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发布时间：2014-12-19 17:25所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
随着车辆数量的急剧增加造成了桥梁的高负荷承载，使得桥梁结构不可避免地出现一定程度的损伤与抗力衰减，加之近年来我国桥梁建设发展迅速，质量问题也是一个不可回避的问题，及时监测桥梁的桥梁健康状态，避免桥梁坍塌事故发生，具有十分重要的意义。 摘 要
随着车辆数量的急剧增加造成了桥梁的高负荷承载，使得桥梁结构不可避免地出现一定程度的损伤与抗力衰减，加之近年来我国桥梁建设发展迅速，质量问题也是一个不可回避的问题，及时监测桥梁的桥梁健康状态，避免桥梁坍塌事故发生，具有十分重要的意义。
摘 要： 设计实现了一种基于ZigBee无线组网的桥梁索力测量系统。该系统采用TI公司的CC2530芯片组建无线数据传输网络，采用MEMS传感器对桥梁多个拉索进行布点，用STM32芯片组成控制处理模块，实现一次性同步得到桥梁多拉索的索力数据，解决了桥梁监测数据采集麻烦问题。该系统具有节点功耗小、传输距离远、组网容易、成本低、网络容量大等优势，现场应用实验效果较好。
关键词： 机械工程学报投稿,ZigBee组网,索力测量,WSN,MEMS传感器
Bridge cable force measurement of wireless networking system
WEN Jian 1， TANG Li?jun1， HE Hui?yong1， ZHANG Jian?ren2， YANG Qi?wu1， BIN Feng1， PENG Yan?yun1
(1. School of Physics and Electronic Science1， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410004， China;
2. School of Civil Engineering and Architecture， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410004， China)
Abstract： A kind of bridge cable force measurement system based on ZigBee wireless networking was designed， in which TI's CC2530 chip was used to set up a wireless data transmission network， MEMS sensors was distributed to the measured points on multiple bridge cables， and STM32 chip was employed to constitute a control processing module to achieve the one?time sync cable force data of multiple bridge cables to solve the troublesome problem of bridge monitoring data acquisition. The system has small node power consumption， long transmission distance， easy networking， low?cost， large network capacity and other advantages. Field application experiment effect is better.
Keywords： ZigBee wireless networking; cable force measurement; WSN; MEMS sensor
0 引 言
采用频率法测定索力[1]， 不仅方便， 适应多种工况， 设备可重复使用， 且测量精度高， 在桥梁索力测量中广泛使用[2]。传统的桥梁索力测量系统中，数据采集一般基于有线方式，存在安装布线繁琐、维护复杂、施工周期长、建设成本高、可移动性和扩展性差等缺点[3]。无线数据采集方式如WiFi、NRF903、GSM、蓝牙等，分别存在节点功耗大、传输距离短、组网难度大、节点容量小等问题 [4]。本文利用ZigBee技术具有节点功耗小、传输距离远、组网容易、成本低、网络容量大等优势[5]，采用数字接口的MEMS传感器，设计桥梁索力测量系统以实现方便、快速、同步多点测量桥梁的多拉索的索力，及时监测桥梁的健康状态。
1 系统设计
桥梁跨度大，需要检测的部分分散，必须在所有拉索上布置多个采集节点，若不采取无线方式，需要对所有节点数据进行人工采集，将会耗时耗力。利用WiFi、NRF903、 GSM、蓝牙等无线数据采集方式，因节点功耗大、节点容量小等问题使得组网难度大。本系统采用ZigBee技术实现系统网络的组建、数据的传输以及数据的处理显示。系统设计为分布式体系结构，主要包含数据采集终端和数据处理模块两个部分，数据采集终端由ZigBee终端和ZigBee协调器(与上位机交互的终端)组成。系统结构如图1所示。
系统工作流程：首先操作人员操作触控显示设备设置参数并且选择命令，然后数据处理中心的STM32处理器通过RS 232接口向数据采集终端的ZigBee协调器发送命令，ZigBee协调器根据数据处理中心发送的控制命令以广播形式通过ZigBee网络将控制数据发送到对应的终端，对终端进行唤醒、休眠的操作以及加速度计的数据采集，ZigBee终端采集加速度计的数据后通过无线网络传输到ZigBee协调器，再通过RS 232接口将采集到的数据发送到数据处理模块，最后通过数据处理模块汇总数据后进行处理，并且显示触控显示并存储在设备上。 1.1 硬件系统设计
1.1.1 ZigBee数据采集终端节点设计
ZigBee数据采集终端节点的硬件主要由ZigBee模块、稳压模块、加速度传感器和数据存储器四个部分组成，如图2所示。ZigBee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，例如读出加速度传感器的数据，将数据存储到数据存储器内，以及通过ZigBee网络将数据传输至其他节点等功能。
为使各节点稳定工作，需设计稳压模块为各节点提供可靠电源。稳压模块采用SPX1117芯片，该芯片非常适合于小封装的低功耗设计，其功能是将锂电池提供的3.7 V电压转换为终端节点所需的3.3 V电压，其电路如图3所示，图中的按键为电源开关，在芯片的第3脚和第2脚分别加0.1 μF和2.2 μF的旁路电容，以提高电源的稳定性，芯片的散热端与第2脚相连有利于芯片的散热。
加速度传感器采用MMA7455芯片，其电路如图4所示，该芯片具有低功耗模式，在无需采集数据的时候进入低功耗模式模式可以省电，该芯片具有2 g、4 g和8 g三种量程可供选择，适应于不同的桥梁振动频率，该芯片与ZigBee模块采用I2C协议通信，连线简单，占用I/O口少。
数据存储器采用 AT24C08芯片，其电路如图5所示，该芯片具有8 KB的容量，第7脚为写保护端，当为低电平时，才允许正常的读写操作，该芯片用来存储ZigBee模块从加速度计采集来的数据，可有效地解决较快的数据采集速率和较低的无线数据传输速率之间的矛盾。
1.1.2 数据处理模块设计
数据处理模块主要由STM32控制系统、LCD 触摸屏、存储器及3.3 V电源4部分构成。STM32控制系统为该系统的核心，负责管理系统中各部分的协调工作，如通过FSMC接口驱动LCD屏、使用触摸屏控制器检测触点坐标、通过USART与ZigBee协调器模块进行数据通信以及通过SDIO与存储器进行数据通信等。3.3 V电源使系统使系统稳定工作。
数据处理模块采用的微处理器为STM32F103VET6芯片，工作频率为72 MHz。存储器采用MicroSD卡，根据需要可选择不同的容量，非常合适于大批量的数据存储，并且可以运行系统文件，其与微处理器芯片内部专用的 SDIO接口通信。LCD液晶、触摸屏作为系统的输入输出设备，自带液晶屏和触摸屏的驱动电路，其与微处理器内部的FSMC接口通信。ZigBee协调器相当于STM32控制系统和ZigBee数据采集终端节点之间的中转站，其与 STM32控制系统通过UART通信，与ZigBee数据采集终端节点通过ZigBee网络进行无线通信。
1.2 软件系统设计
1.2.1 数据处理模块与ZigBee协调器的通信
数据处理模块作为整个无线索力测量系统的上位机，主要负责控制信息的输入、数据的处理与检测结果的输出，其软件流程图如图7所示。
STM32通过ZigBee网络得到MEMS传感器节点获取的加速度信号，得到拉索振动信号，得到斜拉索拉力。计算方法为：通过FFT能获得自功率频谱图，选FFT后频谱图上的峰值最高点为计算基础( 简称为主振频率f (n)，以相邻两峰值点之间的频率差最小值为基频， 用主振频率[fn]除以此频率差最小值作为主振频率[fn]的阶次n。是利用弦振动理论，可得到斜拉索拉力与其自振频率之间的关系：
[T=4ωL2f2nn2g] (1)
式中：[ω] 为单位长度索重;g为重力加速度;T为斜拉索的张力;L为斜拉索的索长;[fn]为斜拉索的第n阶自振频率n为振动阶数。
工作流程为：上电之后首先进行外围器件的初始化，例如触屏，显示屏和串口等，然后判断开始按钮是否被按下，当开始按钮被按下后，整个系统进入数据采集阶段，即：上位机通过串口向网络协调器发送采集数据命令控制符0x86，然后进入等待状态，等到有数据从协调器发送过来之后便将数据进行处理、存储，最终显示到触摸屏上，直至收集完所有终端的数据为止。
1.2.2 ZigBee协调器传输指令及数据
网络协调器相当于中转站的作用，是整个无线网络的核心。其软件流程图如图8网络协调器开始时反复查询是否收到上位机的采集数据的命令请求，如果没有收到则继续查询，如果收到则将该命令以广播方式转发给各个数据采集终端，数据采集终端收到命令后先对命令进行解析，然后采集命令中所需的数据量，采集完后立马打包发送给网络协调器并自动进入低功耗状态，网络协调器每收到一个终端节点的采集数据就立马通过串口将该数据传给上位机，直至收集完所有终端的数据为止。
1.2.3 ZigBee终端设备采集数据
终端采集设备是负责控制加速传感器采集数据并且无线发送至协调器。其软件流程图如图9所示。设备开始运行之后首先检测是否有协调器发送的采集数据指令，如果没有采集数据指令则终端设备进入休眠定时状态，如果有采集数据指令的话终端设备进入工作状态，开始采集加速度计的数据，然后经无线网络发送到协调器，在与协调器握手之后确认信息是否发送完全，一旦信息发送完毕则设备自动进入定时休眠状态，等待下一次的自动唤醒，然后查询是否有采集数据指令事件。
2 系统现场应用结果
2.1 现场试验
根据以上设计方案，设计出了实验样机。在实验室模拟测试基础上，将样机在湖南省长沙市洪山大桥上进行现场测试。该桥是目前世界上跨度最大的竖琴式无背索斜塔斜拉桥，主跨206 m，宽度33.2 m。测试过程中，将5组数据采集终端绑定在距离桥面2.5 m的桥梁拉索上，两模块之间的距离为20 m，数据处理模块位于采集终端的最右端，如图10所示(图中红色方块为数据采集模块，黑色方块为数据处理模块)。首先数据处理模块上电，通过控制协调器组建一个网络，然后再打开各采集终端加入网络，最后根据触控屏上的菜单先后进行数据的采集处理和显示的操作。当桥面少有车辆通过时进行数据测量，分别记录 200组桥梁拉索震动数据。现场测试的实验样机：STM32数据处理终端、ZigBee协调器、ZigBee采集终端1、采集终端5，见图11。 2.2 实验数据分析
终端每接收到一次数据处理模块的数据采集命令，就开始通过MEMS传感器以相同的间隔连续采集64个数据，然后以数据包的形式通过ZigBee网络发送给数据处理模块，终端发送的数据包如图12所示，数据包的包头为AA包尾为55。
数据处理终端接收到数据后进行FFT运算并且计算出其基频，数据处理终端界面如图13所示，该界面包括拉索振动的频谱分析图、控制菜单和基频数据。图中所示检测到的基频数据分别为：0.847 5，0.632 4，0.481 3，0.324 6，0.205 7。
为了验证系统对采集到数据处理的准确性，将现场处理数据与后期处理数据进行了对比。在实地测量之后，将存放在SD卡中的加速度数据随机抽取两组，并用 Matlab软件进行快速傅里叶变换，得到如图14、图15的频谱图，与现场测试数据进行对照，得出第一组数据的基频：0.823 6，第二组数据的基频：0.627 8。与数据处理模块所得数据基本一致。
通过在跨浏阳河洪山大桥的实地检测后，验证了基于ZigBee无线组网索力测量系统的可行性。
3 结 论
采用抗干扰能力强的ZigBee自组网网络进行信息的传输，通过STM32处理器对数据进行实时处理及显示设计实现了基于ZigBee无线组网的桥梁索力测量系统。系统整个网络增减传感器无需对系统进行重新布线，对不同结构状态的桥梁都能实现数据的集中采集，ZigBee数据采集终端节点可自动休眠和唤醒，
参考文献
[1] ZHUANG Xiao?qi， ZHANG Lijun， FANG Min ， et al. An embedded system of bridge stress monitoring based on ARM9 and ZigBee [C]// 2010 IEEE International Conference on Electrical and Control Engineering. [S.l.]： IEEE， 2010： 1211?1216.
[2] 张永梅，王凯峰，马礼.基于ZigBee和GPRS的嵌入式远程监测系统的设计[J].计算机科学，2012：32?35.
[3] 吴康雄，刘克明，杨金喜.基于频率法的索力测量系统[J].中国公路学报，2006，19(2)：62?66.
[4] 刘新辉，张怡，柴清.基于ZigBee 和ARM的数据采集与监控系统设计及应用[J].自动化与仪器仪表，2013(1)：91?92.
[5] LEE Jin?shyan， SU Yu?wei， SHEN Chung?chou. A comparative study of wireless protocols： bluetooth， UWB， ZigBee， and Wi?Fi [C]// The 33rd Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society. Taipei， Taiwan， China： IEEE Industrial Electronics Society， 2007： 46?51.
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《机械工程学报投稿桥梁索力测量无线组网系统》