摘? 要: 通過(guò)對(duì)橋梁無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)" title="監(jiān)測(cè)系統(tǒng)">監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析,在研究ZigBee的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的基礎(chǔ)上,提出了基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu),設(shè)計(jì)了橋梁無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)能浻布?實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)信號(hào)的獲取和無(wú)線傳輸。?

　　關(guān)鍵詞:? ZigBee; 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);? 橋梁監(jiān)測(cè)?

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　　橋梁監(jiān)測(cè)是通過(guò)測(cè)量橋梁的環(huán)境參數(shù)和自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)橋梁的運(yùn)行狀態(tài),對(duì)于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)、進(jìn)行橋梁方面的科學(xué)研究等有著重要意義。穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)對(duì)于保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行至關(guān)重要,同時(shí)是獲取有效、可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的前提。ZigBee技術(shù)則是一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù),可以嵌入到各種設(shè)備中,同時(shí)支持地理定位功能。它充分利用了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),用于建立可靠的、高性價(jià)比的、低功耗的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),ZigBee與Bluetooth相比具有更低的功耗和成本,能夠最大限度地延長(zhǎng)電池的使用壽命。?

　　本文主要介紹了在建筑工程領(lǐng)域橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì),利用多種傳感器無(wú)線節(jié)點(diǎn)組成ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)橋梁的振動(dòng)、位移、應(yīng)變信號(hào)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和傳輸,由于使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù),大大減小了現(xiàn)場(chǎng)布線的工作量,使得監(jiān)測(cè)施工十分方便快捷。?

1 基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)?

　　802.15.4協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有三種類型:星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu),其中網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)和簇狀結(jié)構(gòu)屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的結(jié)構(gòu),如圖1所示。在星型結(jié)構(gòu)中,所有節(jié)點(diǎn)設(shè)備與中心設(shè)備協(xié)調(diào)器" title="協(xié)調(diào)器">協(xié)調(diào)器通信,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功耗較大。與星型網(wǎng)絡(luò)不同,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)只要彼此都在對(duì)方的無(wú)線輻射范圍之內(nèi),任何兩個(gè)設(shè)備之間都可以直接通信。在網(wǎng)絡(luò)中,根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力,可以分為全功能設(shè)備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。FFD設(shè)備之間以及FFD設(shè)備與RFD設(shè)備之間都可以直接通信。但RFD設(shè)備之間不能直接通信。在IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)中,有一個(gè)稱為PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(PAN coordinator)的FFD設(shè)備,它是網(wǎng)絡(luò)中的主控制器。PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(簡(jiǎn)稱網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器)除了直接參與應(yīng)用以外,還要實(shí)現(xiàn)成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。?

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　　本文采用了星型網(wǎng)絡(luò),主要考慮到星型網(wǎng)絡(luò)所需的協(xié)調(diào)器數(shù)量少,而協(xié)調(diào)器的功耗是普通設(shè)備功耗的幾十倍甚至上百倍,采用星型網(wǎng)絡(luò)可大大降低監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)群體的總體功耗。另外,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)各網(wǎng)段設(shè)備間數(shù)據(jù)的傳輸要經(jīng)過(guò)其他協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器內(nèi)部的路由列表復(fù)雜,不易維護(hù)和實(shí)時(shí)管理。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要由ZigBee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)" title="傳感器節(jié)點(diǎn)">傳感器節(jié)點(diǎn)、中心協(xié)調(diào)器和遠(yuǎn)程控制中心組成。其中A、B、C、D傳感器節(jié)點(diǎn)為RFD設(shè)備,中心協(xié)調(diào)器為FFD設(shè)備,A、B、C、D傳感器節(jié)點(diǎn)向中心協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù),中心協(xié)調(diào)器收集各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心。?

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2 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)?

2.1總體設(shè)計(jì)?

　　橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器信號(hào)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析與管理系統(tǒng)三個(gè)部分。數(shù)據(jù)采集和傳輸子系統(tǒng)是整個(gè)橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的終端設(shè)備,其主要功能是對(duì)各種傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、傳輸和保存,該部分即是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。模塊設(shè)計(jì)主要由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊四部分組成,如圖3所示。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作,存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù);無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信,交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù);電源模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量,通常采用微型電池。?

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2.2 硬件實(shí)現(xiàn)?

　　目前對(duì)橋梁而言,主要監(jiān)測(cè)各承重部位的載荷與應(yīng)變情況,有各種傳感器可供選擇。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端的傳感器僅以加速度傳感器" title="加速度傳感器">加速度傳感器MMA7260為例。終端由MMA7260芯片及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路、配以符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的飛思卡爾公司MC13192射頻收發(fā)調(diào)制解調(diào)器和低功耗的MCU芯片MC9S08GT60 控制器組成。A/D轉(zhuǎn)換器采用MCU芯片內(nèi)部集成的ADC,其中MC9S08GT60負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和協(xié)議解析,MC13192主要完成物理層協(xié)議控制和數(shù)據(jù)收發(fā)。?

　　MMA7260是飛思卡爾公司三軸加速度傳感器,可用來(lái)檢測(cè)X,Y,Z軸方向的加速度,以類比電壓來(lái)表示所檢測(cè)的加速度的大小。它也可以作為一種用于測(cè)量?jī)A角角度的儀器。由于任何空間結(jié)構(gòu)都存在三個(gè)平動(dòng)、三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)共六個(gè)自由度,而一旦結(jié)構(gòu)受到約束,則平動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)之間總是存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如果能根據(jù)某個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)象的具體條件求出轉(zhuǎn)動(dòng)與平動(dòng)的關(guān)系,即可以用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)橋梁變形監(jiān)測(cè)。在橋梁監(jiān)測(cè)中,加速度傳感器具有安裝方便,使用靈活、容易確立基準(zhǔn)、能適合惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期工作等優(yōu)點(diǎn)。?

　　硬件電路主要包括射頻接口電路、處理器接口電路和傳感器應(yīng)用電路,其電路連接圖如圖4所示。主要設(shè)計(jì)在于MCU對(duì)MC13192的控制,MC13192外接16MHz的晶振提供芯片工作所需的時(shí)鐘,芯片本身具有可編程輸出時(shí)鐘向MC9S08GT60提供所需的時(shí)鐘,這里同樣設(shè)置為16MHz。MC13192與處理器的連接非常簡(jiǎn)便。它使用IRQB0、ATTN和RXTXEN三個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài);而處理器通過(guò)SPI接口與MC13192交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等。MCU對(duì)MC13192 的大部分操作都是以中斷服務(wù)程序的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)

的,采用電平觸發(fā)的方式,在中斷觸發(fā)后,中斷服務(wù)程序通過(guò)讀取中斷狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來(lái)確定進(jìn)行何種操作。?

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3 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)?

　　ZigBee協(xié)議棧基于開放系統(tǒng)互連模型(OSI),由一系列的分層結(jié)構(gòu)組成,每一層為上一層提供服務(wù)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件也分為三層結(jié)構(gòu):驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議層和應(yīng)用層,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。驅(qū)動(dòng)層提供系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)程序,為上層提供相應(yīng)的接口函數(shù),所有對(duì)硬件的控制都通過(guò)該層來(lái)實(shí)現(xiàn)。協(xié)議層包括了基于802.15.4協(xié)議的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。應(yīng)用層調(diào)用協(xié)議層提供的服務(wù),實(shí)現(xiàn)具體的任務(wù)操作,完成網(wǎng)絡(luò)的管理和數(shù)據(jù)的傳輸。?

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3.1驅(qū)動(dòng)層的設(shè)計(jì)?

　　驅(qū)動(dòng)層的設(shè)計(jì)主要是對(duì)SPI的驅(qū)動(dòng)和對(duì)MC13192的驅(qū)動(dòng),通過(guò)對(duì)其寄存器的讀寫操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。MCU對(duì)MC13192的行為及數(shù)據(jù)傳送的控制都是通過(guò) MC13192的4線SPI 模塊完成的,SPI 的數(shù)據(jù)交換被分成兩個(gè)部分,一部分為頭信息,頭信息部分固定為8位,另一部分為2字節(jié)的整數(shù)倍的有效數(shù)據(jù)域。對(duì)于簡(jiǎn)單的讀寫模式,一次 SPI 數(shù)據(jù)交換有24位數(shù)據(jù)信息。?

　　MC13192內(nèi)部有48個(gè)寄存器^[1],包括控制/狀態(tài)寄存器、命令選通寄存器和訪問(wèn)收發(fā)FIFO緩存區(qū)的寄存器?？刂?狀態(tài)寄存器都是16位的,寫這些控制/狀態(tài)寄存器可以控制MC13192的工作方式,如選擇工作頻率、地址識(shí)別模式等。讀這些寄存器可以查詢MC13192的工作狀態(tài)。每個(gè)命令選通寄存器的地址相當(dāng)于一條MC13192可以執(zhí)行的指令,當(dāng)MC13192接收到寫命令選通寄存器的地址信息字以后,會(huì)啟動(dòng)MC13192內(nèi)部操作,如開始發(fā)送數(shù)據(jù)、啟動(dòng)或停止振蕩器等。?

3.2協(xié)議層的設(shè)計(jì)?

　　協(xié)議層[2]包括了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。物理層主要負(fù)責(zé)對(duì) MC13192 的管理以及物理層數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,物理層向上層提供了一系列對(duì)MC13192芯片功能實(shí)現(xiàn)的函數(shù),上層通過(guò)這些函數(shù)接口就可以直接實(shí)現(xiàn)所需要的功能,而不必關(guān)心這些功能具體是怎么實(shí)現(xiàn)的,這些功能包括:數(shù)據(jù)請(qǐng)求、狀態(tài)切換、信道能量檢測(cè)與選擇、計(jì)數(shù)器設(shè)置以及芯片復(fù)位等操作。?

　　MAC層提供兩種服務(wù):MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)(MCPS)和MAC層管理服務(wù)(MLME)。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā),后者維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ)MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。?

　　網(wǎng)絡(luò)層主要完成網(wǎng)絡(luò)的組建以及管理網(wǎng)絡(luò)成員等功能。本方案中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫切切途W(wǎng)絡(luò),因此不存在路由等比較復(fù)雜的問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議具有新建網(wǎng)絡(luò)的功能,在新建網(wǎng)絡(luò)之前,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者必須先對(duì)周圍的無(wú)線環(huán)境進(jìn)行檢測(cè),然后才進(jìn)行具體的網(wǎng)絡(luò)配置工作。下面簡(jiǎn)要介紹非信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)的建立過(guò)程^[3],圖6為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)流程,圖7為終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)流程。

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3.3應(yīng)用層的設(shè)計(jì)?

　　應(yīng)用層軟件包括數(shù)據(jù)采集端應(yīng)用軟件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的需求分析可知,各個(gè)數(shù)據(jù)采集端長(zhǎng)時(shí)間處于非工作狀態(tài),當(dāng)需要數(shù)據(jù)采集的時(shí)候,主控制中心發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)來(lái)通知無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行工作,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通知各個(gè)數(shù)據(jù)采集端,數(shù)據(jù)采集端先解析請(qǐng)求命令中所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,然后采集并發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù),發(fā)送完畢后自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài),等待下個(gè)命令的激活。數(shù)據(jù)采集端應(yīng)用程序流程圖如圖8所示。針對(duì)系統(tǒng)定期檢測(cè)的要求,數(shù)據(jù)采集端實(shí)際上長(zhǎng)時(shí)間處于低功耗的狀態(tài),電池供電能夠滿足要求。

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　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心,應(yīng)用層的功能是將控制中心主機(jī)端監(jiān)控程序發(fā)送的數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)發(fā)送出去,另外還要接收數(shù)據(jù)采集端的數(shù)據(jù)并上傳給主機(jī)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:首先,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器系統(tǒng)初始化后開中斷,完成后系統(tǒng)進(jìn)入睡眠模式,當(dāng)主機(jī)端發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令時(shí),此時(shí)將會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)的串口中斷激活系統(tǒng),然后中斷服務(wù)程序?qū)⑾到y(tǒng)置為發(fā)送命令狀態(tài),先解析命令信號(hào),接著將命令信號(hào)打包發(fā)送出去,發(fā)送成功后將進(jìn)入等待接收數(shù)據(jù)模式,此后,如果有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái),就直接將數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳給主機(jī),這樣就完成了系統(tǒng)的一次數(shù)據(jù)傳輸。其程序流程如圖9所示。?

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4 測(cè)試結(jié)果?

　　應(yīng)用設(shè)計(jì)的三塊ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊組成ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試平臺(tái),其中一塊作為協(xié)調(diào)器,通過(guò)串口與PC機(jī)直接相連,另兩塊作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。采用8位A/D轉(zhuǎn)換器,在PC機(jī)上得到加速度傳感器的數(shù)據(jù)如圖10所示,第一行是加速度傳感器的輸出電壓,第二行是A/D轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果(范圍0～255),第三行是轉(zhuǎn)換為加速度的結(jié)果。?

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　　本文在研究ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集與傳輸方案,設(shè)計(jì)了加速度傳感器采集終端,極大地降低了數(shù)據(jù)采集端的功耗,能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。這一設(shè)計(jì)方案解決了大量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的無(wú)線組網(wǎng),在橋梁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用。?

參考文獻(xiàn)?

[1] MC13192 Reference Manual. http://freescale.com,2004.?

[2] 802.15.4 MAC/PHY Software Reference Manual.Motorola,2005.?