要完成物理层协议控制和数据收发。 

　　MMA7260是飞思卡尔公司三轴加速度传感器,可用来检测X,Y,Z轴方向的加速度,以类比电压来表示所检测的加速度的大小。它也可以作为一种用于测量倾角角度的仪器。由于任何空间结构都存在三个平动、三个转动共六个自由度,而一旦结构受到约束,则平动与转动之间总是存在一定的对应关系。如果能根据某个桥梁结构对象的具体条件求出转动与平动的关系,即可以用加速度传感器实现桥梁变形监测。在桥梁监测中,加速度传感器具有安装方便,使用灵活、容易确立基准、能适合恶劣环境下长期工作等优点。 

　　硬件电路主要包括射频接口电路、处理器接口电路和传感器应用电路,其电路连接图如图4所示。主要设计在于MCU对MC13192的控制,MC13192外接16MHz的晶振提供芯片工作所需的时钟,芯片本身具有可编程输出时钟向MC9S08GT60提供所需的时钟,这里同样设置为16MHz。MC13192与处理器的连接非常简便。它使用IRQB0、ATTN和RXTXEN三个引脚表示收发数据的状态;而处理器通过SPI接口与MC13192交换数据、发送命令等。MCU对MC13192 的大部分操作都是以中断服务程序的形式来实现

的,采用电平触发的方式,在中断触发后,中断服务程序通过读取中断状态寄存器的相应位来确定进行何种操作。 

3 ZigBee无线网络软件设计 

　　ZigBee协议栈基于开放系统互连模型(OSI),由一系列的分层结构组成,每一层为上一层提供服务。本设计系统软件也分为三层结构:驱动层、协议层和应用层,其结构如图5所示。驱动层提供系统硬件驱动程序,为上层提供相应的接口函数,所有对硬件的控制都通过该层来实现。协议层包括了基于802.15.4协议的物理层、数据链路层和网络层。应用层调用协议层提供的服务,实现具体的任务操作,完成网络的管理和数据的传输。 

3.1驱动层的设计 

　　驱动层的设计主要是对SPI的驱动和对MC13192的驱动,通过对其寄存器的读写操作来实现。MCU对MC13192的行为及数据传送的控制都是通过 MC13192的4线SPI 模块完成的,SPI 的数据交换被分成两个部分,一部分为头信息,头信息部分固定为8位,另一部分为2字节的整数倍的有效数据域。对于简单的读写模式,一次 SPI 数据交换有24位数据信息。 

　　MC13192内部有48个寄存器^[1],包括控制/状态寄存器、命令选通寄存器和访问收发FIFO缓存区的寄存器。控制/状态寄存器都是16位的,写这些控制/状态寄存器可以控制MC13192的工作方式,如选择工作频率、地址识别模式等。读这些寄存器可以查询MC13192的工作状态。每个命令选通寄存器的地址相当于一条MC13192可以执行的指令,当MC13192接收到写命令选通寄存器的地址信息字以后,会启动MC13192内部操作,如开始发送数据、启动或停止振荡器等。 

3.2协议层的设计 

　　协议层[2]包括了物理层、数据链路层和网络层。物理层主要负责对 MC13192 的管理以及物理层数据的发送和接收,物理层向上层提供了一系列对MC13192芯片功能实现的函数,上层通过这些函数接口就可以直接实现所需要的功能,而不必关心这些功能具体是怎么实现的,这些功能包括:数据请求、状态切换、信道能量检测与选择、计数器设置以及芯片复位等操作。 

　　MAC层提供两种服务:MAC层数据服务(MCPS)和MAC层管理服务(MLME)。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发,后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。 

　　网络层主要完成网络的组建以及管理网络成员等功能。本方案中的网络拓扑是星型网络,因此不存在路由等比较复杂的问题。网络协调者的网络层协议具有新建网络的功能,在新建网络之前,网络协调者必须先对周围的无线环境进行检测,然后才进行具体的网络配置工作。下面简要介绍非信标使能网络的建立过程^[3],图6为网络协调器建立网络流程,图7为终端设备加入网络流程。

3.3应用层的设计 

　　应用层软件包括数据采集端应用软件和网络协调器的应用软件设计。通过对整个系统的需求分析可知,各个数据采集端长时间处于非工作状态,当需要数据采集的时候,主控制中心发送数据请求信号来通知无线网络协调器进行工作,网络协调器通知各个数据采集端,数据采集端先解析请求命令中所要传输的数据量,然后采集并发送相应的数据,发送完毕后自动进入低功耗状态,等待下个命令的激活。数据采集端应用程序流程图如图8所示。针对系统定期检测的要求,数据采集端实际上长时间处于低功耗的状态,电池供电能够满足要求。

　　网络协调器是整个无线网络的核心,应用层的功能是将控制中心主机端监控程序发送的数据请求信号发送出去,另外还要接收数据采集端的数据并上传给主机。具体实现过程如下:首先,网络协调器系统初始化后开中断,完成后系统进入睡眠模式,当主机端发出数据请求命令时,此时将会触发系统的串口中断激活系统,然后中断服务程序将系统置为发送命令状态,先解析命令信号,接着将命令信号打包发送出去,发送成功后将进入等待接收数据模式,此后,如果有数据发送过来,就直接将数据通过串口上传给主机,这样就完成了系统的一次数据传输。其程序流程如图9所示。 

4 测试结果 

　　应用设计的三块ZigBee网络节点模块组成ZigBee无线网络测试平台,其中一块作为协调器,通过串口与PC机直接相连,另两块作为网络节点。采用8位A/D转换器,在PC机上得到加速度传感器的数据如图10所示,第一行是加速度传感器的输出电压,第二行是A/D转换器的输出结果(范围0～255),第三行是转换为加速度的结果。 

　　本文在研究ZigBee无线网络技术的基础上,构建了基于ZigBee协议的无线网络数据采集与传输方案,设计了加速度传感器采集终端,极大地降低了数据采集端的功耗,能够长时间稳定工作。这一设计方案解决了大量监测点的无线组网,在桥梁监测系统中得到了成功应用。 

参考文献 

[1] MC13192 Reference Manual. http://freescale.com,2004. 

[2] 802.15.4 MAC/PHY Software Reference Manual.Motorola,2005.