0 引言
橋梁建設和維護是國家基礎設施的重要組成部分，在國家建設和人民生活中發(fā)揮著重要作用。橋梁結構的安全性與耐久性受到人們高度重視，在現代橋梁工程領域中有關橋梁的健康監(jiān)測、安全評估以及壽命預測等已經成為當前橋梁工程界和民用工程領域一個新的熱點技術問題。
傳統(tǒng)的實現監(jiān)測的方式是基于有線的傳感器數據采集。但這種監(jiān)測方式有許多重要缺陷，最主要的原因是傳感器設備必須通過電纜連接到中心數據采集單元。其一，鋪設的大量電纜不僅昂貴而且耗時；其二，測試電纜要預先埋入結構層。這不僅增加了承包商和工程設計師的工作量，同時也會遇到電纜損壞這個大問題。所以，采用無線的方式用于結構健康監(jiān)測是必然。故用ZigBee無線模塊傳感器網絡實現結構健康監(jiān)測是結構健康的趨勢。
針對傳統(tǒng)橋梁結構檢測數據采集方式存在問題，本論文提出基于ZigBee 橋梁結構健康ZigBee數據采集方式，實現無線、遠程ZigBee數據采集功能。ZigBee數據采集終端系統(tǒng)，由傳感節(jié)點與匯聚網關節(jié)點構成。傳感節(jié)點獲取應變、撓度等信息量，把這些信息發(fā)送至網關節(jié)點；網關節(jié)點匯聚各傳感節(jié)點發(fā)送的數據，然后通過GPRS 連入Internet，并將這些數據發(fā)送至遠程端，為進一步數據分析做好鋪墊。
1 總體設計
本橋梁監(jiān)測系統(tǒng)中的無線傳感器網絡包括適量的傳感器節(jié)點（Sensor Node）和基站（Sink Node），通信協議為ZigBee；管理節(jié)點(上位機)為監(jiān)測系統(tǒng)終端，采用GPRS 和基站通信。大量傳感器節(jié)點部署在橋面、橋墩等重點測點，如橋梁結構的高應力區(qū)、反復應力作用區(qū)以及易損部位，能夠通過自組織方式構成網絡。傳感器節(jié)點的監(jiān)測數據沿著其他傳感器節(jié)點逐跳的進行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數據可能被多個節(jié)點處理，經過多跳后路由到基站，最后通過GPRS 到達管理節(jié)點。橋梁維護人員通過管理節(jié)點對傳感器網絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務以及收集監(jiān)測數據。
ZigBee 是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3 個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s 和40kbit/s 的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m 的范圍內,但可以繼續(xù)增加。由此，通過ZigBee 實現節(jié)點之間以及節(jié)點與基站間的通信，通過GPRS 實現基站和上位機之間的通信。總體結構如圖1
圖1 橋梁監(jiān)測系統(tǒng)網絡結構
2 傳感器節(jié)點
2.1 節(jié)點硬件
傳感器節(jié)點為自行設計并制板。傳感器節(jié)點在硬件上由兩個模塊組成，一個模塊是運算和通信平臺，另一個模塊是傳感器平臺，兩個模塊各自成板，之間通過SPI 接口進行連接。這種方式可以把采集部分和傳輸部分分開，使不同通信平臺和不同傳感器平臺之間自由組合，有利于日后升級系統(tǒng)和隨需應變。無線傳感器網絡微型節(jié)點采用主流設計思想院即由數據采集單元（傳感器板）、數據處理單元、數據傳輸單元（運算和通信平臺-CCB）和電源管理單元4 部分組成，如圖2 所示。
圖2 傳感器節(jié)點硬件結構圖
選用的傳感器都為數字式傳感器院壓力傳感器MS5534 和兩維數字加速度計ADXL202。數據處理單元是無線傳感器網絡節(jié)點的計算核心。采集環(huán)境參數信號，需要采樣率很高、數據量大，因此選擇了TI 公司的MSP430 系列單片機MSP430F149 作為MCU，選用了CY62512V、64K*8bit 的RAM，AM29F032B 等芯片。數據傳輸單元模塊電路選用Chipcon 公司在2003 年底推出的一款兼容2.4GHz IEEE802.15.4 的ZigBee無線模塊CC2420 芯片。CC2420 基于Chipcon 公司的SmartRF 03 技術，具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線等極少外部元器件，便可確保短距離通信的有效性和可靠性，包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee數傳模塊產品的RF 器件。數據傳輸單元模塊支持數據傳輸率達250Kbps，實現了多點對多點的快速組網，系統(tǒng)體積小、成本低、功耗小，適于電池長期供電。
電能是傳感器網絡最珍貴的資源，它決定著傳感器網絡的壽命。節(jié)點的電能一旦耗盡，即宣布其壽命到期并退出網絡，由剩下的節(jié)點再重新組網。因此節(jié)點的電源管理非常重要。在本設計中采用多路器芯片ADG715BRU 在I2C 總線的控制下選通所用到的傳感器，沒有用到的傳感器不帶電，以達到在無數據采集任務時及時關閉電源、節(jié)省電能的目的。
2.2 節(jié)點軟件
傳感器節(jié)點上的軟件基于TinyOS。TinyOS 是構建可靠無線網格網絡的一個有效的和模塊化的嵌入式軟件平臺，最初是由美國加州大學伯克利分校開發(fā)的，現在是許多無線傳感器網絡的標準。通信協議采用ZigBee。
ZigBee 的基礎是IEEE 802.15.4，但802.15.4 僅處理低級MAC 層和物理層協議，因此ZigBee 聯盟擴展了802.15.4，對其網絡層協議和API 進行了標準化。選擇ZigBee無線模塊的原因為，橋梁監(jiān)測的的數據采集網點眾多，但數據的傳輸量不大，且要求數據傳輸可靠性和安全性高，ZigBee數傳模塊符合上述要求。微型節(jié)點上的軟件負責完成橋梁監(jiān)測現場數據的ZigBee數據采集以，通過ZigBee數傳模塊將采集的數據包無線傳送。微型節(jié)點遵循休眠、被喚醒、正常工作的工作模式。在休眠狀態(tài)下，處理器停止工作，而RAM、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，ZigBee無線模塊處于低電流的接收狀態(tài)。在ZigBee模塊接收到Sink 節(jié)點發(fā)出的命令后，微型節(jié)點被喚醒，處理器對命令進行節(jié)點號判斷，如果命令的對象是當前微型節(jié)點，則微型節(jié)點進入工作狀態(tài)，否則微型節(jié)點對命令進行轉發(fā)后再次進入睡眠狀態(tài)。具體節(jié)點的軟件操作流程如圖3 所示。
圖3 傳感器節(jié)點軟件操作流程
3 基站
基站即公用移動通信基站是無線電臺站的一種形式，是指在一定的無線電覆蓋區(qū)中，通過移動通信交換中心，與移動電話終端之間進行信息傳遞的無線電收發(fā)信電臺。移動通信基站的建設是我國移動通信運營商投資的重要部分，移動通信基站的建設一般都是圍繞覆蓋面、通話質量、投資效益、建設難易、維護方便等要素進行。隨著移動通信網絡業(yè)務向數據化、分組化方向發(fā)展，移動通信基站的發(fā)展趨勢也必然是寬帶化、大覆蓋面建設及IP 化。基站用來集中從各節(jié)點搜集的數據，集中處理然后通過GPRS 把數據傳輸給上位機。它是WSN 與外部世界的網關。基站掌握每個節(jié)點的信息并進行適當的節(jié)點維護。有一定的內置故障分析程序和脫離上位機的現場實時分析程序。一個基站的選擇，需從性能、配套、兼容性及使用要求等各方面綜合考慮，其中特別注意的是基站設備必須與移動交換中心相兼容或配套，這樣才能取得較好的通信效果。基站子系統(tǒng)主要包括兩類設備院基站收發(fā)臺(BTS)和基站控制器(BSC)
3.1 基站硬件
基站目前先采用開發(fā)板+RF 板模式，RF 板即為傳感器節(jié)點中的運算和通信平臺板（CCB），通過SPI 接口和開發(fā)板相連。待技術成熟后再開發(fā)適合于此應用的特定目標板。硬件配置具體如下院ARM9 系列S3C2410 開發(fā)板，M100A GPRS 模塊，運算和通信平臺板。包括處理器子系統(tǒng)、無線通信子系統(tǒng)等，其中，無線通信子系統(tǒng)包括院
1）與傳感器節(jié)點的ZigBee數傳模塊通信單元。這部分采用傳感器節(jié)點的運算及通信平臺（CCB），通過USB 接口和開發(fā)板（DB）連接，實現數據從CCB 到DB 的傳輸。采用這樣的設計而不是另行設計RF 通信板是因為可以增加通用性并且基站端不需要重新編寫RF 部分程序，只需編寫和USB 接口有關的程序即可實現數據讀取
2）與上位機的GPRS 通信單元。GPRS 采用M100A 模塊，M100A 和開發(fā)板通過接口相連。這樣，最大的簡化了基站端的硬件設計，通過采用已經成熟的硬件來驗證可行性，待技術成熟后再設計特定的基站目標板會更好。
3.2 基站軟件
基站采用Linux 操作系統(tǒng)，根據橋梁監(jiān)測系統(tǒng)的要求，需要對應的應用程序來完成系統(tǒng)功能。上層的應用程序包括系統(tǒng)狀態(tài)設置單元、節(jié)點維護單元、數據接收單元、數據處理單元、數據發(fā)送單元。基站的輸出頻率，把由頻率合成器提供的頻率為766.9125-791.8875MHz 的載頻信號與168.1MHz 的已調信號，分別經濾波進入雙平衡變頻器，并獲得頻率為935.0125-959.9875MHz 的射頻信號，此射頻信號再經濾波和放大后進入驅動級，驅動級的輸出功率約2.4W，然后加到功率放大器模塊。功率控制電路采用負反饋技術自動調整前置驅動級或推動級的輸出功率以使驅動級的輸出功率保持在額定值上。也就是把接收到的信號加以穩(wěn)定再發(fā)送出去，這樣可有效地減少或避免通信信號在無線傳輸中的損失，保證用戶的通信質量。功率放大器模塊的作用是把信號放大到10W，不過這也依據實際情況而定，如果小區(qū)發(fā)射信號半徑較大，也可采用25W 或40W 的功放模塊，以增強信號的發(fā)送半徑。在開發(fā)板上的Flash 中有一部分作為數據存儲池使用，FIFO 模式。由CCB 接收的數據通過USB 存放到開發(fā)板Flash 的特定區(qū)域（存儲池）中，當數據存儲區(qū)使用50%時將觸發(fā)中斷信號，應用程序將讀出數據并把數據傳給GPRS 模塊，并由GPRS 模塊實現向上位機的傳輸，具體見圖4 和圖5。
圖4 節(jié)點與基站數據通信軟件流程
圖5 節(jié)點維護軟件流程
4 結語
通過利用實驗室內的橋梁模型，驗證了結構健康監(jiān)測的需求可以通過ZigBee模塊傳感器網絡來實現橋梁健康信息的ZigBee數據采集，并且相對于有線方式來講，無線網絡可以布更多的點而不會出現大量的線纜，成本增加不顯著；冗余性好，在一個關鍵點失效后可以通過上位機指令用冗余節(jié)點快速替代，而傳統(tǒng)的有線方式在一個地方布多個節(jié)點會導致線纜大幅增加；結構參數具有整體性，有線的方式只能把數據集中到上位機處理，傳感器節(jié)點之間互通性不好，而無線網絡節(jié)點可以互相協調，增加數據傳輸效率。整個系統(tǒng)基本達到了低成本和便捷性的要求。開發(fā)板上有以太網口提供，在數據量大或GPRS 不方便使用時用來替代完成向上位機的數據傳輸任務。由此，在將來開發(fā)基站硬件時，可以考慮加上高速以太網（FastEthernet）接口，使在能夠接入有線網絡的監(jiān)控場合采用此接口，一來可以提高數據傳輸速率，二來可以降低成本及增加可靠性。