基于ZigBee技術的多點應變監測系統設計

龔一朋，李子明，王澤林，干嘯洪，劉增華，何存富

（1.浙江省交通運輸廳工程質量監督局，浙江 杭州 311215；2.北京工業大學 機電學院，北京 100124；3.慈溪市公路建設工程指揮部，浙江 慈溪 315300）

在路橋、隧道的施工與使用過程中，需要實時監測外部環境的各種影響因素，通過監測到的數據來判斷路橋和隧道結構的健康狀況，以確保這些結構的安全使用和運行。其中，應變就是這些工程普遍需要監測的參數之一。然而，傳統的應變監測方法幾乎都是采用有線連接的方式對應變進行監測，典型的做法就是將應變儀與測量儀器通過幾米甚至幾十米長的電纜直接相連。這不僅造成了布線繁瑣、施工不便和費用昂貴等問題，同時由于長導線電阻及導線分布電容等因素的影響，還會使測量到的應變值無法達到很高的測量精度[1]。面對存在的種種問題，一種全新的、可遠距離通過無線操作的測量方式應運而生，該技術在保證應變測量結果準確性的基礎上，避免了有線連接所帶來的布線及費用方面的問題，提高了無線應變監測技術在我國路橋和隧道監測領域應用的潛力。

常見的無線通信技術有蜂窩技術、UWB技術、Wifi技術、NFC技術、藍牙技術和ZigBee技術等。本文綜合考慮了現場網絡信號弱、野外環境惡劣、監測范圍小、被測數據數量相對較少等因素，并結合ZigBee技術低功耗、低成本、低復雜度、低傳輸速率、較遠的傳輸距離等特點[2]，及其協調器設備自組網的功能，提出了一種基于ZigBee無線通信技術的多點應變監測系統。

1 系統總體架構

ZigBee無線通信技術定義了三種邏輯設備類型，分別是協調器設備、路由設備及終端設備[3]。在此概念的基礎上，本系統由一個協調器設備、多個路由設備和多個終端設備構成。圖1所示為本系統整體框架圖。

圖1 系統整體框架圖

其中，終端設備分散布置在監測區域的關鍵部位，每個終端設備可實時采集至少兩個被測點的應變值，并將采集到的應變數據通過無線發射模塊發送出去。路由設備接收數據并將數據轉發到協調器設備，協調器設備再將接收到的數據通過RS232串口傳輸到電腦監測軟件上進行顯示。

2 系統硬件電路設計

2.1 終端設備

終端設備由應變電橋模塊、信號處理模塊、無線射頻模塊以及電源模塊構成[4]。四個模塊有序分工形成統一的整體，保證了應變信號的正確采集。該硬件模塊體積小巧、便攜易帶，成品尺寸僅為51mm×40mm。圖2所示為終端設備硬件框架圖，下文將分別對每個模塊進行詳細介紹。

圖2 終端設備硬件框架圖

應變電橋模塊與被測結構用固體膠直接粘貼接觸，通過搭建惠斯通電橋來測量結構的應變值。根據電橋原理，考慮到設備工作環境惡劣，選擇半橋或全橋方式搭建，這樣既可以自動進行溫度補償，又能提高測量靈敏度。電橋兩端輸出的差分電壓值即反映結構應變變化，同時該電壓也作為輸入，送入后續調理電路等待進一步處理。

應變電橋輸出差分電壓范圍一般是μV或者mV級，信號處理模塊則主要負責將應變電橋輸出的微小電信號進行放大、濾波，其中，放大電路主要用于得到微控制器I／O口輸入的模擬電信號；濾波電路則主要用于濾除外部高頻噪聲干擾，得到較平滑的低頻信號，提高系統對應變信號的識別能力。調理后的模擬電信號經微控制器內部的ADC轉換為數字信號，由內部CPU對數據進行分析處理，并將數據結果進行封裝后通過后續射頻電路無線傳輸。

無線射頻模塊包含在信號處理模塊的微控制器中，和ADC以及CPU共同集成在同一芯片中。這里選用美國TI公司的CC2530芯片。該芯片是一款完全兼容8051內核，同時支持IEEE 802.15.4協議的無線射頻單片機，是一個真正的系統芯片CMOS解決方案[5]；具有一個超低功耗的8K SRAM，當數字部分掉電時能夠保留自己的內容；具有可以選擇的32KB／64KB／128KB／256KB Flash容量，為設備提供內電路可編程的非易失性程序存儲器[6]。CC2530還具備電源管理功能，可以通過使用不同供電模式來延長電池的使用壽命。另外，CC2530還包括許多不同的外設，以方便設計者進行不同應用的開發。同時，CC2530可以配備TI公司的其他專有或標準兼容的網絡協議棧來簡化開發，如RemoTI，Simplici-TI或Z－Stack等。由于其硬件電路結構設計簡單，封裝小，成本低，功耗低，協議棧開發簡單，因此在無線傳感器網絡中得到了越來越廣泛的應用[7]。

電源模塊是整個終端設備的核心，起到能量供給的作用，是整個設備能夠正常運行的保障。本系統選用電池供電，常見的電池種類有干電池、可充電鋰電池、鎳氫電池、紐扣電池和鎳鎘電池等，本系統選用干電池作為能量供給[8]。作為無線終端，除了體積小巧，還要具有低功耗特性。為延長電池的使用壽命，軟件算法中采取CC2530的睡眠模式，當終端設備不采集應變值，即設備不工作時，將終端置于睡眠狀態；當終端設備采集應變值，即設備工作時，將終端置于喚醒狀態。

2.2 路由設備

路由設備的功能包括協助與其連接的終端和協調器之間的通信，通過多跳路由的方式擴大通信距離。路由設備不具備數據采集功能，因此路由設備與終端設備相比不存在應變電橋模塊和信號處理模塊。路由設備硬件框架如圖3所示。

圖3 路由設備硬件框架圖

路由設備與多個終端設備相連，因此應一直處于工作狀態以便能夠實時接收來自不同終端設備的數據包，對設備供電提出了較高的要求。為了保證在電池供電的情形下，終端設備數據還能夠正確傳輸，選取網狀拓撲結構組建ZigBee網絡，這樣可以保證當某些路由設備失效時，終端設備可以選擇其他路由設備轉發數據包，以提高系統的可靠性。

2.3 協調器設備

協調器設備是整個ZigBee無線傳感器網絡的核心，在系統的運行和維護中起著至關重要的作用。協調器設備負責整個網絡的建立和維護，并管理路由或終端設備節點的加入和刪除[5]。當整個網絡的啟動和配置完成之后，它的功能退化為一個普通路由設備，此時，可以接收路由設備或終端設備發送的數據包，并將該數據包通過串口模塊轉發到計算機監控軟件。

協調器設備與路由設備相比，增加了串口通信模塊。本系統采用RS232接口，選用美信公司的MAX3232芯片實現TTL到RS232電平的轉換。協調器設備硬件框架如圖4所示。為了保證整個網絡的可靠性，協調器設備采用外部供電的方式。

圖4 路由設備硬件框架圖

3 系統軟件程序設計

3.1 下位機軟件算法流程

該多點應變監測系統使用IAR Embedded Workbench集成開發環境，在TI公司提供的ZStack－CC2530－2.2.2－1.3.0協議棧的基礎上進行了該系統應用程序的開發[9]。Z－Stack協議棧并不是一個完全開源的協議代碼集，但是卻提供了大量的應用程序接口函數供用戶開發使用，用戶在正確使用這些函數的基礎上即可實現系統的程序開發。

對于連接監控中心PC機的協調器設備，系統上電后，首先進行硬件和協議棧的初始化，然后進行信道掃描和空閑信道評估，從而選擇合適的工作參數，最后允許終端設備連接，建立網絡。網絡建成后，協調器設備一直監測無線信號，當檢測到數據請求時，會接收并轉發數據至串口端。當協調器發送數據完成后，將處于空閑狀態，此時若有新的設備加入網絡，則協調器將與其建立連接并為其分配網絡地址[10]。

路由設備成功加入網絡后，一直處于監測無線信號的狀態。當檢測到有數據請求命令時，對該數據進行路由轉發。終端設備成功加入網絡后，則根據程序內部定時器設定的時間進行數據的周期性接收與發送。圖5所示即為三種設備節點的軟件流程圖。

圖5 設備節點軟件流程圖

3.2 上位機監測軟件

對于電腦端的監測界面，采用LabVIEW圖形化編輯軟件進行開發設計，該軟件具備操作簡單、界面友好等特點，基本上不需要用戶編寫語言代碼，而是用框圖或者流程圖的形式進行編寫。本系統所設計的監測軟件流程如圖6所示。

圖6 LabVIEW軟件流程圖

首先，在監測界面進行參數設置，包括串口設置以及報警閾值設置。點擊運行開始監測后，協調器設備匯聚的數據則會通過RS232串口直接發送至上位機軟件的串口緩存區，并在監測界面進行實時顯示，同時LabVIEW軟件內嵌了Microsoft Office Access數據庫，自動保存采集數據。若所測應變值超過所設置報警閾值，則會在監測界面顯示報警提示對話框，同時報警指示燈亮，否則軟件正常顯示。若需要對所采集歷史數據進行查詢，則軟件將會進入查詢界面，以表格形式顯示出所有歷史數據，同時繪制曲線以直觀地顯示數據變化情況。

4 系統測試

測試系統采用網狀拓撲結構進行測試。所搭建的ZigBee無線傳感器網絡由計算機、協調器設備、兩個路由設備和一個終端設備組成。被測對象用兩把薄鋼尺模擬，應變電橋均采用全橋搭接，將所有硬件設備一同置于室外環境中進行現場環境模擬。設置計算機監控界面串口所在端口為計算機與協調器設備相連的端口，波特率設為38 400，校驗位None，停止位1，數據位8。數據包格式如表1所示。開始測試時，依次啟動協調器、路由和終端設備，同時任意變換路由或終端設備的位置，在監測界面則實時顯示被測點的應變值。圖7即為某時刻被測點的應變值采集結果。

表1 數據包格式

圖7 監測軟件顯示結果

對圖7顯示結果進行分析，其中監測日期即系統啟動時間，而中間數據顯示區時間即采集應變值的時刻。從圖中可以看出，在單個終端設備的情況下，該系統能夠實現對至少兩個被測點應變值的監測。若終端設備較多時，則會在數據顯示區中按照順序依次顯示。在實驗過程中，隨著路由和終端設備遠離協調器，可以確定路由設備起到中繼傳輸的作用，擴展了終端設備與協調器之間的傳輸距離。然而由于路由設備不具備采集功能，因此這里并未顯示出路由設備的工作時間。通過上述實驗，可以證實該系統不僅實現了應變的無線監測，同時還可通過多跳路由的方式實現遠距離監測。

5 結語

綜上所述，本文所搭建的基于ZigBee無線通信技術的多點應變監測系統具有無線、實時監測的功能，且終端設備體積小、功耗低，能夠長時間進行在線監測。路由設備起到中繼傳輸的作用，并用于數據轉發。協調器設備是本系統中網絡的核心，建立、管理及維護網絡。LabVIEW監控軟件的設計人性化、智能化，相較于傳統的有線監測，該無線監測系統的設計和開發具有應用于工程實際檢測的潛力。

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