基于MEMS的橋梁拉索振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

樊清江 王津 溫建 劉文 唐立軍

引言：文中介紹了一種基于MEMS傳感器的橋梁拉索振動(dòng)加速度檢測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用于橋梁索力加速度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測(cè)量和傳輸。本系統(tǒng)采用MEMS傳感器獲取索力加速度，通過ZigBee模塊組建的網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并通過PC上位機(jī)界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、儲(chǔ)存及顯示。

在現(xiàn)代社會(huì)中橋梁已成為了交通運(yùn)輸系統(tǒng)的重要樞紐，由于受到自然因素及車輛增多等影響，橋梁結(jié)構(gòu)均受到了不同程度的損傷，導(dǎo)致諸多意外事故的發(fā)生。因此，設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)橋梁健康狀態(tài)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要意義[1]。

傳統(tǒng)的橋梁拉索的加速度人工檢測(cè)方法有較多局限性，如在連線時(shí)較為繁瑣、檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)不能及時(shí)發(fā)送等 [2]。其他無線數(shù)據(jù)采集方式如wifi、IrDA、UWB技術(shù)、藍(lán)牙等，也均存在節(jié)點(diǎn)功耗大、傳輸距離短、組網(wǎng)難度大、成本高、節(jié)點(diǎn)容量小等問題[3]。本文所設(shè)計(jì)的橋梁索力加速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的ZigBee技術(shù)具有功耗、成本、復(fù)雜度均較低等優(yōu)勢(shì)，且采用的MEMS傳感器也具有高精確度、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

橋梁跨度大，需采集的節(jié)點(diǎn)多；系統(tǒng)覆蓋范圍廣，采集節(jié)點(diǎn)具有分散性。本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建傳輸網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)主要包括采集終端、ZigBee協(xié)調(diào)器和PC上位機(jī)組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)工作流程為：操作人員通過PC上位機(jī)界面發(fā)送采集命令，ZigBee協(xié)調(diào)器接收到采集信號(hào)后將指令傳輸給各采集終端，采集終端收到命令后采集加速度數(shù)據(jù)，并通過ZigBee發(fā)送終端發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，而協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)傳送給PC上位機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與顯示。

（一）硬件設(shè)計(jì)

1、加速度采集模塊設(shè)計(jì)

采集模塊主要由ZigBee模塊、穩(wěn)壓模塊、加速度傳感器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器4部分組成。ZigBee模塊是該節(jié)點(diǎn)的核心模塊，主要負(fù)責(zé)管理節(jié)點(diǎn)中各模塊的協(xié)調(diào)工作；采集加速度模塊利用較為方便的MMA7455加速度傳感器；MMA7455加速度傳感器輸出的是數(shù)字量，節(jié)省了對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的需要，并具有低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

2、中繼模塊設(shè)計(jì)

本文選用CC2530芯片作為ZigBee模塊的射頻芯片，克服了傳統(tǒng)射頻芯片的技術(shù)缺陷，如通信距離短、集成度低等。CC2530芯片結(jié)合了RF收發(fā)器和C8051控制內(nèi)核的優(yōu)點(diǎn)，可在系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)編程閃存[5]。其的封裝尺寸更小，且具有更大的緩存容量，F(xiàn)lash存儲(chǔ)容量可達(dá)256KB，理想環(huán)境下的最大通信距離可達(dá)400m。

3、電源管理模塊設(shè)計(jì)

ZigBee模塊底層電路板的電源管理模塊電路如圖2所示，撥動(dòng)開關(guān)SW2可選擇外接電源或電池供電的方式。外接電源模式下，由USB電纜提供+5 V電壓或由+5V直流電源供電，再經(jīng)線性穩(wěn)壓器TPS79533轉(zhuǎn)換為3.3V電壓輸出。為了減少穩(wěn)壓器內(nèi)部的輸出噪聲和電壓噪聲，PASS引腳連接一個(gè)0.01μF電容。

（二）軟件設(shè)計(jì)

1、采集模塊程序設(shè)計(jì)

加速度傳感器的驅(qū)動(dòng)程序包含兩個(gè)子程序，初始化函數(shù)和讀取傳感器采樣值函數(shù)。ZigBee采集模塊的網(wǎng)絡(luò)流程如圖2所示。

2、ZigBee模塊程序設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器相當(dāng)于中轉(zhuǎn)站作用，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，其的軟件流程如圖3所示。ZigBee協(xié)調(diào)器開始時(shí)反復(fù)查詢是否收到上位機(jī)的采集數(shù)據(jù)命令請(qǐng)求，數(shù)據(jù)采集終端在收到命令后先進(jìn)行解析，然后采集命令中所需的數(shù)據(jù)量，當(dāng)采集完后立即打包發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器并自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，ZigBee協(xié)調(diào)器每收到一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)便及時(shí)的通過串口將該數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，直至收集完所有終端的數(shù)據(jù)為止。

3、上位機(jī)與ZigBee協(xié)調(diào)器通信

上位機(jī)是系統(tǒng)信息輸入輸出模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，其軟件流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行外圍器件的初始化，如觸屏、串口和顯示屏等。然后判斷開始按鈕是否被按下，當(dāng)開始按鈕被按下后，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段，等到有數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器發(fā)送過來后便將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，并最終顯示到觸摸屏上，直至收集完所有終端的數(shù)據(jù)為止。

二、實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程及結(jié)果顯示

在測(cè)試過程中，將兩組數(shù)據(jù)采集終端綁定在相距200 m的橋梁模型的拉索上，協(xié)調(diào)器模塊和PC上位機(jī)放在兩個(gè)采集終端中間，具體步驟如下：

步驟1 打開協(xié)調(diào)器電源開關(guān)，待LED3亮起后，表明協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)建立成功；

步驟2 將ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口線與PC上位機(jī)相連，并打開串口調(diào)試助手，設(shè)置其參數(shù)，當(dāng)串口助手界面指示顯紅色標(biāo)志時(shí)表明連接成功；

步驟3 打開ZigBee采集終端電源，待LED3亮起后表明加入網(wǎng)絡(luò)成功；

步驟4 將協(xié)調(diào)器進(jìn)行復(fù)位，待LED3再次亮起時(shí)復(fù)位ZigBee采集終端，數(shù)據(jù)開始傳輸，在串口調(diào)試助手端接收到所采集的加速度數(shù)據(jù)。

終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包如圖5所示。數(shù)據(jù)處理終端接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行FFT運(yùn)算，得到有效加速度數(shù)值，該數(shù)據(jù)處理終端界面如圖6所示。

三、結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過上位機(jī)下達(dá)采集加速度指令，采集終端收到指令采集加速度數(shù)據(jù)，ZigBee發(fā)送終端將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將所采集的加速度數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，并在界面上顯示所采集的橋梁拉索的加速度值。從而達(dá)到了實(shí)時(shí)檢測(cè)橋梁拉索加速度的目的。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院）

作者簡(jiǎn)介

樊清江（1990-），男，本科，研究方向：光信息科學(xué)與技術(shù)。