采用ZigBee技术实现桥梁挠度数据自动监测和无线传输的设计

随着各类大跨径桥梁的不断出现，人们对大型重要桥梁的安全性、耐久性和可靠性日渐关注，桥梁的健康监测和安全评估已越来越受到人们的重视。桥梁健康监测的诸多参数中，桥梁挠度是一项重要指标，它直接反映桥梁的安全性和可靠性。现有的桥梁挠度监测系统通常采用有线通信方式组建网络，存在成本高、施工周期长和易受环境影响等缺点。

目前新兴的ZiZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。gBee技术是一种短距离无线双向通信技术，该技术具有协议简单、功耗低、网络容量大、时延短及成本低等优点，特别适合应用于传输数据量小、实时性强和覆盖范围广的监测系统中。针对传统桥梁挠度监测系统存在的缺点，本文提出了将ZigBee技术应用于桥梁挠度监测系统的设计方案，实现了桥梁挠度数据实时监测和无线传输。

1 ZigBee与其他短距离无线通信技术的比较

Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

目前市场上常见的短距离无线通信技术主要包括：ZigBee技术、红外技术、蓝牙技术、UWB技术和Wi-Fi技术等，它们都有各自的特点，将这些短距离无线通信技术的参数进行比较，见表1所示。

ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：

（1） 低功耗： 由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

（2） 成本低： ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5-2.5美元， 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

（3） 时延短： 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms.因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

（4） 网络容量大： 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络， 而且网络组成灵活。

（5） 可靠： 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

（6） 安全： ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

2 桥梁挠度无线监测系统设计方案

ZigBee设备具有强大的设备联网功能，它支持三种无线网络拓扑结构，即星型结构、树簇型结构和网状结构。星型结构简单，但网络中所有节点都只能与协调器进行通信，从而容易造成信息拥堵，增加丢包率和协调器的功耗。树簇型结构和网状结构都属于点对点结构，任何两个设备之间都可以进行通信，从而降低了协调器的功耗，并增加了通信范围，但网状结构复杂且成本较高。

桥梁挠度无线监测系统由桥梁挠度传感器节点、路由器节点、协调器节点、现场计算机和远程监控中心计算机所组成，其系统框图如图1所示。

桥梁挠度传感器节点是桥梁挠度无线监测系统的关键部分，也是本文介绍的重点。它首先由CCD图像传感器采集图像信号，经A/D转换后送到MCU处理，获得挠度数据；然后通过ZigBee通信模块将挠度数据转化为ZigBee通信协议数据包，传输给最近的路由器节点。

路由器节点根据路由表驱动路由算法，选择最优的通信路径，通过其他ZigBee路由模块以多跳的通信方式把数据包传送到ZigBee协调器。

协调器收到数据包后，一方面按原路径发送确认原语到发送数据的节点，实现握手通信，完成一次完整的ZigBee无线通信；另一方面把收到的挠度数据通过串口上传到现场计算机，方便现场工作人员的测试与维修。现场计算机将采集的挠度数据进行汇总，并通过光缆将采集数据传输到远程监控中心的计算机。

3 传感器节点硬件设计

桥梁挠度传感器节点的硬件主要由图像传感器模块、微处理器模块、通信模块和电源模块4部分组成，如图2所示。微处理器模块为该节点的核心模块，负责管理节点中各模块的协调工作，如产生TCD1209D的脉冲信号，并将TCD1209D采集的挠度图像信号进行处理、保存和发送，启动CC2430通信模块收发数据等。电源模块负责为传感器节点各模块提供可靠电源。基于篇幅的原因，下面主要介绍微处理模块和CC2430无线通信模块的电路设计。

3.1 微处理器模块电路设计

桥梁挠度传感器节点的微处理器芯片选用意法半导体公司的STM32F103C8芯片。它采用32位Cortex-M3内核，最高工作频率为72 MHz.Cortex-M3内核是至今最小的ARM内核，其采用3级指令流水线的哈佛结构；具有超低功耗，仅为0.19 mW/MHz;兼容Thumb-2指令集，可用16位的代码密度；与ARM7TDMI内核相比，运行速度提高35%,但代码量却节省45%,节省了存储空间；具有广泛的开发工具，开发成本低，周期短。STM32F103C8采用LQFP封装形式，引脚数为48个，内部资源包括[2]:64 KB的Flash存储器和20 KB的RAM;2个SPI通信接口；2个I2C接口；3个USART接口；11个定时器，其中有4个可用于产生PWM;2个12位10通道的ADC,提高了数据采集的准确性。

STM32F103C8外围电路设计如图3所示。其外围采用直流3.3 V供电，外接电池插座可用于突然掉电时保证RTC正常工作。它通过串口引脚来收发无线通信数据。它由高级定时器和通用定时器产生TCD1209D的5路驱动脉冲信号（SH、RS、CP、φ1、φ2），其高级定时器由引脚29输出一路PWM信号，经电平上拉和74LS04反向后得到脉冲信号SH;其通用定时器3（TIM3）产生一组互补的PWM脉冲信号，经电平上拉后可产生驱动信号φ1和φ2;其通用定时器2（TIM2）由引脚10输出一路PWM信号，经电平上拉和74LS04反向后得到RS脉冲信号，RS与CP时序周期相同，但CP比RS迟延100 ns,可以通过硬件门电路作延时又可产生脉冲信号CP.

3.2 无线通信模块

ZigBee无线通信芯片选用符合ZigBee标准协议的CC2430芯片，它具有性能稳定、功耗极低和外围器件少等优点。CC2430芯片是TI公司提供的全球首款支持ZigBee协议的真正SoC型芯片，在单个芯片内部整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器，使用1个8 bit MCU内核，具有最大128 KB的可编程闪存和8 KB的RAM存储空间，包含模拟数字转换器、4个定时器、AES-128协处理器、看门狗定时器、32.768 kHz晶振的休眠模式定时器等。

CC2430只需很少的外围元器件就能实现信号收发功能，其外围配置电路原理图如图4所示。CC2430外围电路包括：电源滤波电路、晶振电路、通信接口电路、复位电路、天线电路和调试接口电路。CC2430芯片内部自带电压调节器，从引脚41（AVDD_DREG）输入3.3 V直流电压，就可从引脚24输出稳定的1.8 V直流电压，因此CC2430外部只需3.3 V直流电压供电。电源滤波电路设计中为了保证外部电源供电的稳定性，根据不同的供电电源选用不同的滤波电容，本设计中电路板采用5 V直流电压供电，经过AMS1117后输出3.3 V直流电压，因此选用0.1 μF和1 μF的滤波电容。晶振电路由外部32.768 kHz、32 MHz晶体振荡器和负载电容组成，通过设置CLKCON寄存器的OSC位来设定CC2430的系统时钟源，32.768 kHz为系统休眠时钟。天线采用单级非平衡天线来连接非平衡变压器，以使天线性能更加出色。电路中的非平衡变压器由电容和电感组成，内部T/R交换电路用于完成LNA和PA之间的交换。CC2430与MCU之间采用异步串行通信方式，将CC2430中U0CSR寄存器的第7位配置为UART通信模式，再配置特殊功能寄存器（SFR），将引脚13和14分别设置为USART的RX和TX,与STM32F103C8的串口收发引脚相连接，从而实现与MCU交换数据、接收命令等功能。调试接口电路的引脚为45（P2_2）和46（P2_1）。

4 传感器节点软件设计

桥梁挠度传感器终端节点软件部分设计以IAR Embedded Workbench为开发平台。IAR是一套完整的集成开发工具集合，包括代码编辑器、工程建立、C/C++编译器、连接器和C-SPY调试器等各类开发工具。IAR支持Cortex-M3内核的微处理器和ZigBee协议栈的软件编写和调试，以及Jlink仿真器和C51RF仿真器的使用。节点的ZigBee协议栈采用TI公司提供的免费协议栈，在网络设置时，使用Chipcon公司提供的开发套件。

传感器终端节点软件采用C语言编写，使用模块化程序设计，主要由传感器节点各模块初始化、采集挠度数据和无线通信模块收发数据三部分组成，其软件设计流程图如图5所示。STM32F103C8芯片初始化包括：定义缓冲区间、配置时钟、配置GPIO管脚、中断配置、串口配置、DMA配置和定时器配置等。CC2430芯片初始化包括：启动电压调节器、配置时钟、配置8051的4个寄存器和配置A/D等。

5 应用

通过在山西忻州高速公路公司小沟特大桥的应用，验证了该系统应用时无线通信的可靠性和稳定性。

首先选择网络拓扑结构。由于小沟桥每跨跨度为100 m,而ZigBee通信模块的可靠通信距离≥100 m（与天线和发射功率有关），边跨的挠度数据需要通过路由器逐跳传给协调器，因此采用树簇型网络拓扑结构。

然后布设无线传感器网络节点，如图6所示。将7个挠度传感器节点放置于每跨的桥梁挠度监测处，负责采集各跨的挠度信息；6个路由器节点放置于相距每跨挠度传感器节点5~10 m处，相邻路由器的距离为75~90 m;1个协调器节点固定于小沟桥的中跨，负责建立网络、分配网络地址，并将各跨传感器节点所采集的数据由串口上传到现场计算机。

最后现场计算机通过串口接收各跨的挠度数据，并运行LabVIEW[3]语言编写的软件来显示和保存桥梁各跨的挠度数据。现场采集右幅桥的挠度曲线如图7所示，不同曲线代表车辆通过时各跨的挠度。每条曲线都是连续的，没有明显的间断和跳变，说明该无线通信系统的数据传输可靠、稳定性强。

ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率短距离无线通信市场的空缺，是无线传感器网络中不可缺少的组成部分。本文主要创新点是将ZigBee技术应用于桥梁挠度监测系统中，并利用Cortex-M3内核高性能低功耗的特点实现了系统数据实时采集和无线传输，具有稳定性强、移动性好和费用低等优点。本文将ZigBee无线网络技术应用到桥梁挠度监测系统中，有效地解决了原有系统中所存在的布线工作量大、施工周期长等缺点。