龔一朋，李子明，王澤林，干嘯洪，劉增華，何存富

（1.浙江省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局，浙江 杭州 311215；2.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100124；3.慈溪市公路建設(shè)工程指揮部，浙江 慈溪 315300）

在路橋、隧道的施工與使用過程中，需要實(shí)時監(jiān)測外部環(huán)境的各種影響因素，通過監(jiān)測到的數(shù)據(jù)來判斷路橋和隧道結(jié)構(gòu)的健康狀況，以確保這些結(jié)構(gòu)的安全使用和運(yùn)行。其中，應(yīng)變就是這些工程普遍需要監(jiān)測的參數(shù)之一。然而，傳統(tǒng)的應(yīng)變監(jiān)測方法幾乎都是采用有線連接的方式對應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，典型的做法就是將應(yīng)變儀與測量儀器通過幾米甚至幾十米長的電纜直接相連。這不僅造成了布線繁瑣、施工不便和費(fèi)用昂貴等問題，同時由于長導(dǎo)線電阻及導(dǎo)線分布電容等因素的影響，還會使測量到的應(yīng)變值無法達(dá)到很高的測量精度[1]。面對存在的種種問題，一種全新的、可遠(yuǎn)距離通過無線操作的測量方式應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)在保證應(yīng)變測量結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，避免了有線連接所帶來的布線及費(fèi)用方面的問題，提高了無線應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)在我國路橋和隧道監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。

常見的無線通信技術(shù)有蜂窩技術(shù)、UWB技術(shù)、Wifi技術(shù)、NFC技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)等。本文綜合考慮了現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)信號弱、野外環(huán)境惡劣、監(jiān)測范圍小、被測數(shù)據(jù)數(shù)量相對較少等因素，并結(jié)合ZigBee技術(shù)低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低傳輸速率、較遠(yuǎn)的傳輸距離等特點(diǎn)[2]，及其協(xié)調(diào)器設(shè)備自組網(wǎng)的功能，提出了一種基于ZigBee無線通信技術(shù)的多點(diǎn)應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

ZigBee無線通信技術(shù)定義了三種邏輯設(shè)備類型，分別是協(xié)調(diào)器設(shè)備、路由設(shè)備及終端設(shè)備[3]。在此概念的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)由一個協(xié)調(diào)器設(shè)備、多個路由設(shè)備和多個終端設(shè)備構(gòu)成。圖1所示為本系統(tǒng)整體框架圖。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

其中，終端設(shè)備分散布置在監(jiān)測區(qū)域的關(guān)鍵部位，每個終端設(shè)備可實(shí)時采集至少兩個被測點(diǎn)的應(yīng)變值，并將采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射模塊發(fā)送出去。路由設(shè)備接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器設(shè)備，協(xié)調(diào)器設(shè)備再將接收到的數(shù)據(jù)通過RS232串口傳輸?shù)诫娔X監(jiān)測軟件上進(jìn)行顯示。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 終端設(shè)備

終端設(shè)備由應(yīng)變電橋模塊、信號處理模塊、無線射頻模塊以及電源模塊構(gòu)成[4]。四個模塊有序分工形成統(tǒng)一的整體，保證了應(yīng)變信號的正確采集。該硬件模塊體積小巧、便攜易帶，成品尺寸僅為51mm×40mm。圖2所示為終端設(shè)備硬件框架圖，下文將分別對每個模塊進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖2 終端設(shè)備硬件框架圖

應(yīng)變電橋模塊與被測結(jié)構(gòu)用固體膠直接粘貼接觸，通過搭建惠斯通電橋來測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值。根據(jù)電橋原理，考慮到設(shè)備工作環(huán)境惡劣，選擇半橋或全橋方式搭建，這樣既可以自動進(jìn)行溫度補(bǔ)償，又能提高測量靈敏度。電橋兩端輸出的差分電壓值即反映結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化，同時該電壓也作為輸入，送入后續(xù)調(diào)理電路等待進(jìn)一步處理。

應(yīng)變電橋輸出差分電壓范圍一般是μV或者mV級，信號處理模塊則主要負(fù)責(zé)將應(yīng)變電橋輸出的微小電信號進(jìn)行放大、濾波，其中，放大電路主要用于得到微控制器I／O口輸入的模擬電信號；濾波電路則主要用于濾除外部高頻噪聲干擾，得到較平滑的低頻信號，提高系統(tǒng)對應(yīng)變信號的識別能力。調(diào)理后的模擬電信號經(jīng)微控制器內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由內(nèi)部CPU對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行封裝后通過后續(xù)射頻電路無線傳輸。

無線射頻模塊包含在信號處理模塊的微控制器中，和ADC以及CPU共同集成在同一芯片中。這里選用美國TI公司的CC2530芯片。該芯片是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機(jī)，是一個真正的系統(tǒng)芯片CMOS解決方案[5]；具有一個超低功耗的8K SRAM，當(dāng)數(shù)字部分掉電時能夠保留自己的內(nèi)容；具有可以選擇的32KB／64KB／128KB／256KB Flash容量，為設(shè)備提供內(nèi)電路可編程的非易失性程序存儲器[6]。CC2530還具備電源管理功能，可以通過使用不同供電模式來延長電池的使用壽命。另外，CC2530還包括許多不同的外設(shè)，以方便設(shè)計(jì)者進(jìn)行不同應(yīng)用的開發(fā)。同時，CC2530可以配備TI公司的其他專有或標(biāo)準(zhǔn)兼容的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧來簡化開發(fā)，如RemoTI，Simplici-TI或Z－Stack等。由于其硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，封裝小，成本低，功耗低，協(xié)議棧開發(fā)簡單，因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[7]。

電源模塊是整個終端設(shè)備的核心，起到能量供給的作用，是整個設(shè)備能夠正常運(yùn)行的保障。本系統(tǒng)選用電池供電，常見的電池種類有干電池、可充電鋰電池、鎳氫電池、紐扣電池和鎳鎘電池等，本系統(tǒng)選用干電池作為能量供給[8]。作為無線終端，除了體積小巧，還要具有低功耗特性。為延長電池的使用壽命，軟件算法中采取CC2530的睡眠模式，當(dāng)終端設(shè)備不采集應(yīng)變值，即設(shè)備不工作時，將終端置于睡眠狀態(tài)；當(dāng)終端設(shè)備采集應(yīng)變值，即設(shè)備工作時，將終端置于喚醒狀態(tài)。

2.2 路由設(shè)備

路由設(shè)備的功能包括協(xié)助與其連接的終端和協(xié)調(diào)器之間的通信，通過多跳路由的方式擴(kuò)大通信距離。路由設(shè)備不具備數(shù)據(jù)采集功能，因此路由設(shè)備與終端設(shè)備相比不存在應(yīng)變電橋模塊和信號處理模塊。路由設(shè)備硬件框架如圖3所示。

圖3 路由設(shè)備硬件框架圖

路由設(shè)備與多個終端設(shè)備相連，因此應(yīng)一直處于工作狀態(tài)以便能夠?qū)崟r接收來自不同終端設(shè)備的數(shù)據(jù)包，對設(shè)備供電提出了較高的要求。為了保證在電池供電的情形下，終端設(shè)備數(shù)據(jù)還能夠正確傳輸，選取網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，這樣可以保證當(dāng)某些路由設(shè)備失效時，終端設(shè)備可以選擇其他路由設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，以提高系統(tǒng)的可靠性。

2.3 協(xié)調(diào)器設(shè)備

協(xié)調(diào)器設(shè)備是整個ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，在系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)中起著至關(guān)重要的作用。協(xié)調(diào)器設(shè)備負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，并管理路由或終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的加入和刪除[5]。當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)的啟動和配置完成之后，它的功能退化為一個普通路由設(shè)備，此時，可以接收路由設(shè)備或終端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包，并將該數(shù)據(jù)包通過串口模塊轉(zhuǎn)發(fā)到計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件。

協(xié)調(diào)器設(shè)備與路由設(shè)備相比，增加了串口通信模塊。本系統(tǒng)采用RS232接口，選用美信公司的MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)TTL到RS232電平的轉(zhuǎn)換。協(xié)調(diào)器設(shè)備硬件框架如圖4所示。為了保證整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性，協(xié)調(diào)器設(shè)備采用外部供電的方式。

圖4 路由設(shè)備硬件框架圖

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件算法流程

該多點(diǎn)應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)使用IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境，在TI公司提供的ZStack－CC2530－2.2.2－1.3.0協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行了該系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)[9]。Z－Stack協(xié)議棧并不是一個完全開源的協(xié)議代碼集，但是卻提供了大量的應(yīng)用程序接口函數(shù)供用戶開發(fā)使用，用戶在正確使用這些函數(shù)的基礎(chǔ)上即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的程序開發(fā)。

對于連接監(jiān)控中心PC機(jī)的協(xié)調(diào)器設(shè)備，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行硬件和協(xié)議棧的初始化，然后進(jìn)行信道掃描和空閑信道評估，從而選擇合適的工作參數(shù)，最后允許終端設(shè)備連接，建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建成后，協(xié)調(diào)器設(shè)備一直監(jiān)測無線信號，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)請求時，會接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至串口端。當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)完成后，將處于空閑狀態(tài)，此時若有新的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，則協(xié)調(diào)器將與其建立連接并為其分配網(wǎng)絡(luò)地址[10]。

路由設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)后，一直處于監(jiān)測無線信號的狀態(tài)。當(dāng)檢測到有數(shù)據(jù)請求命令時，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)后，則根據(jù)程序內(nèi)部定時器設(shè)定的時間進(jìn)行數(shù)據(jù)的周期性接收與發(fā)送。圖5所示即為三種設(shè)備節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖。

圖5 設(shè)備節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

3.2 上位機(jī)監(jiān)測軟件

對于電腦端的監(jiān)測界面，采用LabVIEW圖形化編輯軟件進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，該軟件具備操作簡單、界面友好等特點(diǎn)，基本上不需要用戶編寫語言代碼，而是用框圖或者流程圖的形式進(jìn)行編寫。本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的監(jiān)測軟件流程如圖6所示。

圖6 LabVIEW軟件流程圖

首先，在監(jiān)測界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括串口設(shè)置以及報(bào)警閾值設(shè)置。點(diǎn)擊運(yùn)行開始監(jiān)測后，協(xié)調(diào)器設(shè)備匯聚的數(shù)據(jù)則會通過RS232串口直接發(fā)送至上位機(jī)軟件的串口緩存區(qū)，并在監(jiān)測界面進(jìn)行實(shí)時顯示，同時LabVIEW軟件內(nèi)嵌了Microsoft Office Access數(shù)據(jù)庫，自動保存采集數(shù)據(jù)。若所測應(yīng)變值超過所設(shè)置報(bào)警閾值，則會在監(jiān)測界面顯示報(bào)警提示對話框，同時報(bào)警指示燈亮，否則軟件正常顯示。若需要對所采集歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，則軟件將會進(jìn)入查詢界面，以表格形式顯示出所有歷史數(shù)據(jù)，同時繪制曲線以直觀地顯示數(shù)據(jù)變化情況。

4 系統(tǒng)測試

測試系統(tǒng)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行測試。所搭建的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由計(jì)算機(jī)、協(xié)調(diào)器設(shè)備、兩個路由設(shè)備和一個終端設(shè)備組成。被測對象用兩把薄鋼尺模擬，應(yīng)變電橋均采用全橋搭接，將所有硬件設(shè)備一同置于室外環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場環(huán)境模擬。設(shè)置計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面串口所在端口為計(jì)算機(jī)與協(xié)調(diào)器設(shè)備相連的端口，波特率設(shè)為38 400，校驗(yàn)位None，停止位1，數(shù)據(jù)位8。數(shù)據(jù)包格式如表1所示。開始測試時，依次啟動協(xié)調(diào)器、路由和終端設(shè)備，同時任意變換路由或終端設(shè)備的位置，在監(jiān)測界面則實(shí)時顯示被測點(diǎn)的應(yīng)變值。圖7即為某時刻被測點(diǎn)的應(yīng)變值采集結(jié)果。

表1 數(shù)據(jù)包格式

圖7 監(jiān)測軟件顯示結(jié)果

對圖7顯示結(jié)果進(jìn)行分析，其中監(jiān)測日期即系統(tǒng)啟動時間，而中間數(shù)據(jù)顯示區(qū)時間即采集應(yīng)變值的時刻。從圖中可以看出，在單個終端設(shè)備的情況下，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對至少兩個被測點(diǎn)應(yīng)變值的監(jiān)測。若終端設(shè)備較多時，則會在數(shù)據(jù)顯示區(qū)中按照順序依次顯示。在實(shí)驗(yàn)過程中，隨著路由和終端設(shè)備遠(yuǎn)離協(xié)調(diào)器，可以確定路由設(shè)備起到中繼傳輸?shù)淖饔?，擴(kuò)展了終端設(shè)備與協(xié)調(diào)器之間的傳輸距離。然而由于路由設(shè)備不具備采集功能，因此這里并未顯示出路由設(shè)備的工作時間。通過上述實(shí)驗(yàn)，可以證實(shí)該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變的無線監(jiān)測，同時還可通過多跳路由的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測。

5 結(jié)語

綜上所述，本文所搭建的基于ZigBee無線通信技術(shù)的多點(diǎn)應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)具有無線、實(shí)時監(jiān)測的功能，且終端設(shè)備體積小、功耗低，能夠長時間進(jìn)行在線監(jiān)測。路由設(shè)備起到中繼傳輸?shù)淖饔茫⒂糜跀?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)調(diào)器設(shè)備是本系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的核心，建立、管理及維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。LabVIEW監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)人性化、智能化，相較于傳統(tǒng)的有線監(jiān)測，該無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有應(yīng)用于工程實(shí)際檢測的潛力。

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