基于無線傳感器網絡的橋梁線形監測系統

李亮德　張延賀　王國慶　錢國明

摘 要：設計了一種基于ZigBee無線傳感器網絡的橋梁線形自動監測系統。傾角傳感器輸出信號采用差分方式放大，采用微處理器對傾角信號進行過采樣，并對測量結果進行溫度補償，進一步提高測量精度。網絡節點依據ZigBee協議組成簇狀網絡，通過喚醒的方式完成數據的發送和接收，達到降低系統功耗的目的。GPRS網關將來自協調器節點的數據轉發到遠程服務平臺上，從而實現對橋梁線形的遠程監測。

關鍵詞：橋梁線形；ZigBee無線傳感器；過采樣；溫度補償

中圖分類號：TM932 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.098

橋梁的建設和維護是國家基礎設施建設的重要組成部分，而橋梁線形是評價橋梁健康狀況的重要指標。通過實時監測橋梁各個控制斷面的撓度，可以擬合得到其整體線形結構。目前，對于橋梁傾斜角度、撓度等的測量，主要采用的是GPS傳感技術、光電成像傳感技術和激光圖像撓度傳感技術。但這些技術存在穩定性低、成本高、維護難等問題，有必要對現行系統進行改進優化。

由于橋梁變形曲線連續光滑，可以通過傾角傳感器測量橋梁縱向斷面的傾斜角度數值，擬合得到撓度曲線，從而得到橋梁線形結構。該方法具有成本低、測量精度高、測點布設方便等優點。同時，通過無線通信技術自組織形成網絡，可以協作感知、采集、處理和傳輸橋梁傾斜角度的信息，并最終把這些信息發送給橋梁管理部門，從而實現橋梁線形的自動監測。本文在應用傾角傳感器的基礎上，設計了一種基于ZigBee無線傳感器網絡的橋梁線形監測系統。

1 總體設計

本系統主要由傳感器網絡節點、無線網關節點和遠程監控中心3部分組成。ZigBee協議包括簇狀、星形、網狀3種網絡拓撲結構，為了降低功耗和減少數據包的丟失，本系統采用簇狀網絡結構。具體做法是將安放在橋梁不同位置的網絡節點劃分為不同的簇，每個簇相當于一個獨立的自組織網絡。網絡節點可以分為監測節點、簇首節點、協調器節點3種。其中，監測節點負責橋梁傾角數據的感知與采集，數據以“最短路徑”原則沿著其他路由節點逐跳進行傳輸，到達每個簇的簇首節點；簇首節點負責數據的融合，繼而發送到與GPRS網關相連的協調器節點；協調器節點負責對來自橋梁上不同位置的測量數據進行匯總。GPRS網關以自定義的數據格式將測量數據發送到遠程管理平臺，遠程管理平臺對測量數據進行處理，從而實現對橋梁線形的遠程監測。本監測系統總體結構如圖1所示。

2 傳感器網絡節點設計

2.1 總體結構設計

無線傳感網絡節點主要由傾角傳感器模塊、差分運放模塊、處理器模塊、供電模塊、ZigBee無線通訊模塊組成。差分運放模塊用于對傳感器輸出信號進行預處理，消除共模電壓以及滿足處理器對輸入信號范圍的要求；供電模塊為整個網絡節點提供了能量支持；ZigBee無線通訊模塊用于實現與其他節點通信形成自組織傳感器網絡。

為了實時監測室外橋梁的形變狀態，系統應該具有測量精度高、工作穩定性能好、抗干擾能力強、功耗低等特點。因此，本系統的微處理器模塊采用MSP430，傾角傳感器模塊采用SCA103T，ZigBee無線通信模塊采用CC2530，結構組成如圖2所示。

其中，SCA103T內部集成了傾角傳感器和溫度傳感器。傾角傳感器將傾角信息轉化為差分模擬信號輸出，差分運放模塊主要由儀表放大器AD620組成，目的是將差分信號轉化為單端信號，降低共模抑制比。單端信號輸入到微處理器MSP430進行過采樣A/D轉換，從而計算出傾角的大小。同時，MSP430通過SPI接口讀取溫度傳感器數據，對傾角數值進行溫度補償。

2.2 傳感器模塊

SCA103T的測量原理是利用加速度傳感器測其重力加速度，有2個模擬電壓輸出引腳，分別輸出2個傳感元件的加速度值，通過儀表放大器將差分信號轉化為單端信號，可顯著抑制共模信號，提高測量精度和穩定性。傾斜角度可由下式求出：

（1）

式（1）中：Vout為傳感器差分輸出電壓，Vout=out1-out2；O為傳感器在傾斜角度為0°時的輸出電壓；S為傳感器的靈敏度。

2.3 處理器模塊設計

由于無線傳感器網絡部署在室外的橋梁中，電源節能是系統穩定工作的基礎，因此我們采用TI公司推出的16位超低功耗微處理器MSP430F149。該微處理器采用了獨特的時鐘系統，能在低電壓下以多種低功耗模式運行，整機功耗遠低于業界其他微處理器。而且該微處理器內部擁有12位ADC模塊，儀表放大器的輸出信號經過四分壓之后即可送入ADC模塊中采樣，避免了設計復雜的外圍ADC電路。

2.4 ZigBee無線通訊模塊設計

ZigBee無線通訊模塊采用了CC2530射頻收發器。CC2530射頻收發器具有多種低功耗運行模式，且運行模式之間的轉換時間短，能進一步降低系統功耗。CC2530射頻收發器的諸多優良特性，使其十分適用于本文的低功耗無線傳感網絡系統設計。

3 微處理器軟件設計

MSP430微處理器主要完成模擬信號的過采樣、A/D轉換、讀取SPI接口的溫度數據、溫度補償、軟件濾波以及串口通信等工作。

3.1 溫度補償程序設計

通過對比不同溫度下SCA103T的測試數據發現，隨著溫度的偏移，SCA103T的靈敏度—溫度曲線呈現逐步降低的趨勢，影響了測量精度。利用MATLAB軟件對不同溫度下靈敏度的測試數據進行擬合，得到為靈敏度進行補償的方程式：

Scorr=-0.001 1T2+0.002 2T+0.0408.則校正之后的靈敏度為Scomp=S（1+Scorr/100）.

MSP430可以通過SPI接口讀取SCA103T內部的溫度傳感器數據，從而對靈敏度進行溫度補償。

3.2 過采樣程序設計

SCA103T輸出信號包含的噪聲近似為白噪聲，為改善SNR值，以提高測量精度，可通過軟件編程將MSP430內部12位ADC的采樣精度提高到16位，在提高有效分辨率的同時簡化模擬電路。

4 網絡節點軟件設計

當協調器建立起ZigBee網絡之后，周圍的節點通過掃描可用信道的方式申請加入此網絡。為保證節點功耗低，在設計中通過喚醒的方式完成與協調器的連接以及發送、接收數據，其他時間進入低功耗模式，工作流程如圖3所示。

5 實驗測試

為了驗證設計的遠程監測系統，在實驗室搭建的測試平臺上布置了由協調器節點、多個路由器節點和監測節點組成的無線傳感器網絡，成功實現了對橋梁線形的遠程監控。傳感器節點和ZigBee無線通訊網絡實物圖分別如圖4和圖5所示。

6 結束語

本系統將ZigBee無線傳感器網絡應用于橋梁線形遠程監測中，設計簇狀的傳感器網絡組網方案，在選取合適器件的基礎上完成網絡節點的硬件設計，通過過采樣、溫度補償等數據處理方法實現了對傾角的高精度測量，能有效地實現對橋梁線形的遠程監測。另外，本系統還可以應用于可穿戴設備上的人體姿態測量、建筑施工測量、飛機慣性測量等行業。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕

文章編號：2095-6835（2017）08-0100-02