桥梁结构健康监控的无线传感网络系统设计

郑俊光， 王建新

（厦门大学 信息科学与技术学院，福建 厦门 361005）

0 引言

建筑结构健康监控是土木工程重要的研究领域之一，传统的结构健康监控是基于有线的通信技术进行的[1]，但是有线传输的成本较高，而且随着网络规模的扩大，在一些复杂的工业环境中，进行有线布置的困难日益突出，因此文中提出基于ZIGBEE的无线传感网的桥梁监控系统。该系统主要实现在不同环境下对桥梁各种缓慢变化参数的检测，相比较传统的有线监控，在保证稳定性，可靠性的同时，大大的延长了系统的寿命和系统布置的方便性。

ZIGBEE是一种网络容量大，节点体积小，低复杂度，低速率，低功耗的短距离无线通信技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。在ZIGBEE网络中,节点根据功能的不同可以分为两类：全功能设备节点（FFD）和简化功能设备（RFD）。FFD实现了IEEE802.15.4协议的全集，而RFD为了减少能量消耗只实现了 IEEE802.15.4协议中的一部分[2-3]。而这两种不同功能的节点组成ZIGBEE网络中的3种逻辑设备类型：协调器、路由器和终端节点。协调器负责启动整个网络，是网络的第一个设备。协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定；路由节点主要协助终端节点的通信，终端节点主要负责数据的采集的发送。根据3种逻辑器件在网络中的不同作用，协调器和路由器只能由FFD组成，而终端设备可以由FFD或者RFD组成。

以上简单地分析了ZIGBEE的性能，可以发现它是非常合适应用在桥梁结构健康监控的。

1 系统的结构及其设计

文中的设计目标是在桥梁健康监控系统中通过搭建一个基于ZIGBEE的无线传感网络，通过无线网络把传感器节点采集的数据经过多跳传回PC端，实现对桥梁结构健康情况进行实时监控。接下来主要从系统的节能和网络拓扑两方面进行讨论。

1.1 系统的节能

由于本系统应用在无线网络传输，根据其特点，在设计本系统过程中，从硬件设计和软件设计两方面充分地考虑了系统的节能，从而最大程度的延长无线系统的寿命。

1.1.1 硬件节能设计

硬件方面，传感器节点上采用Atmega 128单片机采集和存储数据，该芯片是8位的低功耗CMOS处理器；路由器节点上采用的是TI公司的TS320C5509A定点低功耗DSP，该芯片在处理速度高达600 MI/s的同时，功耗低至0.05 mw，因此很适合用于无线通信领域；射频模块采用的是 Chipcon公司的 CC2430芯片，它是第一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案，该芯片具有超低功耗，当控制内核运行在32 MHz时，其接收电流损耗和传输电流损耗分别为 27 mA和 25 mA，在休眠模式下仅有0.9 µA，待机模式下更是低于0.6 µA[4]。以上从硬件方面选择了适合应用在无线传输领域的低功耗芯片。

1.1.2 软件节能设计

软件方面，采用的是基于IEEE 802.15.4无线个人网标准的ZIGBEE协议栈，该协议标准是专门为短距离无线局域网设计的，具有超低功耗的特点。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作 6～24个月,甚至更长，因此满足无线传感网。

1.2 系统网络拓扑结构

在文中的系统设计中，鉴于桥梁结构的特殊性--要对长达几百米的桥梁进行监控，首先要选择合适的网络拓扑来布置整个网络。ZIGBEE网络中有3种网络拓扑结构：星状拓扑、树簇状拓扑和网状拓扑。

应用在桥梁结构健康监控的无线传感网，由于需要的节点多，不合适采用星状拓扑结构，同时，终端节点采集数据后直接把数据发送到路由器，路由器经过多跳把数据传到协调器，这并不要求任意两个节点之间进行数据传输，因此也不适合采用网状拓扑结构。鉴于以上情况，本设计采用既满足网络节点容量大又具有较低复杂度的树簇状网络拓扑结构。桥梁的网状拓扑结构如图1所示。

整个工作流程如下：协调器启动一个网络之后，发出一个广播信号，当传感器节点收到这个信号之后向传感器发送一个ACK加入网络。传感器节点把采集的信号传送到它的上级路由器，路由器节点完成一些相关的数据出来后经过多跳把数据传送到协调器。

2 硬件设计

本系统硬件主要由3大部分组成：传感器节点部分、路由器节点部分和协调器部分。传感器节点主要负责数据的采集的传输，路由器节点主要负责数据的处理和中转，协调器主要负责数据的接收和进行整个网络的管理[5]。由于各个部分的功能不同，决定了它们的硬件组成也有所不同。

2.1 传感器节点

传感器器节点在系统中的主要任务是：采集桥梁结构健康的相关数据，经过放大模块把采集的电压值放大，滤波模块，然后经过AD转换把数据传给Atmega128存储并做简单的数据处理，最后通过CC2430把数据发给路由节点。根据传感器节点实现的功能，将其硬件结构分为数据采集电源、数据处理单元、数据传输单元和电源管理模块。传感器节点的结构如图2所示。

本系统中的传感器节点都是利用电池供电，由于电压的稳定性比较差，因此必须使用电源管理芯片来提供稳定的工作电压，确保系统正常工作。本系统选择的稳压芯片是 BL8530，电池经过 BL8530后为系统提供稳定的 5 V电压。5 V电压经过TPS79530后降为3 V,为ADS8341的Vref提供稳定的参考电压，而TPS79533为Atmega 128和CC2430提供3.3 V的工作电压。

2.2 路由器节点

相比较传感器节点，路由器最大的特点是实现数据的在线计算，因此在路由器节点上需要一个具有高速计算能力的 CPU，现采用的是具有高性能、低功耗的 TMS320VC5509DSP芯片[6]。数据经过传感器节点传到路由器端的 CC2430，CC2430通过 UART异步串口与DSP进行通信，在DSP芯片进行数据的处理（FFT,卡尔曼滤波，AR算法，LQR算法），处理后的数据再传到CC2430，进过多跳最后送到协调器。路由器节点的结构如图3所示。

同上面分析，电源管理模块确保电路的稳定工作。TPS73HD301是双输出变压芯片，输出电压为1.6 V和3.3 V，其中1.6 V为TMS320VC5509DSP的内核芯片供电，3.3 V则为5509DSP的I/O口供电。

2.3 协调器节点

相比较传感器节点和路由器节点，协调器的结构比较简单，主要负责数据的接受并通过串口于pc端进行信息交互，不需要进行数据的处理工作。由于协调器的硬件结构和传感器大体相同，这里就不再介绍。

3 软件设计

与硬件设计相对应，本系统的软件设计分为无线收发模块和节点采集处理模块。节点采集处理模块首先对传感信号进行A/D转换，然后将得到的数字信号储存起来并做相关的处理，限于篇幅，这里不对节点采集处理模块进行深入的讨论。下面主要讨论的是系统的无线收发模块的设计。

3.1 协调器节点程序流程

由1章可知，协调器的主要任务是建立网络并进行网络管理。首先，协调器扫描到一个空信道后自动生成一个 PAN AD，设置协调器的短地址为0X0000并选择网络传输信道，网络建立成功；启动广播机制，然后判断是否有新节点申请加入网络，如果有要为其分配16位的网络节点地址，为接下来的通信做准备。协调器节点程序流程如图4所示。

3.2 传感器节点程序流程

传感器节点首先负责数据的采集和存储，然后进行简单的处理后将其发送至路由器节点。具体工作流程如下：首先传感器节点上电后开始扫描网络中是否有网络协调器存在，当收到协调器的 ACK后，传感器节点向网络协调器发送自己的64位物理地址，申请加入网络，然后协调器根据传感器加入网络的先后为其分配16位的网络短地址，此时传感器节点申请加入网络成功。为了减少能量消耗，传感器节点采取需求唤醒工作机制。传感器节点流程如图5所示。

4 结语

文中基于ZIGBEE无线标准[7]，设计了适合运用在大型桥梁结构健康监控的无线传感网络，具有低成本，低功耗，高可靠性，高安全性等特点。本设计从硬件设计到软件设计都充分的考虑了系统的节能，最大程度延长了无线传感网的寿命。系统采用树状网络拓扑结构，减少了复杂度的同时满足节点的大容量需求，特别适合运用在桥梁结构的健康监控。随着ZIGBEE无线技术的发展，相信将更广泛的服务人们的生活。

[1] LI F W,LI J K,JING J F.Wireless Temperature Monitoring System based on the ZigBee Technology[C]//IEEE.2010 2nd International Conference on Computer Engineering and Technology(ICCET). [s.l.]:IEEE,2010:160-163.

[2] 高守玮，吴灿阳.ZIGBEE技术实践教程：基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009：56-61.

[3] 李文仲，段朝玉.ZIGBEE无线网络技术入门与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007:122-133.

[4] Chipcon Inc.SmartRF@CC2430 Preliminary[S].USA:Texas Instruments Incorporated,2005.

[5] WANG J X，GONG H，SONG Y. The Application of Wireless Sensor Networks for SHM[C]//Proceeding of SPIE.USA:[s.n.] ,2010:764818-764824.

[6] Texas Instruments Corp.TMS320VC5509 Fixed-Point Digital Signal Processor[S].USA:Texas Instruments Corp，2004.

[7] 徐志，陈彬兵. 自组织 ZigBee网络节点通信研究[J].通信技术，2009,42(12):128-131.