摘? 要: 通過對橋梁無線監測系統" title="監測系統">監測系統的分析,在研究ZigBee的IEEE802.15.4標準通信協議的基礎上,提出了基于ZigBee無線傳感器網絡的橋梁監測系統架構,設計了橋梁無線網絡監測系統數據采集" title="數據采集">數據采集與傳輸的軟硬件,實現了監測信號的獲取和無線傳輸。?

　　關鍵詞:? ZigBee; 無線傳感器網絡;? 橋梁監測?

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　　橋梁監測是通過測量橋梁的環境參數和自身的結構參數來監測橋梁的運行狀態,對于檢驗設計參數、進行橋梁方面的科學研究等有著重要意義。穩定可靠的數據采集和傳輸系統對于保證監測系統的長期運行至關重要,同時是獲取有效、可靠的監測數據的前提。ZigBee技術則是一種近距離、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術,可以嵌入到各種設備中,同時支持地理定位功能。它充分利用了IEEE802.15.4標準,用于建立可靠的、高性價比的、低功耗的實時監測和控制的無線網絡,ZigBee與Bluetooth相比具有更低的功耗和成本,能夠最大限度地延長電池的使用壽命。?

　　本文主要介紹了在建筑工程領域橋梁監測系統中的應用設計,利用多種傳感器無線節點組成ZigBee無線網絡,實現橋梁的振動、位移、應變信號數據的自動采集和傳輸,由于使用無線網絡傳感技術,大大減小了現場布線的工作量,使得監測施工十分方便快捷。?

1 基于ZigBee的無線網絡橋梁監測系統架構?

　　802.15.4協議的網絡拓撲結構有三種類型:星型結構、網格狀結構和簇狀結構,其中網格狀結構和簇狀結構屬于點對點的結構,如圖1所示。在星型結構中,所有節點設備與中心設備協調器" title="協調器">協調器通信,網絡協調器功耗較大。與星型網絡不同,點對點網絡只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內,任何兩個設備之間都可以直接通信。在網絡中,根據設備所具有的通信能力,可以分為全功能設備(FFD)和精簡功能設備(RFD)。FFD設備之間以及FFD設備與RFD設備之間都可以直接通信。但RFD設備之間不能直接通信。在IEEE802.15.4網絡中,有一個稱為PAN網絡協調器(PAN coordinator)的FFD設備,它是網絡中的主控制器。PAN網絡協調器(簡稱網絡協調器)除了直接參與應用以外,還要實現成員身份管理、鏈路狀態信息管理以及分組轉發等任務。?

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　　本文采用了星型網絡,主要考慮到星型網絡所需的協調器數量少,而協調器的功耗是普通設備功耗的幾十倍甚至上百倍,采用星型網絡可大大降低監測網絡群體的總體功耗。另外,點對點網絡各網段設備間數據的傳輸要經過其他協調器,協調器內部的路由列表復雜,不易維護和實時管理。系統體系結構如圖2所示,主要由ZigBee無線傳感器節點" title="傳感器節點">傳感器節點、中心協調器和遠程控制中心組成。其中A、B、C、D傳感器節點為RFD設備,中心協調器為FFD設備,A、B、C、D傳感器節點向中心協調器發送數據,中心協調器收集各個傳感器節點數據后傳輸到遠程控制中心。?

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2 ZigBee無線傳感器網絡節點硬件設計?

2.1總體設計?

　　橋梁監測系統包括傳感器信號采集系統、數據傳輸系統和數據分析與管理系統三個部分。數據采集和傳輸子系統是整個橋梁監測系統的終端設備,其主要功能是對各種傳感器信號進行采集、傳輸和保存,該部分即是傳感器網絡節點。模塊設計主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分組成,如圖3所示。傳感器模塊負責監測區域內信息的采集和數據轉換;處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作,存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據;無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信,交換控制信息和收發采集數據;電源模塊為傳感器節點提供運行所需的能量,通常采用微型電池。?

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2.2 硬件實現?

　　目前對橋梁而言,主要監測各承重部位的載荷與應變情況,有各種傳感器可供選擇。本監測系統數據采集終端的傳感器僅以加速度傳感器" title="加速度傳感器">加速度傳感器MMA7260為例。終端由MMA7260芯片及相應的信號調理電路、配以符合IEEE802.15.4標準的飛思卡爾公司MC13192射頻收發調制解調器和低功耗的MCU芯片MC9S08GT60 控制器組成。A/D轉換器采用MCU芯片內部集成的ADC,其中MC9S08GT60負責數據采集和協議解析,MC13192主要完成物理層協議控制和數據收發。?

　　MMA7260是飛思卡爾公司三軸加速度傳感器,可用來檢測X,Y,Z軸方向的加速度,以類比電壓來表示所檢測的加速度的大小。它也可以作為一種用于測量傾角角度的儀器。由于任何空間結構都存在三個平動、三個轉動共六個自由度,而一旦結構受到約束,則平動與轉動之間總是存在一定的對應關系。如果能根據某個橋梁結構對象的具體條件求出轉動與平動的關系,即可以用加速度傳感器實現橋梁變形監測。在橋梁監測中,加速度傳感器具有安裝方便,使用靈活、容易確立基準、能適合惡劣環境下長期工作等優點。?

　　硬件電路主要包括射頻接口電路、處理器接口電路和傳感器應用電路,其電路連接圖如圖4所示。主要設計在于MCU對MC13192的控制,MC13192外接16MHz的晶振提供芯片工作所需的時鐘,芯片本身具有可編程輸出時鐘向MC9S08GT60提供所需的時鐘,這里同樣設置為16MHz。MC13192與處理器的連接非常簡便。它使用IRQB0、ATTN和RXTXEN三個引腳表示收發數據的狀態;而處理器通過SPI接口與MC13192交換數據、發送命令等。MCU對MC13192 的大部分操作都是以中斷服務程序的形式來實現

的,采用電平觸發的方式,在中斷觸發后,中斷服務程序通過讀取中斷狀態寄存器的相應位來確定進行何種操作。?

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3 ZigBee無線網絡軟件設計?

　　ZigBee協議棧基于開放系統互連模型(OSI),由一系列的分層結構組成,每一層為上一層提供服務。本設計系統軟件也分為三層結構:驅動層、協議層和應用層,其結構如圖5所示。驅動層提供系統硬件驅動程序,為上層提供相應的接口函數,所有對硬件的控制都通過該層來實現。協議層包括了基于802.15.4協議的物理層、數據鏈路層和網絡層。應用層調用協議層提供的服務,實現具體的任務操作,完成網絡的管理和數據的傳輸。?

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3.1驅動層的設計?

　　驅動層的設計主要是對SPI的驅動和對MC13192的驅動,通過對其寄存器的讀寫操作來實現。MCU對MC13192的行為及數據傳送的控制都是通過 MC13192的4線SPI 模塊完成的,SPI 的數據交換被分成兩個部分,一部分為頭信息,頭信息部分固定為8位,另一部分為2字節的整數倍的有效數據域。對于簡單的讀寫模式,一次 SPI 數據交換有24位數據信息。?

　　MC13192內部有48個寄存器^[1],包括控制/狀態寄存器、命令選通寄存器和訪問收發FIFO緩存區的寄存器。控制/狀態寄存器都是16位的,寫這些控制/狀態寄存器可以控制MC13192的工作方式,如選擇工作頻率、地址識別模式等。讀這些寄存器可以查詢MC13192的工作狀態。每個命令選通寄存器的地址相當于一條MC13192可以執行的指令,當MC13192接收到寫命令選通寄存器的地址信息字以后,會啟動MC13192內部操作,如開始發送數據、啟動或停止振蕩器等。?

3.2協議層的設計?

　　協議層[2]包括了物理層、數據鏈路層和網絡層。物理層主要負責對 MC13192 的管理以及物理層數據的發送和接收,物理層向上層提供了一系列對MC13192芯片功能實現的函數,上層通過這些函數接口就可以直接實現所需要的功能,而不必關心這些功能具體是怎么實現的,這些功能包括:數據請求、狀態切換、信道能量檢測與選擇、計數器設置以及芯片復位等操作。?

　　MAC層提供兩種服務:MAC層數據服務(MCPS)和MAC層管理服務(MLME)。前者保證MAC協議數據單元在物理層數據服務中的正確收發,后者維護一個存儲MAC子層協議狀態相關信息的數據庫。?

　　網絡層主要完成網絡的組建以及管理網絡成員等功能。本方案中的網絡拓撲是星型網絡,因此不存在路由等比較復雜的問題。網絡協調者的網絡層協議具有新建網絡的功能,在新建網絡之前,網絡協調者必須先對周圍的無線環境進行檢測,然后才進行具體的網絡配置工作。下面簡要介紹非信標使能網絡的建立過程^[3],圖6為網絡協調器建立網絡流程,圖7為終端設備加入網絡流程。

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3.3應用層的設計?

　　應用層軟件包括數據采集端應用軟件和網絡協調器的應用軟件設計。通過對整個系統的需求分析可知,各個數據采集端長時間處于非工作狀態,當需要數據采集的時候,主控制中心發送數據請求信號來通知無線網絡協調器進行工作,網絡協調器通知各個數據采集端,數據采集端先解析請求命令中所要傳輸的數據量,然后采集并發送相應的數據,發送完畢后自動進入低功耗狀態,等待下個命令的激活。數據采集端應用程序流程圖如圖8所示。針對系統定期檢測的要求,數據采集端實際上長時間處于低功耗的狀態,電池供電能夠滿足要求。

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　　網絡協調器是整個無線網絡的核心,應用層的功能是將控制中心主機端監控程序發送的數據請求信號發送出去,另外還要接收數據采集端的數據并上傳給主機。具體實現過程如下:首先,網絡協調器系統初始化后開中斷,完成后系統進入睡眠模式,當主機端發出數據請求命令時,此時將會觸發系統的串口中斷激活系統,然后中斷服務程序將系統置為發送命令狀態,先解析命令信號,接著將命令信號打包發送出去,發送成功后將進入等待接收數據模式,此后,如果有數據發送過來,就直接將數據通過串口上傳給主機,這樣就完成了系統的一次數據傳輸。其程序流程如圖9所示。?

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4 測試結果?

　　應用設計的三塊ZigBee網絡節點模塊組成ZigBee無線網絡測試平臺,其中一塊作為協調器,通過串口與PC機直接相連,另兩塊作為網絡節點。采用8位A/D轉換器,在PC機上得到加速度傳感器的數據如圖10所示,第一行是加速度傳感器的輸出電壓,第二行是A/D轉換器的輸出結果(范圍0～255),第三行是轉換為加速度的結果。?

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　　本文在研究ZigBee無線網絡技術的基礎上,構建了基于ZigBee協議的無線網絡數據采集與傳輸方案,設計了加速度傳感器采集終端,極大地降低了數據采集端的功耗,能夠長時間穩定工作。這一設計方案解決了大量監測點的無線組網,在橋梁監測系統中得到了成功應用。?

參考文獻?

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

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