橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計

鄭俊光， 王建新

（廈門大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361005）

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控是土木工程重要的研究領(lǐng)域之一，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控是基于有線的通信技術(shù)進(jìn)行的[1]，但是有線傳輸?shù)某杀据^高，而且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，在一些復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中，進(jìn)行有線布置的困難日益突出，因此文中提出基于ZIGBEE的無線傳感網(wǎng)的橋梁監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)在不同環(huán)境下對橋梁各種緩慢變化參數(shù)的檢測，相比較傳統(tǒng)的有線監(jiān)控，在保證穩(wěn)定性，可靠性的同時，大大的延長了系統(tǒng)的壽命和系統(tǒng)布置的方便性。

ZIGBEE是一種網(wǎng)絡(luò)容量大，節(jié)點體積小，低復(fù)雜度，低速率，低功耗的短距離無線通信技術(shù)，是一組基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。在ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點根據(jù)功能的不同可以分為兩類：全功能設(shè)備節(jié)點（FFD）和簡化功能設(shè)備（RFD）。FFD實現(xiàn)了IEEE802.15.4協(xié)議的全集，而RFD為了減少能量消耗只實現(xiàn)了 IEEE802.15.4協(xié)議中的一部分[2-3]。而這兩種不同功能的節(jié)點組成ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中的3種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動整個網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備。協(xié)調(diào)器也可以用來協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中安全層和應(yīng)用層的綁定；路由節(jié)點主要協(xié)助終端節(jié)點的通信，終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集的發(fā)送。根據(jù)3種邏輯器件在網(wǎng)絡(luò)中的不同作用，協(xié)調(diào)器和路由器只能由FFD組成，而終端設(shè)備可以由FFD或者RFD組成。

以上簡單地分析了ZIGBEE的性能，可以發(fā)現(xiàn)它是非常合適應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計

文中的設(shè)計目標(biāo)是在橋梁健康監(jiān)控系統(tǒng)中通過搭建一個基于ZIGBEE的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過無線網(wǎng)絡(luò)把傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳傳回PC端，實現(xiàn)對橋梁結(jié)構(gòu)健康情況進(jìn)行實時監(jiān)控。接下來主要從系統(tǒng)的節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬煞矫孢M(jìn)行討論。

1.1 系統(tǒng)的節(jié)能

由于本系統(tǒng)應(yīng)用在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，根據(jù)其特點，在設(shè)計本系統(tǒng)過程中，從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩方面充分地考慮了系統(tǒng)的節(jié)能，從而最大程度的延長無線系統(tǒng)的壽命。

1.1.1 硬件節(jié)能設(shè)計

硬件方面，傳感器節(jié)點上采用Atmega 128單片機采集和存儲數(shù)據(jù)，該芯片是8位的低功耗CMOS處理器；路由器節(jié)點上采用的是TI公司的TS320C5509A定點低功耗DSP，該芯片在處理速度高達(dá)600 MI/s的同時，功耗低至0.05 mw，因此很適合用于無線通信領(lǐng)域；射頻模塊采用的是 Chipcon公司的 CC2430芯片，它是第一顆真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案，該芯片具有超低功耗，當(dāng)控制內(nèi)核運行在32 MHz時，其接收電流損耗和傳輸電流損耗分別為 27 mA和 25 mA，在休眠模式下僅有0.9 μA，待機模式下更是低于0.6 μA[4]。以上從硬件方面選擇了適合應(yīng)用在無線傳輸領(lǐng)域的低功耗芯片。

1.1.2 軟件節(jié)能設(shè)計

軟件方面，采用的是基于IEEE 802.15.4無線個人網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的ZIGBEE協(xié)議棧，該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是專門為短距離無線局域網(wǎng)設(shè)計的，具有超低功耗的特點。在低耗電待機模式下,2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作 6～24個月,甚至更長，因此滿足無線傳感網(wǎng)。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在文中的系統(tǒng)設(shè)計中，鑒于橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性--要對長達(dá)幾百米的橋梁進(jìn)行監(jiān)控，首先要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪聿贾谜麄€網(wǎng)絡(luò)。ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)中有3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星狀拓?fù)?、樹簇狀拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)洹?/p>

應(yīng)用在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)，由于需要的節(jié)點多，不合適采用星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時，終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)后直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到路由器，路由器經(jīng)過多跳把數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器，這并不要求任意兩個節(jié)點之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此也不適合采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。鑒于以上情況，本設(shè)計采用既滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量大又具有較低復(fù)雜度的樹簇狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。橋梁的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個工作流程如下：協(xié)調(diào)器啟動一個網(wǎng)絡(luò)之后，發(fā)出一個廣播信號，當(dāng)傳感器節(jié)點收到這個信號之后向傳感器發(fā)送一個ACK加入網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點把采集的信號傳送到它的上級路由器，路由器節(jié)點完成一些相關(guān)的數(shù)據(jù)出來后經(jīng)過多跳把數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器。

2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件主要由3大部分組成：傳感器節(jié)點部分、路由器節(jié)點部分和協(xié)調(diào)器部分。傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集的傳輸，路由器節(jié)點主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和中轉(zhuǎn)，協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和進(jìn)行整個網(wǎng)絡(luò)的管理[5]。由于各個部分的功能不同，決定了它們的硬件組成也有所不同。

2.1 傳感器節(jié)點

傳感器器節(jié)點在系統(tǒng)中的主要任務(wù)是：采集橋梁結(jié)構(gòu)健康的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過放大模塊把采集的電壓值放大，濾波模塊，然后經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換把數(shù)據(jù)傳給Atmega128存儲并做簡單的數(shù)據(jù)處理，最后通過CC2430把數(shù)據(jù)發(fā)給路由節(jié)點。根據(jù)傳感器節(jié)點實現(xiàn)的功能，將其硬件結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集電源、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源管理模塊。傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點都是利用電池供電，由于電壓的穩(wěn)定性比較差，因此必須使用電源管理芯片來提供穩(wěn)定的工作電壓，確保系統(tǒng)正常工作。本系統(tǒng)選擇的穩(wěn)壓芯片是 BL8530，電池經(jīng)過 BL8530后為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的 5 V電壓。5 V電壓經(jīng)過TPS79530后降為3 V,為ADS8341的Vref提供穩(wěn)定的參考電壓，而TPS79533為Atmega 128和CC2430提供3.3 V的工作電壓。

2.2 路由器節(jié)點

相比較傳感器節(jié)點，路由器最大的特點是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的在線計算，因此在路由器節(jié)點上需要一個具有高速計算能力的 CPU，現(xiàn)采用的是具有高性能、低功耗的 TMS320VC5509DSP芯片[6]。數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器節(jié)點傳到路由器端的 CC2430，CC2430通過 UART異步串口與DSP進(jìn)行通信，在DSP芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理（FFT,卡爾曼濾波，AR算法，LQR算法），處理后的數(shù)據(jù)再傳到CC2430，進(jìn)過多跳最后送到協(xié)調(diào)器。路由器節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

同上面分析，電源管理模塊確保電路的穩(wěn)定工作。TPS73HD301是雙輸出變壓芯片，輸出電壓為1.6 V和3.3 V，其中1.6 V為TMS320VC5509DSP的內(nèi)核芯片供電，3.3 V則為5509DSP的I/O口供電。

2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點

相比較傳感器節(jié)點和路由器節(jié)點，協(xié)調(diào)器的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接受并通過串口于pc端進(jìn)行信息交互，不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理工作。由于協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)和傳感器大體相同，這里就不再介紹。

3 軟件設(shè)計

與硬件設(shè)計相對應(yīng)，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為無線收發(fā)模塊和節(jié)點采集處理模塊。節(jié)點采集處理模塊首先對傳感信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后將得到的數(shù)字信號儲存起來并做相關(guān)的處理，限于篇幅，這里不對節(jié)點采集處理模塊進(jìn)行深入的討論。下面主要討論的是系統(tǒng)的無線收發(fā)模塊的設(shè)計。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程

由1章可知，協(xié)調(diào)器的主要任務(wù)是建立網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。首先，協(xié)調(diào)器掃描到一個空信道后自動生成一個 PAN AD，設(shè)置協(xié)調(diào)器的短地址為0X0000并選擇網(wǎng)絡(luò)傳輸信道，網(wǎng)絡(luò)建立成功；啟動廣播機制，然后判斷是否有新節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)，如果有要為其分配16位的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址，為接下來的通信做準(zhǔn)備。協(xié)調(diào)器節(jié)點程序流程如圖4所示。

3.2 傳感器節(jié)點程序流程

傳感器節(jié)點首先負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和存儲，然后進(jìn)行簡單的處理后將其發(fā)送至路由器節(jié)點。具體工作流程如下：首先傳感器節(jié)點上電后開始掃描網(wǎng)絡(luò)中是否有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器存在，當(dāng)收到協(xié)調(diào)器的 ACK后，傳感器節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送自己的64位物理地址，申請加入網(wǎng)絡(luò)，然后協(xié)調(diào)器根據(jù)傳感器加入網(wǎng)絡(luò)的先后為其分配16位的網(wǎng)絡(luò)短地址，此時傳感器節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)成功。為了減少能量消耗，傳感器節(jié)點采取需求喚醒工作機制。傳感器節(jié)點流程如圖5所示。

4 結(jié)語

文中基于ZIGBEE無線標(biāo)準(zhǔn)[7]，設(shè)計了適合運用在大型橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，具有低成本，低功耗，高可靠性，高安全性等特點。本設(shè)計從硬件設(shè)計到軟件設(shè)計都充分的考慮了系統(tǒng)的節(jié)能，最大程度延長了無線傳感網(wǎng)的壽命。系統(tǒng)采用樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了復(fù)雜度的同時滿足節(jié)點的大容量需求，特別適合運用在橋梁結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)控。隨著ZIGBEE無線技術(shù)的發(fā)展，相信將更廣泛的服務(wù)人們的生活。

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