物聯網技術在振動檢測系統中的應用

屠暢　李美玲　孫鑒波　王鋼　周細紅　趙軍濤

摘 要：針對當前橋梁振動監測需要人工現場檢測、耗費時間長、費用高、不能實時檢測的缺點，提出一種基于物聯網技術的智能的自動監測橋梁振動的方法。采用ZigBee無線傳感器網絡，對橋梁的振動進行實時監測，重點設計了系統節點的硬件和軟件以及上位機監控軟件。該系統具有低功耗，自組網、可靠性高、使用方便的特點。

關鍵詞：CC2520；ZigBee；低功耗；震動監測

引言

近年來，眾多橋梁的橫向振動超限問題越來越突出，對交通安全造成了很大威脅，為確保行車路人的生命財產安全，公路部門急需對各大橋梁的振動情況進行檢測，以便了解橋梁的狀態。因而有一套可實時監測橋梁狀態，滿足及時、快捷、可靠的了解橋梁振動情況的設備顯得迫切而重要。

1 系統構成

ZigBee是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術[1]。加速度傳感器是一種慣性敏感元件也是橋梁振動監測的常規器件，性能穩定，受外界環境影響小，而且功耗非常低，非常適合低功耗系統的設計。文章結合橋梁振動的特點，設計一種基于ZigBee技術和加速度傳感器的橋梁振動監測系統，實現橋梁振動的實時、低功耗、高精度監測。

1.1 ZigBee傳感器節點設計

系統主要有四大部分組成，即數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源模塊。數據采集單元：主要功能是采集橋梁振動的三維信息，在此單元中傳感器與處理器之間采用傳感器接口實現連接，避免了當傳感器使用壽命終止而此節點報廢的狀況。

數據處理單元：主要功能是對傳感器采集的數據進行初步的處理，并將此數據傳送到數據傳輸單元。此單元由處理器、內存、應用程序及電源指示燈構成。處理器采用的是TI公司的MSP430F2618型芯片。MSP430單片機具有功耗低、適合與無線器件接口配合等特點，該微型控制器擁有豐富的片上資源，包括2個16位定時器、1個看門狗定時器、8192B RAM、116KB Flash并對ZigBee設備進行了優化設計；擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口，內置12bitADC，方便無線器件和傳感器的接入；有6種電源節能模式，方便低功耗設計MSP430F2618單片機對數據進行初步判斷后，將數據傳送到數據傳輸單元，如果此數據超標，通過上位機監測軟件界面可以迅速判斷事故發生地點與橋梁的危險系數。同時，本單元可以數據傳輸單元接收到經網關節點轉發的上位機控制命令，進行命令處理判斷，使此節點進入工作模式，進行數據采集，向上級發送采集的信息。

數據傳輸單元：主要功能是傳輸數據或接收命令。考慮到無線傳感器網絡在通信方面的功耗問題，本單元采用TI公司的ZigBee 無線收發模塊CC2520芯片。數據傳輸單元接收到數據處理單元的數字信息后，會立即將此數字信息經ZigBee無線網絡傳送給網關節點。如果此節點收到網關節點傳送的命令時，會將此命令轉入數據處理單元，并等待處理單元的相應命令。

1.2 震動傳感器模塊設計

傳感器是傳感器節點的主要工作器件，它們長時間暴露在外部環境中，以便搜集橋梁的實時狀況，因此，傳感器的選擇是橋梁振動監測系統的重要環節[2]。

MMA7360傳感器是飛思卡爾公司出品的一款低功耗、低成本、小尺寸電容性三軸向低重力微機械加速度傳感器，采用了信號調理、單極低通濾波器、溫度補償和自檢技術，以及檢測線性自由墜落的0g檢測技術，并且提供2個可選量程，用戶可在2個靈敏度和量程中進行選擇。該器件已做0g補償和靈敏度設置。MMA7360L還提供休眠模式，因而是電池充電的電子設備產品的理想之選。

在電路圖設計過程中，文章首先考慮的是對三軸加速度傳感器的監測電路設計，將上述傳感器分布與相應的傳感器接口相連接，便可實現對振動參數的實時監測。其電路圖如圖1所示。

1.3 處理器外圍電路設計

MSP430F2618主要與傳輸單元中的CC2520芯片連接，MSP430F2618通過SPI通信協議控制CC2520芯片的工作。如圖2為MSP430F2168最小系統硬件結構圖。CC2520是一款符合ZigBee技術的高集成度工業用射頻收發器，其MAC層和PHY層協議符合802.15.4規范，工作于2.4GHz頻段。該器件只需極少外部元件，即可確保短距離通信的有效性和可靠性。C2520可以通過4線SPI總線（SI、SO、SCLK、CSn）設置芯片的工作模式， 并實現讀/寫緩存數據，讀/寫狀態寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態可設置發射/接收緩存器。在數據傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外，通過CCA管腳狀態的設置可以控制清除通道估計，通過SFD管腳狀態的設置可以控制時鐘/定時信息的輸入。

2 傳感器節點和網關軟件設計

傳感器節點上的軟件負責完成現場數據的采集以及通過無線通信模塊將采集數據包無線傳送。傳感器節點遵循睡眠-被喚醒-正常工作的工作模式。在睡眠狀態下，處理器停止工作，而SRAM、SPI端口以及中斷系統繼續工作，無線模塊處于低電流的接收狀態。在無線模塊接收到網關節點或是傳感器節點發來的命令后，傳感器節點被喚醒，處理器對命令進行判斷，如果命令是采集實時數據，則該節點進入工作狀態，否則此節點再次進入睡眠狀態。具體傳感器節點的操作流程如圖3所示。

3 結束語

作者設計了一種基于ZigBee網絡的震動檢測系統，并通過實驗測試可以應用于橋梁的振動監測，有效地解決了在橋梁振動監測中費時、費力、難度大、實時性低的問題。該方案還可應用于其它布線量大、移動性強的監測系統，市場前景非常廣闊。

參考文獻

[1]吳志新.基于ZigBee無線技術振動信號采集的研究[D].中國地震局工程力學研究所，2013.

[2]李聰.基于Zigbee的嵌入式橋梁健康監測數據采集系統研究[D].重慶交通大學，2013.

通訊作者：孫鑒波。

摘 要：針對當前橋梁振動監測需要人工現場檢測、耗費時間長、費用高、不能實時檢測的缺點，提出一種基于物聯網技術的智能的自動監測橋梁振動的方法。采用ZigBee無線傳感器網絡，對橋梁的振動進行實時監測，重點設計了系統節點的硬件和軟件以及上位機監控軟件。該系統具有低功耗，自組網、可靠性高、使用方便的特點。

關鍵詞：CC2520；ZigBee；低功耗；震動監測

引言

近年來，眾多橋梁的橫向振動超限問題越來越突出，對交通安全造成了很大威脅，為確保行車路人的生命財產安全，公路部門急需對各大橋梁的振動情況進行檢測，以便了解橋梁的狀態。因而有一套可實時監測橋梁狀態，滿足及時、快捷、可靠的了解橋梁振動情況的設備顯得迫切而重要。

1 系統構成

ZigBee是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術[1]。加速度傳感器是一種慣性敏感元件也是橋梁振動監測的常規器件，性能穩定，受外界環境影響小，而且功耗非常低，非常適合低功耗系統的設計。文章結合橋梁振動的特點，設計一種基于ZigBee技術和加速度傳感器的橋梁振動監測系統，實現橋梁振動的實時、低功耗、高精度監測。

1.1 ZigBee傳感器節點設計

系統主要有四大部分組成，即數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源模塊。數據采集單元：主要功能是采集橋梁振動的三維信息，在此單元中傳感器與處理器之間采用傳感器接口實現連接，避免了當傳感器使用壽命終止而此節點報廢的狀況。

數據處理單元：主要功能是對傳感器采集的數據進行初步的處理，并將此數據傳送到數據傳輸單元。此單元由處理器、內存、應用程序及電源指示燈構成。處理器采用的是TI公司的MSP430F2618型芯片。MSP430單片機具有功耗低、適合與無線器件接口配合等特點，該微型控制器擁有豐富的片上資源，包括2個16位定時器、1個看門狗定時器、8192B RAM、116KB Flash并對ZigBee設備進行了優化設計；擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口，內置12bitADC，方便無線器件和傳感器的接入；有6種電源節能模式，方便低功耗設計MSP430F2618單片機對數據進行初步判斷后，將數據傳送到數據傳輸單元，如果此數據超標，通過上位機監測軟件界面可以迅速判斷事故發生地點與橋梁的危險系數。同時，本單元可以數據傳輸單元接收到經網關節點轉發的上位機控制命令，進行命令處理判斷，使此節點進入工作模式，進行數據采集，向上級發送采集的信息。

數據傳輸單元：主要功能是傳輸數據或接收命令。考慮到無線傳感器網絡在通信方面的功耗問題，本單元采用TI公司的ZigBee 無線收發模塊CC2520芯片。數據傳輸單元接收到數據處理單元的數字信息后，會立即將此數字信息經ZigBee無線網絡傳送給網關節點。如果此節點收到網關節點傳送的命令時，會將此命令轉入數據處理單元，并等待處理單元的相應命令。

1.2 震動傳感器模塊設計

傳感器是傳感器節點的主要工作器件，它們長時間暴露在外部環境中，以便搜集橋梁的實時狀況，因此，傳感器的選擇是橋梁振動監測系統的重要環節[2]。

MMA7360傳感器是飛思卡爾公司出品的一款低功耗、低成本、小尺寸電容性三軸向低重力微機械加速度傳感器，采用了信號調理、單極低通濾波器、溫度補償和自檢技術，以及檢測線性自由墜落的0g檢測技術，并且提供2個可選量程，用戶可在2個靈敏度和量程中進行選擇。該器件已做0g補償和靈敏度設置。MMA7360L還提供休眠模式，因而是電池充電的電子設備產品的理想之選。

在電路圖設計過程中，文章首先考慮的是對三軸加速度傳感器的監測電路設計，將上述傳感器分布與相應的傳感器接口相連接，便可實現對振動參數的實時監測。其電路圖如圖1所示。

1.3 處理器外圍電路設計

MSP430F2618主要與傳輸單元中的CC2520芯片連接，MSP430F2618通過SPI通信協議控制CC2520芯片的工作。如圖2為MSP430F2168最小系統硬件結構圖。CC2520是一款符合ZigBee技術的高集成度工業用射頻收發器，其MAC層和PHY層協議符合802.15.4規范，工作于2.4GHz頻段。該器件只需極少外部元件，即可確保短距離通信的有效性和可靠性。C2520可以通過4線SPI總線（SI、SO、SCLK、CSn）設置芯片的工作模式， 并實現讀/寫緩存數據，讀/寫狀態寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態可設置發射/接收緩存器。在數據傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外，通過CCA管腳狀態的設置可以控制清除通道估計，通過SFD管腳狀態的設置可以控制時鐘/定時信息的輸入。

2 傳感器節點和網關軟件設計

傳感器節點上的軟件負責完成現場數據的采集以及通過無線通信模塊將采集數據包無線傳送。傳感器節點遵循睡眠-被喚醒-正常工作的工作模式。在睡眠狀態下，處理器停止工作，而SRAM、SPI端口以及中斷系統繼續工作，無線模塊處于低電流的接收狀態。在無線模塊接收到網關節點或是傳感器節點發來的命令后，傳感器節點被喚醒，處理器對命令進行判斷，如果命令是采集實時數據，則該節點進入工作狀態，否則此節點再次進入睡眠狀態。具體傳感器節點的操作流程如圖3所示。

3 結束語

作者設計了一種基于ZigBee網絡的震動檢測系統，并通過實驗測試可以應用于橋梁的振動監測，有效地解決了在橋梁振動監測中費時、費力、難度大、實時性低的問題。該方案還可應用于其它布線量大、移動性強的監測系統，市場前景非常廣闊。

參考文獻

[1]吳志新.基于ZigBee無線技術振動信號采集的研究[D].中國地震局工程力學研究所，2013.

[2]李聰.基于Zigbee的嵌入式橋梁健康監測數據采集系統研究[D].重慶交通大學，2013.

通訊作者：孫鑒波。

摘 要：針對當前橋梁振動監測需要人工現場檢測、耗費時間長、費用高、不能實時檢測的缺點，提出一種基于物聯網技術的智能的自動監測橋梁振動的方法。采用ZigBee無線傳感器網絡，對橋梁的振動進行實時監測，重點設計了系統節點的硬件和軟件以及上位機監控軟件。該系統具有低功耗，自組網、可靠性高、使用方便的特點。

關鍵詞：CC2520；ZigBee；低功耗；震動監測

引言

近年來，眾多橋梁的橫向振動超限問題越來越突出，對交通安全造成了很大威脅，為確保行車路人的生命財產安全，公路部門急需對各大橋梁的振動情況進行檢測，以便了解橋梁的狀態。因而有一套可實時監測橋梁狀態，滿足及時、快捷、可靠的了解橋梁振動情況的設備顯得迫切而重要。

1 系統構成

ZigBee是一種新興的短距離、低速率的無線網絡技術[1]。加速度傳感器是一種慣性敏感元件也是橋梁振動監測的常規器件，性能穩定，受外界環境影響小，而且功耗非常低，非常適合低功耗系統的設計。文章結合橋梁振動的特點，設計一種基于ZigBee技術和加速度傳感器的橋梁振動監測系統，實現橋梁振動的實時、低功耗、高精度監測。

1.1 ZigBee傳感器節點設計

系統主要有四大部分組成，即數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元和電源模塊。數據采集單元：主要功能是采集橋梁振動的三維信息，在此單元中傳感器與處理器之間采用傳感器接口實現連接，避免了當傳感器使用壽命終止而此節點報廢的狀況。

數據處理單元：主要功能是對傳感器采集的數據進行初步的處理，并將此數據傳送到數據傳輸單元。此單元由處理器、內存、應用程序及電源指示燈構成。處理器采用的是TI公司的MSP430F2618型芯片。MSP430單片機具有功耗低、適合與無線器件接口配合等特點，該微型控制器擁有豐富的片上資源，包括2個16位定時器、1個看門狗定時器、8192B RAM、116KB Flash并對ZigBee設備進行了優化設計；擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口，內置12bitADC，方便無線器件和傳感器的接入；有6種電源節能模式，方便低功耗設計MSP430F2618單片機對數據進行初步判斷后，將數據傳送到數據傳輸單元，如果此數據超標，通過上位機監測軟件界面可以迅速判斷事故發生地點與橋梁的危險系數。同時，本單元可以數據傳輸單元接收到經網關節點轉發的上位機控制命令，進行命令處理判斷，使此節點進入工作模式，進行數據采集，向上級發送采集的信息。

數據傳輸單元：主要功能是傳輸數據或接收命令。考慮到無線傳感器網絡在通信方面的功耗問題，本單元采用TI公司的ZigBee 無線收發模塊CC2520芯片。數據傳輸單元接收到數據處理單元的數字信息后，會立即將此數字信息經ZigBee無線網絡傳送給網關節點。如果此節點收到網關節點傳送的命令時，會將此命令轉入數據處理單元，并等待處理單元的相應命令。

1.2 震動傳感器模塊設計

傳感器是傳感器節點的主要工作器件，它們長時間暴露在外部環境中，以便搜集橋梁的實時狀況，因此，傳感器的選擇是橋梁振動監測系統的重要環節[2]。

MMA7360傳感器是飛思卡爾公司出品的一款低功耗、低成本、小尺寸電容性三軸向低重力微機械加速度傳感器，采用了信號調理、單極低通濾波器、溫度補償和自檢技術，以及檢測線性自由墜落的0g檢測技術，并且提供2個可選量程，用戶可在2個靈敏度和量程中進行選擇。該器件已做0g補償和靈敏度設置。MMA7360L還提供休眠模式，因而是電池充電的電子設備產品的理想之選。

在電路圖設計過程中，文章首先考慮的是對三軸加速度傳感器的監測電路設計，將上述傳感器分布與相應的傳感器接口相連接，便可實現對振動參數的實時監測。其電路圖如圖1所示。

1.3 處理器外圍電路設計

MSP430F2618主要與傳輸單元中的CC2520芯片連接，MSP430F2618通過SPI通信協議控制CC2520芯片的工作。如圖2為MSP430F2168最小系統硬件結構圖。CC2520是一款符合ZigBee技術的高集成度工業用射頻收發器，其MAC層和PHY層協議符合802.15.4規范，工作于2.4GHz頻段。該器件只需極少外部元件，即可確保短距離通信的有效性和可靠性。C2520可以通過4線SPI總線（SI、SO、SCLK、CSn）設置芯片的工作模式， 并實現讀/寫緩存數據，讀/寫狀態寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態可設置發射/接收緩存器。在數據傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外，通過CCA管腳狀態的設置可以控制清除通道估計，通過SFD管腳狀態的設置可以控制時鐘/定時信息的輸入。

2 傳感器節點和網關軟件設計

傳感器節點上的軟件負責完成現場數據的采集以及通過無線通信模塊將采集數據包無線傳送。傳感器節點遵循睡眠-被喚醒-正常工作的工作模式。在睡眠狀態下，處理器停止工作，而SRAM、SPI端口以及中斷系統繼續工作，無線模塊處于低電流的接收狀態。在無線模塊接收到網關節點或是傳感器節點發來的命令后，傳感器節點被喚醒，處理器對命令進行判斷，如果命令是采集實時數據，則該節點進入工作狀態，否則此節點再次進入睡眠狀態。具體傳感器節點的操作流程如圖3所示。

3 結束語

作者設計了一種基于ZigBee網絡的震動檢測系統，并通過實驗測試可以應用于橋梁的振動監測，有效地解決了在橋梁振動監測中費時、費力、難度大、實時性低的問題。該方案還可應用于其它布線量大、移動性強的監測系統，市場前景非常廣闊。

參考文獻

[1]吳志新.基于ZigBee無線技術振動信號采集的研究[D].中國地震局工程力學研究所，2013.

[2]李聰.基于Zigbee的嵌入式橋梁健康監測數據采集系統研究[D].重慶交通大學，2013.

通訊作者：孫鑒波。