基于MEMS的橋梁拉索振動加速度監測系統

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加速度檢測系統，應用于橋梁索力加速度數據的實時測量和傳輸。本系統采用MEMS傳感器獲取索力加速度，通過ZigBee模塊組建的網絡將數據進行傳輸，并通過PC上位機界面對數據進行處理、儲存及顯示。

在現代社會中橋梁已成為了交通運輸系統的重要樞紐，由于受到自然因素及車輛增多等影響，橋梁結構均受到了不同程度的損傷，導致諸多意外事故的發生。因此，設計一種實時橋梁健康狀態的監測系統具有重要意義[1]。

傳統的橋梁拉索的加速度人工檢測方法有較多局限性，如在連線時較為繁瑣、檢測數據時不能及時發送等 [2]。其他無線數據采集方式如wifi、IrDA、UWB技術、藍牙等，也均存在節點功耗大、傳輸距離短、組網難度大、成本高、節點容量小等問題[3]。本文所設計的橋梁索力加速度監測系統采用的ZigBee技術具有功耗、成本、復雜度均較低等優勢，且采用的MEMS傳感器也具有高精確度、低功耗、抗干擾能力強等特點。

一、系統設計

橋梁跨度大，需采集的節點多；系統覆蓋范圍廣，采集節點具有分散性。本系統采用ZigBee技術構建傳輸網絡。系統主要包括采集終端、ZigBee協調器和PC上位機組成。其結構如圖1所示。

系統工作流程為：操作人員通過PC上位機界面發送采集命令，ZigBee協調器接收到采集信號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據，并通過ZigBee發送終端發送至ZigBee協調器，而協調器通過串口將數據傳送給PC上位機，進行數據處理與顯示。

（一）硬件設計

1、加速度采集模塊設計

采集模塊主要由ZigBee模塊、穩壓模塊、加速度傳感器和數據存儲器4部分組成。ZigBee模塊是該節點的核心模塊，主要負責管理節點中各模塊的協調工作；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字量，節省了對A/D轉換的需要，并具有低成本、低功耗等優點。

2、中繼模塊設計

本文選用CC2530芯片作為ZigBee模塊的射頻芯片，克服了傳統射頻芯片的技術缺陷，如通信距離短、集成度低等。CC2530芯片結合了RF收發器和C8051控制內核的優點，可在系統內實現編程閃存[5]。其的封裝尺寸更小，且具有更大的緩存容量，Flash存儲容量可達256KB，理想環境下的最大通信距離可達400m。

3、電源管理模塊設計

ZigBee模塊底層電路板的電源管理模塊電路如圖2所示，撥動開關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，再經線性穩壓器TPS79533轉換為3.3V電壓輸出。為了減少穩壓器內部的輸出噪聲和電壓噪聲，PASS引腳連接一個0.01μF電容。

（二）軟件設計

1、采集模塊程序設計

加速度傳感器的驅動程序包含兩個子程序，初始化函數和讀取傳感器采樣值函數。ZigBee采集模塊的網絡流程如圖2所示。

2、ZigBee模塊程序設計

ZigBee協調器相當于中轉站作用，是整個網絡的核心，其的軟件流程如圖3所示。ZigBee協調器開始時反復查詢是否收到上位機的采集數據命令請求，數據采集終端在收到命令后先進行解析，然后采集命令中所需的數據量，當采集完后立即打包發送給ZigBee協調器并自動進入低功耗狀態，ZigBee協調器每收到一個終端節點的采集數據便及時的通過串口將該數據傳給上位機，直至收集完所有終端的數據為止。

3、上位機與ZigBee協調器通信

上位機是系統信息輸入輸出模塊和數據處理模塊，其軟件流程如圖4所示。系統上電后首先進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，當開始按鈕被按下后，整個系統進入數據采集階段，等到有數據從協調器發送過來后便將數據進行處理、存儲，并最終顯示到觸摸屏上，直至收集完所有終端的數據為止。

二、實驗測試過程及結果顯示

在測試過程中，將兩組數據采集終端綁定在相距200 m的橋梁模型的拉索上，協調器模塊和PC上位機放在兩個采集終端中間，具體步驟如下：

步驟1 打開協調器電源開關，待LED3亮起后，表明協調器網絡建立成功；

步驟2 將ZigBee協調器通過串口線與PC上位機相連，并打開串口調試助手，設置其參數，當串口助手界面指示顯紅色標志時表明連接成功；

步驟3 打開ZigBee采集終端電源，待LED3亮起后表明加入網絡成功；

步驟4 將協調器進行復位，待LED3再次亮起時復位ZigBee采集終端，數據開始傳輸，在串口調試助手端接收到所采集的加速度數據。

終端發送的數據包如圖5所示。數據處理終端接收到數據后進行FFT運算，得到有效加速度數值，該數據處理終端界面如圖6所示。

三、結束語

本設計通過上位機下達采集加速度指令，采集終端收到指令采集加速度數據，ZigBee發送終端將數據發送到ZigBee協調器，協調器通過串口將所采集的加速度數據傳至上位機，并在界面上顯示所采集的橋梁拉索的加速度值。從而達到了實時檢測橋梁拉索加速度的目的。

參考文獻

[1]ZigBee Alliance，ZigBee speci?cation：Technical Report Document 053474r06，Version 1.0，ZigBee Alliance，2005.

[2]崔京偉，黃灝.基于ARM和ZigBee的無線溫度采集系統設計[J].電子科技，2013，26（4）：12-13，16.

[3]李金明.分布式Zigbee多節點傳感器數據融合軌跡關聯[J].電子科技，2011，24（8）：42-43，51.

[4]王堃.基于嵌入式的無線橋梁監測系統的研究[D].武漢：湖北工業大學，2009.

[5]秦霆鎬，豆曉強，黃文彬.Zigbee技術在無線傳感器網絡中的應用[J].儀表技術，2007（1）： 57-58.

[6]張莉.近距離無線通信技術及應用前景[J].電信技術，2005（11）：9-11.

[7]K.West，Is 2008 the year of ZigBee–at last？ in：ZigBee Resource Guide， Spring 2008.

[8]穆乃剛.Zigbee技術簡介[J].電信技術，2006（3）：84-86.

（作者單位：長沙理工大學物理與電子科學學院）

作者簡介

樊清江（1990-），男，本科，研究方向：光信息科學與技術。