ZigBee無線通信技術(shù)及其在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用

摘要:隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，ZigBee應(yīng)運(yùn)而生。它是新興的無線通信技術(shù)，與其他的無線通信技術(shù)相比，有其自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。橋梁工程技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)需要更新的橋梁檢測(cè)技術(shù)，檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸、及時(shí)更新等都需要通信技術(shù)的支持。ZigBee無線通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用使其應(yīng)用在橋梁檢測(cè)上成為可能，橋梁檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展也使橋梁檢測(cè)應(yīng)用ZigBee無線通信技術(shù)成為必要?；谏鲜鏊枷?，將ZigBee應(yīng)用于橋梁檢測(cè)并在此基礎(chǔ)之上開發(fā)出一套新的橋梁檢測(cè)儀器是最終目的。

關(guān)鍵詞:ZigBee;無線通信;橋梁檢測(cè)

中圖法分類號(hào):TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)36-10368-03

The Application of ZigBee Wireless Communication to Bridge Detection

WANG Li-li， WANG Yun-sheng， ZHOU Zhen-hong

(Zhengzhou university， Zhengzhou 450002， China)

Abstract: Along with constant development of communications technology ZigBee emerged. It is new wireless communications technology and it is distinct. It has more advantages in comparison with other wireless communications techniques. The development trend of bridge engineering techniques needs new bridge detecting techniques. Transmitting and updating data timely needing support by communications technology. ZigBee has widespread use which makes it’s using on bridge detection possible. Fast developing bridge detection technology makes using ZigBee essential.Based on above idea， to use ZigBee on bridge detection and develop a set of bridge detecting instrument are final aim.

Key words: ZigBee; wireless communication; detection of bridge

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的要求不斷提高，傳統(tǒng)數(shù)字化設(shè)備的有線連接給人們隨時(shí)隨地與信息網(wǎng)絡(luò)相連和通信帶來了很多不便。發(fā)展無線通信技術(shù)將人們從有線連接的束縛中解放出來，已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。

近幾十年來，科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了橋梁工程技術(shù)的飛躍，隨著橋梁不斷往新穎橋型、大跨徑的方向發(fā)展，橋梁的檢測(cè)試驗(yàn)技術(shù)也不斷地更新和改進(jìn)。另外，隨著國內(nèi)路網(wǎng)改造、舊路改建和公路等級(jí)的提升，交通量的日漸增大，重型車輛的日漸增多，對(duì)原有的公路舊橋的通行能力要求越來越高，確定此類公路橋梁的實(shí)際使用狀況和實(shí)際承載力就顯得尤為迫切。

目前的無線通信技術(shù)主要致力于如何提高通信速率，而相對(duì)于簡(jiǎn)單無線連接的應(yīng)用領(lǐng)域，如工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)(橋梁檢測(cè))各種傳感器的參數(shù)收集等由于數(shù)據(jù)量傳輸量小，并不需要很高的傳輸速率。如果使用現(xiàn)有的、過于復(fù)雜的無線通信技術(shù)將消耗很多能量，并且占用過多的計(jì)算和通信資源，同時(shí)也增加了設(shè)備成本。2002年8月，由英國的Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司成立了ZigBee聯(lián)盟，并于2004年12月，正式公布了無線通信技術(shù)ZigBee的1.0標(biāo)準(zhǔn)?；谶@種現(xiàn)狀，本文提出將ZigBee應(yīng)用于橋梁檢測(cè)與評(píng)價(jià)中去的設(shè)想。

1 ZigBee無線通信技術(shù)特點(diǎn)

目前，一種新的無線通信技術(shù)——“ZigBee”技術(shù)引起了人們的關(guān)注。ZigBee這個(gè)名字來源于蜂群使用的賴以生存的通信方式，蜜蜂通過跳Zigzag形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息[1]。

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)[3]。工作在2.4GHz的ISM頻段上，傳輸速率為20kb/s—250kb/s傳輸距離為10m—75m。主要適用于工業(yè)控制、傳感和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。它依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以“接力”的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，因此它們的通信效率非常高。它適合于承載數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務(wù)，可以嵌入各種設(shè)備，同時(shí)支持地理定位功能。與ZigBee兼容的設(shè)備有著網(wǎng)狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這可大大延伸單個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ZigBee無線通信技術(shù)與其他的無線通信技術(shù)相比有著自己的特點(diǎn)[2，5]:

1) 低功耗:由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號(hào)電池就可以維持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其他無線設(shè)備望塵莫及的。

2) 成本低:ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

3) 時(shí)延短:通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為15ms。因此，ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應(yīng)用。

4) 網(wǎng)絡(luò)容量大:一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

5) 可靠采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定寬帶的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送信息的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接受方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。

6) 安全:ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

2 橋梁檢測(cè)的研究內(nèi)容

橋梁檢測(cè)的主要研究內(nèi)容包括現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)與信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析與安全性評(píng)價(jià)和儀器設(shè)備研發(fā)等內(nèi)容。荷載試驗(yàn)包括靜載和動(dòng)載試驗(yàn)檢測(cè)兩方面。

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)靜載試驗(yàn)

靜荷載試驗(yàn)指的是將標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)荷載的等效荷載施加于橋梁結(jié)構(gòu)的指定位置，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布、變形量進(jìn)行檢測(cè)，以此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)性能做出評(píng)估[6]。橋梁靜荷載試驗(yàn)內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面。

1) 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段:根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅瑢?duì)橋梁結(jié)構(gòu)和相關(guān)資料進(jìn)行必要的理論的分析和核算，補(bǔ)充必要的材料力學(xué)性能試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)之上有針對(duì)性地?cái)M定周密合理的試驗(yàn)方案。

2) 靜載試驗(yàn)的加載與觀測(cè)階段:在充分準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，按照預(yù)定的試驗(yàn)方案，對(duì)結(jié)構(gòu)施加試驗(yàn)荷載，通過各種測(cè)試儀表進(jìn)行觀測(cè)，取得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3) 對(duì)試驗(yàn)資料的計(jì)算分析階段:本階段的主要工作有，結(jié)構(gòu)撓度的計(jì)算，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算，截面應(yīng)力的計(jì)算，主應(yīng)力的計(jì)算，求殘余變形值，荷載橫向分布影響線的計(jì)算等。

4) 對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的性能分析階段:通過對(duì)試驗(yàn)資料的整理計(jì)算，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、抗裂性能、裂縫寬度等幾個(gè)方面的研究分析。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)載試驗(yàn)

進(jìn)行橋梁動(dòng)力荷載試驗(yàn)，首先應(yīng)設(shè)法使橋跨結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，然后通過傳感器、放大器和記錄系統(tǒng)記錄下振動(dòng)物理量的時(shí)間歷程曲線。對(duì)于公路實(shí)橋橋跨結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)便易行的方式是采用一輛或多輛并行滿載重車進(jìn)行跑車、跳車和剎車試驗(yàn)。對(duì)鐵路橋則以一定型號(hào)機(jī)車牽引滿載車列以不同速度過橋或橋上制動(dòng)。橋梁荷載試驗(yàn)檢測(cè)內(nèi)容主要包括一下幾個(gè)方面。

1) 結(jié)構(gòu)固有頻率的測(cè)定。2) 結(jié)構(gòu)阻尼性能的測(cè)定。3) 振型的測(cè)定。4) 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的測(cè)定(振幅、頻率、位移、應(yīng)力等)，動(dòng)撓度與靜撓度的比值稱為活荷載的沖擊系數(shù)，活荷載沖擊系數(shù)綜合地反映了動(dòng)力荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用。

3 橋梁檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)在是開始為檢測(cè)橋梁和其它土木結(jié)構(gòu)開發(fā)智能、有效、低成本的檢測(cè)系統(tǒng)的時(shí)候了。系統(tǒng)應(yīng)包括多路傳感器，具有不同的探測(cè)能力，能夠同時(shí)對(duì)靜荷載信號(hào)和動(dòng)荷載信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。它既能運(yùn)用無線技術(shù)把數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè)中心去。可以預(yù)見，現(xiàn)代傳感技術(shù)、無線遙測(cè)技術(shù)和無線通信技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用將為橋梁結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出杰出的無損檢測(cè)系統(tǒng)，最終使無損檢測(cè)技術(shù)融入橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

目前橋梁荷載試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)向著測(cè)試多樣化和測(cè)試儀器的高精度、小型化無線傳輸和智能化方向發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備的廣泛使用，促使各種試驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)化水平不斷提高。

傳統(tǒng)的動(dòng)靜載試驗(yàn)方法載長期的實(shí)際運(yùn)用中有其固有優(yōu)勢(shì)，如它主要是以關(guān)鍵部位的應(yīng)力和撓度校驗(yàn)系數(shù)為準(zhǔn)進(jìn)行既有橋梁的評(píng)價(jià)，評(píng)定方法較為簡(jiǎn)便實(shí)用;但是該試驗(yàn)方法在其運(yùn)用過程中也同時(shí)存在著一些缺點(diǎn)和不足，比如試驗(yàn)工作面大、加載時(shí)間較長、費(fèi)用高、通常需要較長時(shí)間中斷交通等，并且測(cè)試數(shù)據(jù)是離散的單點(diǎn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致其測(cè)試可靠性和準(zhǔn)確性不易得到保證等[7]。因此，傳統(tǒng)的方法有待進(jìn)一步改進(jìn)，利用ZigBee技術(shù)就能夠解決這些難題。

近年來以美國為首的西方國家開始研制基于集成化系統(tǒng)的橋梁測(cè)試評(píng)價(jià)體系，并取得大量成果。并且ZigBee無線通信技術(shù)的發(fā)展使其在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，我們發(fā)現(xiàn)將現(xiàn)代無線通信技術(shù)應(yīng)用于橋梁檢測(cè)系統(tǒng)有很大的必要性，尤其是在橋梁檢測(cè)系統(tǒng)各種數(shù)據(jù)信號(hào)采集方面。

4 ZigBee在橋梁檢測(cè)中的應(yīng)用

MaxStream用戶根據(jù)不同的需要已將無線模塊應(yīng)用到了很多領(lǐng)域，據(jù)調(diào)查MaxStream到目前為止還沒有在震動(dòng)阻尼方面作過正式的試驗(yàn)，但用戶的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)告訴我們，集成ZigBee技術(shù)的很多模塊已經(jīng)廣泛應(yīng)用，甚至包括那些工作環(huán)境惡劣(如強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境)中:

1) 鏟車震動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

2) 高海拔火箭研究系統(tǒng)

3) 艦隊(duì)監(jiān)控系統(tǒng)

4) 采礦設(shè)備監(jiān)控

5) 無人駕駛飛機(jī)控制系統(tǒng)

6) 臥式鉆床

7) 農(nóng)業(yè)設(shè)備監(jiān)控

8) 直升飛機(jī)操作員控制臺(tái)

ZigBee的這些特點(diǎn)使其與其它網(wǎng)絡(luò)通信相比更具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這也是這項(xiàng)技術(shù)能在很多領(lǐng)域很好應(yīng)用的內(nèi)在原因，這也為將ZigBee技術(shù)引進(jìn)橋梁檢測(cè)中提供了可能性、打下了基礎(chǔ)、也指引了道路。

ZigBee主要用于中短距離無線系統(tǒng)連接，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可允許使用第三方的傳感器。能夠?qū)Ω鞣N傳感器進(jìn)行無線控制和數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee定義了三種節(jié)點(diǎn)類型:協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器可以通過選擇網(wǎng)絡(luò)的工作信道和個(gè)域網(wǎng)識(shí)別標(biāo)志(PAN ID)來啟動(dòng)一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。一旦網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)，路由器和終端設(shè)備就能加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器和路由器都能通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)射和路由數(shù)據(jù)，并且允許其它的路由器和終端設(shè)備加入。當(dāng)設(shè)備加入ZigBee PAN時(shí)，設(shè)備間的父子關(guān)系即形成，加入的設(shè)備為子，允許加入的設(shè)備為父。由于終端(傳感器+8051/ARM+ZigBee)可同時(shí)具有路由器的功能，所以一個(gè)終端的數(shù)據(jù)可以通過其它終端的路由最終傳遞到協(xié)調(diào)器一端。如果終端設(shè)備不參與路由數(shù)據(jù)，則在不發(fā)射和接收數(shù)據(jù)時(shí)可以休眠。嵌入ZigBee技術(shù)的星狀、網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于上述實(shí)際情況，在實(shí)際的橋梁檢測(cè)系統(tǒng)中，我們可以將終端布于橋梁的相應(yīng)位置，在橋梁靜載試驗(yàn)或動(dòng)載試驗(yàn)過程中通過傳感器將各數(shù)據(jù)信號(hào)(模擬信號(hào))采集起來，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以數(shù)字信號(hào)的形式直接傳輸或通過路由器傳輸?shù)綗o線協(xié)調(diào)器，最終傳輸?shù)浇K端設(shè)備電腦中，通過數(shù)據(jù)控制中心電腦顯示出來，在遠(yuǎn)處的數(shù)據(jù)控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，從而達(dá)到用戶自己想要的結(jié)果，并通過這種結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁的檢測(cè)。

當(dāng)信號(hào)采集遠(yuǎn)離數(shù)據(jù)處理中心時(shí)，將XStream模塊和做協(xié)調(diào)器的XBee模塊聯(lián)接在一起，在數(shù)據(jù)接收中心也使用XStream模塊接收數(shù)據(jù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了通訊距離的擴(kuò)展。雖然XStream模塊不能支持自動(dòng)組網(wǎng)功能，但是它支持級(jí)跳功能，所以也可以實(shí)現(xiàn)更長距離的通訊(室外16km)，這樣可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。

由此可見，將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于橋梁檢測(cè)方面既能滿足橋梁檢測(cè)的需要又能充分利用ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)節(jié)約能源、提高效率。這篇文章意在將ZigBee技術(shù)應(yīng)用在橋梁檢測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)采集和傳輸過程中，進(jìn)而想利用XBee開發(fā)套件(XBee-S2模塊(40m/120m)、XBee-Pro模塊(100m/1.6km)、USBRS-232接口電路板、API或者AT命令)開發(fā)出一套新的橋梁檢測(cè)設(shè)備。

5 結(jié)束語

文章分別分析研究了ZigBee無線通信技術(shù)和橋梁檢測(cè)內(nèi)容，根據(jù)ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀以及橋梁檢測(cè)需求提出將ZigBee技術(shù)應(yīng)用在橋梁檢測(cè)中的設(shè)想，并通過進(jìn)一步分析討論得出將ZigBee技術(shù)應(yīng)用在橋梁檢測(cè)中是必要的、也是可行的，另外，將該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用的話不僅僅會(huì)使得該無線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)得到進(jìn)一步的發(fā)揮，并且也會(huì)推動(dòng)橋梁檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，給社會(huì)帶來巨大的效益。目前的任務(wù)是如何在這一思路的指引下開發(fā)出一套適用于橋梁檢測(cè)的儀器設(shè)備，這是有待于進(jìn)一步的研究和解決的問題。

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