橋梁結構健康監控的無線傳感網絡系統設計

鄭俊光， 王建新

（廈門大學 信息科學與技術學院，福建 廈門 361005）

0 引言

建筑結構健康監控是土木工程重要的研究領域之一，傳統的結構健康監控是基于有線的通信技術進行的[1]，但是有線傳輸的成本較高，而且隨著網絡規模的擴大，在一些復雜的工業環境中，進行有線布置的困難日益突出，因此文中提出基于ZIGBEE的無線傳感網的橋梁監控系統。該系統主要實現在不同環境下對橋梁各種緩慢變化參數的檢測，相比較傳統的有線監控，在保證穩定性，可靠性的同時，大大的延長了系統的壽命和系統布置的方便性。

ZIGBEE是一種網絡容量大，節點體積小，低復雜度，低速率，低功耗的短距離無線通信技術，是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術。在ZIGBEE網絡中,節點根據功能的不同可以分為兩類：全功能設備節點（FFD）和簡化功能設備（RFD）。FFD實現了IEEE802.15.4協議的全集，而RFD為了減少能量消耗只實現了 IEEE802.15.4協議中的一部分[2-3]。而這兩種不同功能的節點組成ZIGBEE網絡中的3種邏輯設備類型：協調器、路由器和終端節點。協調器負責啟動整個網絡，是網絡的第一個設備。協調器也可以用來協助建立網絡中安全層和應用層的綁定；路由節點主要協助終端節點的通信，終端節點主要負責數據的采集的發送。根據3種邏輯器件在網絡中的不同作用，協調器和路由器只能由FFD組成，而終端設備可以由FFD或者RFD組成。

以上簡單地分析了ZIGBEE的性能，可以發現它是非常合適應用在橋梁結構健康監控的。

1 系統的結構及其設計

文中的設計目標是在橋梁健康監控系統中通過搭建一個基于ZIGBEE的無線傳感網絡，通過無線網絡把傳感器節點采集的數據經過多跳傳回PC端，實現對橋梁結構健康情況進行實時監控。接下來主要從系統的節能和網絡拓撲兩方面進行討論。

1.1 系統的節能

由于本系統應用在無線網絡傳輸，根據其特點，在設計本系統過程中，從硬件設計和軟件設計兩方面充分地考慮了系統的節能，從而最大程度的延長無線系統的壽命。

1.1.1 硬件節能設計

硬件方面，傳感器節點上采用Atmega 128單片機采集和存儲數據，該芯片是8位的低功耗CMOS處理器；路由器節點上采用的是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芯片（SoC）CMOS解決方案，該芯片具有超低功耗，當控制內核運行在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用在無線傳輸領域的低功耗芯片。

1.1.2 軟件節能設計

軟件方面，采用的是基于IEEE 802.15.4無線個人網標準的ZIGBEE協議棧，該協議標準是專門為短距離無線局域網設計的，具有超低功耗的特點。在低耗電待機模式下,2節5號干電池可支持1個節點工作 6～24個月,甚至更長，因此滿足無線傳感網。

1.2 系統網絡拓撲結構

在文中的系統設計中，鑒于橋梁結構的特殊性--要對長達幾百米的橋梁進行監控，首先要選擇合適的網絡拓撲來布置整個網絡。ZIGBEE網絡中有3種網絡拓撲結構：星狀拓撲、樹簇狀拓撲和網狀拓撲。

應用在橋梁結構健康監控的無線傳感網，由于需要的節點多，不合適采用星狀拓撲結構，同時，終端節點采集數據后直接把數據發送到路由器，路由器經過多跳把數據傳到協調器，這并不要求任意兩個節點之間進行數據傳輸，因此也不適合采用網狀拓撲結構。鑒于以上情況，本設計采用既滿足網絡節點容量大又具有較低復雜度的樹簇狀網絡拓撲結構。橋梁的網狀拓撲結構如圖1所示。

整個工作流程如下：協調器啟動一個網絡之后，發出一個廣播信號，當傳感器節點收到這個信號之后向傳感器發送一個ACK加入網絡。傳感器節點把采集的信號傳送到它的上級路由器，路由器節點完成一些相關的數據出來后經過多跳把數據傳送到協調器。

2 硬件設計

本系統硬件主要由3大部分組成：傳感器節點部分、路由器節點部分和協調器部分。傳感器節點主要負責數據的采集的傳輸，路由器節點主要負責數據的處理和中轉，協調器主要負責數據的接收和進行整個網絡的管理[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 傳感器節點

傳感器器節點在系統中的主要任務是：采集橋梁結構健康的相關數據，經過放大模塊把采集的電壓值放大，濾波模塊，然后經過AD轉換把數據傳給Atmega128存儲并做簡單的數據處理，最后通過CC2430把數據發給路由節點。根據傳感器節點實現的功能，將其硬件結構分為數據采集電源、數據處理單元、數據傳輸單元和電源管理模塊。傳感器節點的結構如圖2所示。

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

2.2 路由器節點

相比較傳感器節點，路由器最大的特點是實現數據的在線計算，因此在路由器節點上需要一個具有高速計算能力的 CPU，現采用的是具有高性能、低功耗的 TMS320VC5509DSP芯片[6]。數據經過傳感器節點傳到路由器端的 CC2430，CC2430通過 UART異步串口與DSP進行通信，在DSP芯片進行數據的處理（FFT,卡爾曼濾波，AR算法，LQR算法），處理后的數據再傳到CC2430，進過多跳最后送到協調器。路由器節點的結構如圖3所示。

同上面分析，電源管理模塊確保電路的穩定工作。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的內核芯片供電，3.3 V則為5509DSP的I/O口供電。

2.3 協調器節點

相比較傳感器節點和路由器節點，協調器的結構比較簡單，主要負責數據的接受并通過串口于pc端進行信息交互，不需要進行數據的處理工作。由于協調器的硬件結構和傳感器大體相同，這里就不再介紹。

3 軟件設計

與硬件設計相對應，本系統的軟件設計分為無線收發模塊和節點采集處理模塊。節點采集處理模塊首先對傳感信號進行A/D轉換，然后將得到的數字信號儲存起來并做相關的處理，限于篇幅，這里不對節點采集處理模塊進行深入的討論。下面主要討論的是系統的無線收發模塊的設計。

3.1 協調器節點程序流程

由1章可知，協調器的主要任務是建立網絡并進行網絡管理。首先，協調器掃描到一個空信道后自動生成一個 PAN AD，設置協調器的短地址為0X0000并選擇網絡傳輸信道，網絡建立成功；啟動廣播機制，然后判斷是否有新節點申請加入網絡，如果有要為其分配16位的網絡節點地址，為接下來的通信做準備。協調器節點程序流程如圖4所示。

3.2 傳感器節點程序流程

傳感器節點首先負責數據的采集和存儲，然后進行簡單的處理后將其發送至路由器節點。具體工作流程如下：首先傳感器節點上電后開始掃描網絡中是否有網絡協調器存在，當收到協調器的 ACK后，傳感器節點向網絡協調器發送自己的64位物理地址，申請加入網絡，然后協調器根據傳感器加入網絡的先后為其分配16位的網絡短地址，此時傳感器節點申請加入網絡成功。為了減少能量消耗，傳感器節點采取需求喚醒工作機制。傳感器節點流程如圖5所示。

4 結語

文中基于ZIGBEE無線標準[7]，設計了適合運用在大型橋梁結構健康監控的無線傳感網絡，具有低成本，低功耗，高可靠性，高安全性等特點。本設計從硬件設計到軟件設計都充分的考慮了系統的節能，最大程度延長了無線傳感網的壽命。系統采用樹狀網絡拓撲結構，減少了復雜度的同時滿足節點的大容量需求，特別適合運用在橋梁結構的健康監控。隨著ZIGBEE無線技術的發展，相信將更廣泛的服務人們的生活。

[1] LI F W,LI J K,JING J F.Wireless Temperature Monitoring System based on the ZigBee Technology[C]//IEEE.2010 2nd International Conference on Computer Engineering and Technology(ICCET). [s.l.]:IEEE,2010:160-163.

[2] 高守瑋，吳燦陽.ZIGBEE技術實踐教程：基于CC2430/31的無線傳感器網絡解決方案[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009：56-61.

[3] 李文仲，段朝玉.ZIGBEE無線網絡技術入門與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007:122-133.

[4] Chipcon Inc.SmartRF@CC2430 Preliminary[S].USA:Texas Instruments Incorporated,2005.

[5] WANG J X，GONG H，SONG Y. The Application of Wireless Sensor Networks for SHM[C]//Proceeding of SPIE.USA:[s.n.] ,2010:764818-764824.

[6] Texas Instruments Corp.TMS320VC5509 Fixed-Point Digital Signal Processor[S].USA:Texas Instruments Corp，2004.

[7] 徐志，陳彬兵. 自組織 ZigBee網絡節點通信研究[J].通信技術，2009,42(12):128-131.