橋梁索力測量無線組網系統

溫建+唐立軍+賀慧勇+張建仁+楊奇武+賓峰+彭艷云

摘 ?要： 設計實現了一種基于ZigBee無線組網的橋梁索力測量系統。該系統采用TI公司的CC2530芯片組建無線數據傳輸網絡，采用MEMS傳感器對橋梁多個拉索進行布點，用STM32芯片組成控制處理模塊，實現一次性同步得到橋梁多拉索的索力數據，解決了橋梁監測數據采集麻煩問題。該系統具有節點功耗小、傳輸距離遠、組網容易、成本低、網絡容量大等優勢，現場應用實驗效果較好。

關鍵詞： ZigBee組網; 索力測量; WSN; MEMS傳感器

中圖分類號： TN919?34; TP202 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）24?0121?05

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

隨著車輛數量的急劇增加造成了橋梁的高負荷承載，使得橋梁結構不可避免地出現一定程度的損傷與抗力衰減，加之近年來我國橋梁建設發展迅速，質量問題也是一個不可回避的問題，及時監測橋梁的橋梁健康狀態，避免橋梁坍塌事故發生，具有十分重要的意義。

采用頻率法測定索力[1]， 不僅方便， 適應多種工況， 設備可重復使用， 且測量精度高， 在橋梁索力測量中廣泛使用[2]。傳統的橋梁索力測量系統中，數據采集一般基于有線方式，存在安裝布線繁瑣、維護復雜、施工周期長、建設成本高、可移動性和擴展性差等缺點[3]。無線數據采集方式如WiFi、NRF903、GSM、藍牙等，分別存在節點功耗大、傳輸距離短、組網難度大、節點容量小等問題[4]。本文利用ZigBee技術具有節點功耗小、傳輸距離遠、組網容易、成本低、網絡容量大等優勢[5]，采用數字接口的MEMS傳感器，設計橋梁索力測量系統以實現方便、快速、同步多點測量橋梁的多拉索的索力，及時監測橋梁的健康狀態。

1 ?系統設計

橋梁跨度大，需要檢測的部分分散，必須在所有拉索上布置多個采集節點，若不采取無線方式，需要對所有節點數據進行人工采集，將會耗時耗力。利用WiFi、NRF903、GSM、藍牙等無線數據采集方式，因節點功耗大、節點容量小等問題使得組網難度大。本系統采用ZigBee技術實現系統網絡的組建、數據的傳輸以及數據的處理顯示。系統設計為分布式體系結構，主要包含數據采集終端和數據處理模塊兩個部分，數據采集終端由ZigBee終端和ZigBee協調器（與上位機交互的終端）組成。系統結構如圖1所示。

系統工作流程：首先操作人員操作觸控顯示設備設置參數并且選擇命令，然后數據處理中心的STM32處理器通過RS 232接口向數據采集終端的ZigBee協調器發送命令，ZigBee協調器根據數據處理中心發送的控制命令以廣播形式通過ZigBee網絡將控制數據發送到對應的終端，對終端進行喚醒、休眠的操作以及加速度計的數據采集，ZigBee終端采集加速度計的數據后通過無線網絡傳輸到ZigBee協調器，再通過RS 232接口將采集到的數據發送到數據處理模塊，最后通過數據處理模塊匯總數據后進行處理，并且顯示觸控顯示并存儲在設備上。

1.1 ?硬件系統設計

1.1.1 ?ZigBee數據采集終端節點設計

ZigBee數據采集終端節點的硬件主要由ZigBee模塊、穩壓模塊、加速度傳感器和數據存儲器四個部分組成，如圖2所示。ZigBee模塊為該節點的核心模塊，負責管理節點中各模塊的協調工作，例如讀出加速度傳感器的數據，將數據存儲到數據存儲器內，以及通過ZigBee網絡將數據傳輸至其他節點等功能。

為使各節點穩定工作，需設計穩壓模塊為各節點提供可靠電源。穩壓模塊采用SPX1117芯片，該芯片非常適合于小封裝的低功耗設計，其功能是將鋰電池提供的3.7 V電壓轉換為終端節點所需的3.3 V電壓，其電路如圖3所示，圖中的按鍵為電源開關，在芯片的第3腳和第2腳分別加0.1 μF和2.2 μF的旁路電容，以提高電源的穩定性，芯片的散熱端與第2腳相連有利于芯片的散熱。

加速度傳感器采用MMA7455芯片，其電路如圖4所示，該芯片具有低功耗模式，在無需采集數據的時候進入低功耗模式模式可以省電，該芯片具有2 g、4 g和8 g三種量程可供選擇，適應于不同的橋梁振動頻率，該芯片與ZigBee模塊采用I2C協議通信，連線簡單，占用I/O口少。

數據存儲器采用AT24C08芯片，其電路如圖5所示，該芯片具有8 KB的容量，第7腳為寫保護端，當為低電平時，才允許正常的讀寫操作，該芯片用來存儲ZigBee模塊從加速度計采集來的數據，可有效地解決較快的數據采集速率和較低的無線數據傳輸速率之間的矛盾。

1.1.2 ?數據處理模塊設計

數據處理模塊主要由STM32控制系統、LCD觸摸屏、存儲器及3.3 V電源4部分構成。STM32控制系統為該系統的核心，負責管理系統中各部分的協調工作，如通過FSMC接口驅動LCD屏、使用觸摸屏控制器檢測觸點坐標、通過USART與ZigBee協調器模塊進行數據通信以及通過SDIO與存儲器進行數據通信等。3.3 V電源使系統使系統穩定工作。

數據處理模塊采用的微處理器為STM32F103VET6芯片，工作頻率為72 MHz。存儲器采用MicroSD卡，根據需要可選擇不同的容量，非常合適于大批量的數據存儲，并且可以運行系統文件，其與微處理器芯片內部專用的SDIO接口通信。LCD液晶、觸摸屏作為系統的輸入輸出設備，自帶液晶屏和觸摸屏的驅動電路，其與微處理器內部的FSMC接口通信。ZigBee協調器相當于STM32控制系統和ZigBee數據采集終端節點之間的中轉站，其與 STM32控制系統通過UART通信，與ZigBee數據采集終端節點通過ZigBee網絡進行無線通信。

1.2 ?軟件系統設計

1.2.1 ?數據處理模塊與ZigBee協調器的通信

數據處理模塊作為整個無線索力測量系統的上位機，主要負責控制信息的輸入、數據的處理與檢測結果的輸出，其軟件流程圖如圖7所示。

STM32通過ZigBee網絡得到MEMS傳感器節點獲取的加速度信號，得到拉索振動信號，得到斜拉索拉力。計算方法為：通過FFT能獲得自功率頻譜圖，選FFT后頻譜圖上的峰值最高點為計算基礎（ 簡稱為主振頻率f （n），以相鄰兩峰值點之間的頻率差最小值為基頻， 用主振頻率[fn]除以此頻率差最小值作為主振頻率[fn]的階次n。是利用弦振動理論，可得到斜拉索拉力與其自振頻率之間的關系：

[T=4ωL2f2nn2g] （1）

式中：[ω] 為單位長度索重;g為重力加速度;T為斜拉索的張力;L為斜拉索的索長;[fn]為斜拉索的第n階自振頻率n為振動階數。

工作流程為：上電之后首先進行外圍器件的初始化，例如觸屏，顯示屏和串口等，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，即：上位機通過串口向網絡協調器發送采集數據命令控制符0x86，然后進入等待狀態，等到有數據從協調器發送過來之后便將數據進行處理、存儲，最終顯示到觸摸屏上，直至收集完所有終端的數據為止。

1.2.2 ?ZigBee協調器傳輸指令及數據

網絡協調器相當于中轉站的作用，是整個無線網絡的核心。其軟件流程圖如圖8網絡協調器開始時反復查詢是否收到上位機的采集數據的命令請求，如果沒有收到則繼續查詢，如果收到則將該命令以廣播方式轉發給各個數據采集終端，數據采集終端收到命令后先對命令進行解析，然后采集命令中所需的數據量，采集完后立馬打包發送給網絡協調器并自動進入低功耗狀態，網絡協調器每收到一個終端節點的采集數據就立馬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。

1.2.3 ?ZigBee終端設備采集數據

終端采集設備是負責控制加速傳感器采集數據并且無線發送至協調器。其軟件流程圖如圖9所示。設備開始運行之后首先檢測是否有協調器發送的采集數據指令，如果沒有采集數據指令則終端設備進入休眠定時狀態，如果有采集數據指令的話終端設備進入工作狀態，開始采集加速度計的數據，然后經無線網絡發送到協調器，在與協調器握手之后確認信息是否發送完全，一旦信息發送完畢則設備自動進入定時休眠狀態，等待下一次的自動喚醒，然后查詢是否有采集數據指令事件。

2 ?系統現場應用結果

2.1 ?現場試驗

根據以上設計方案，設計出了實驗樣機。在實驗室模擬測試基礎上，將樣機在湖南省長沙市洪山大橋上進行現場測試。該橋是目前世界上跨度最大的豎琴式無背索斜塔斜拉橋，主跨206 m，寬度33.2 m。測試過程中，將5組數據采集終端綁定在距離橋面2.5 m的橋梁拉索上，兩模塊之間的距離為20 m，數據處理模塊位于采集終端的最右端，如圖10所示（圖中紅色方塊為數據采集模塊，黑色方塊為數據處理模塊）。首先數據處理模塊上電，通過控制協調器組建一個網絡，然后再打開各采集終端加入網絡，最后根據觸控屏上的菜單先后進行數據的采集處理和顯示的操作。當橋面少有車輛通過時進行數據測量，分別記錄200組橋梁拉索震動數據?，F場測試的實驗樣機：STM32數據處理終端、ZigBee協調器、ZigBee采集終端1、采集終端5，見圖11。

2.2 ?實驗數據分析

終端每接收到一次數據處理模塊的數據采集命令，就開始通過MEMS傳感器以相同的間隔連續采集64個數據，然后以數據包的形式通過ZigBee網絡發送給數據處理模塊，終端發送的數據包如圖12所示，數據包的包頭為AA包尾為55。

數據處理終端接收到數據后進行FFT運算并且計算出其基頻，數據處理終端界面如圖13所示，該界面包括拉索振動的頻譜分析圖、控制菜單和基頻數據。圖中所示檢測到的基頻數據分別為：0.847 5，0.632 4，0.481 3，0.324 6，0.205 7。

為了驗證系統對采集到數據處理的準確性，將現場處理數據與后期處理數據進行了對比。在實地測量之后，將存放在SD卡中的加速度數據隨機抽取兩組，并用Matlab軟件進行快速傅里葉變換，得到如圖14、圖15的頻譜圖，與現場測試數據進行對照，得出第一組數據的基頻：0.823 6，第二組數據的基頻：0.627 8。與數據處理模塊所得數據基本一致。

通過在跨瀏陽河洪山大橋的實地檢測后，驗證了基于ZigBee無線組網索力測量系統的可行性。

3 ?結 ?論

采用抗干擾能力強的ZigBee自組網網絡進行信息的傳輸，通過STM32處理器對數據進行實時處理及顯示設計實現了基于ZigBee無線組網的橋梁索力測量系統。系統整個網絡增減傳感器無需對系統進行重新布線，對不同結構狀態的橋梁都能實現數據的集中采集，ZigBee數據采集終端節點可自動休眠和喚醒，

參考文獻

[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] 張永梅，王凱峰，馬禮.基于ZigBee和GPRS的嵌入式遠程監測系統的設計[J].計算機科學，2012：32?35.

[3] 吳康雄，劉克明，楊金喜.基于頻率法的索力測量系統[J].中國公路學報，2006，19（2）：62?66.

[4] 劉新輝，張怡，柴清.基于ZigBee 和ARM的數據采集與監控系統設計及應用[J].自動化與儀器儀表，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.

[6] 茍爭旭，周淵平.基于 GSM 和 ZigBee 的遠程無線數據采集系統[J].通信技術，2011（8）：71?73.

[7] 王小強，歐陽俊，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2012.

[8] 孫弋.短距離無線通信及組網技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[9] 韓之江，楊建紅.橋梁健康監測技術的研究與實施[J].公路，2008（3）：51?56..

[10] XIAO Hai?tao， GONG Yi?xuan. A data collection system in wireless network integrated WSN and ZigBee for bridge health diagnosis [C]// Proceedings of SICE Annual Conference. Tokyo， Japan： ?IEEE， 2011： 111?118.

2.2 ?實驗數據分析

終端每接收到一次數據處理模塊的數據采集命令，就開始通過MEMS傳感器以相同的間隔連續采集64個數據，然后以數據包的形式通過ZigBee網絡發送給數據處理模塊，終端發送的數據包如圖12所示，數據包的包頭為AA包尾為55。

數據處理終端接收到數據后進行FFT運算并且計算出其基頻，數據處理終端界面如圖13所示，該界面包括拉索振動的頻譜分析圖、控制菜單和基頻數據。圖中所示檢測到的基頻數據分別為：0.847 5，0.632 4，0.481 3，0.324 6，0.205 7。

為了驗證系統對采集到數據處理的準確性，將現場處理數據與后期處理數據進行了對比。在實地測量之后，將存放在SD卡中的加速度數據隨機抽取兩組，并用Matlab軟件進行快速傅里葉變換，得到如圖14、圖15的頻譜圖，與現場測試數據進行對照，得出第一組數據的基頻：0.823 6，第二組數據的基頻：0.627 8。與數據處理模塊所得數據基本一致。

通過在跨瀏陽河洪山大橋的實地檢測后，驗證了基于ZigBee無線組網索力測量系統的可行性。

3 ?結 ?論

采用抗干擾能力強的ZigBee自組網網絡進行信息的傳輸，通過STM32處理器對數據進行實時處理及顯示設計實現了基于ZigBee無線組網的橋梁索力測量系統。系統整個網絡增減傳感器無需對系統進行重新布線，對不同結構狀態的橋梁都能實現數據的集中采集，ZigBee數據采集終端節點可自動休眠和喚醒，

參考文獻

[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] 張永梅，王凱峰，馬禮.基于ZigBee和GPRS的嵌入式遠程監測系統的設計[J].計算機科學，2012：32?35.

[3] 吳康雄，劉克明，楊金喜.基于頻率法的索力測量系統[J].中國公路學報，2006，19（2）：62?66.

[4] 劉新輝，張怡，柴清.基于ZigBee 和ARM的數據采集與監控系統設計及應用[J].自動化與儀器儀表，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.

[6] 茍爭旭，周淵平.基于 GSM 和 ZigBee 的遠程無線數據采集系統[J].通信技術，2011（8）：71?73.

[7] 王小強，歐陽俊，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2012.

[8] 孫弋.短距離無線通信及組網技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[9] 韓之江，楊建紅.橋梁健康監測技術的研究與實施[J].公路，2008（3）：51?56..

[10] XIAO Hai?tao， GONG Yi?xuan. A data collection system in wireless network integrated WSN and ZigBee for bridge health diagnosis [C]// Proceedings of SICE Annual Conference. Tokyo， Japan： ?IEEE， 2011： 111?118.

2.2 ?實驗數據分析

終端每接收到一次數據處理模塊的數據采集命令，就開始通過MEMS傳感器以相同的間隔連續采集64個數據，然后以數據包的形式通過ZigBee網絡發送給數據處理模塊，終端發送的數據包如圖12所示，數據包的包頭為AA包尾為55。

數據處理終端接收到數據后進行FFT運算并且計算出其基頻，數據處理終端界面如圖13所示，該界面包括拉索振動的頻譜分析圖、控制菜單和基頻數據。圖中所示檢測到的基頻數據分別為：0.847 5，0.632 4，0.481 3，0.324 6，0.205 7。

為了驗證系統對采集到數據處理的準確性，將現場處理數據與后期處理數據進行了對比。在實地測量之后，將存放在SD卡中的加速度數據隨機抽取兩組，并用Matlab軟件進行快速傅里葉變換，得到如圖14、圖15的頻譜圖，與現場測試數據進行對照，得出第一組數據的基頻：0.823 6，第二組數據的基頻：0.627 8。與數據處理模塊所得數據基本一致。

通過在跨瀏陽河洪山大橋的實地檢測后，驗證了基于ZigBee無線組網索力測量系統的可行性。

3 ?結 ?論

采用抗干擾能力強的ZigBee自組網網絡進行信息的傳輸，通過STM32處理器對數據進行實時處理及顯示設計實現了基于ZigBee無線組網的橋梁索力測量系統。系統整個網絡增減傳感器無需對系統進行重新布線，對不同結構狀態的橋梁都能實現數據的集中采集，ZigBee數據采集終端節點可自動休眠和喚醒，

參考文獻

[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] 張永梅，王凱峰，馬禮.基于ZigBee和GPRS的嵌入式遠程監測系統的設計[J].計算機科學，2012：32?35.

[3] 吳康雄，劉克明，楊金喜.基于頻率法的索力測量系統[J].中國公路學報，2006，19（2）：62?66.

[4] 劉新輝，張怡，柴清.基于ZigBee 和ARM的數據采集與監控系統設計及應用[J].自動化與儀器儀表，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.

[6] 茍爭旭，周淵平.基于 GSM 和 ZigBee 的遠程無線數據采集系統[J].通信技術，2011（8）：71?73.

[7] 王小強，歐陽俊，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2012.

[8] 孫弋.短距離無線通信及組網技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.

[9] 韓之江，楊建紅.橋梁健康監測技術的研究與實施[J].公路，2008（3）：51?56..

[10] XIAO Hai?tao， GONG Yi?xuan. A data collection system in wireless network integrated WSN and ZigBee for bridge health diagnosis [C]// Proceedings of SICE Annual Conference. Tokyo， Japan： ?IEEE， 2011： 111?118.