基于ZigBee技术的多点应变监测系统设计

龚一朋，李子明，王泽林，干啸洪，刘增华，何存富

（1.浙江省交通运输厅工程质量监督局，浙江 杭州 311215；2.北京工业大学 机电学院，北京 100124；3.慈溪市公路建设工程指挥部，浙江 慈溪 315300）

在路桥、隧道的施工与使用过程中，需要实时监测外部环境的各种影响因素，通过监测到的数据来判断路桥和隧道结构的健康状况，以确保这些结构的安全使用和运行。其中，应变就是这些工程普遍需要监测的参数之一。然而，传统的应变监测方法几乎都是采用有线连接的方式对应变进行监测，典型的做法就是将应变仪与测量仪器通过几米甚至几十米长的电缆直接相连。这不仅造成了布线繁琐、施工不便和费用昂贵等问题，同时由于长导线电阻及导线分布电容等因素的影响，还会使测量到的应变值无法达到很高的测量精度[1]。面对存在的种种问题，一种全新的、可远距离通过无线操作的测量方式应运而生，该技术在保证应变测量结果准确性的基础上，避免了有线连接所带来的布线及费用方面的问题，提高了无线应变监测技术在我国路桥和隧道监测领域应用的潜力。

常见的无线通信技术有蜂窝技术、UWB技术、Wifi技术、NFC技术、蓝牙技术和ZigBee技术等。本文综合考虑了现场网络信号弱、野外环境恶劣、监测范围小、被测数据数量相对较少等因素，并结合ZigBee技术低功耗、低成本、低复杂度、低传输速率、较远的传输距离等特点[2]，及其协调器设备自组网的功能，提出了一种基于ZigBee无线通信技术的多点应变监测系统。

1 系统总体架构

ZigBee无线通信技术定义了三种逻辑设备类型，分别是协调器设备、路由设备及终端设备[3]。在此概念的基础上，本系统由一个协调器设备、多个路由设备和多个终端设备构成。图1所示为本系统整体框架图。

图1 系统整体框架图

其中，终端设备分散布置在监测区域的关键部位，每个终端设备可实时采集至少两个被测点的应变值，并将采集到的应变数据通过无线发射模块发送出去。路由设备接收数据并将数据转发到协调器设备，协调器设备再将接收到的数据通过RS232串口传输到电脑监测软件上进行显示。

2 系统硬件电路设计

2.1 终端设备

终端设备由应变电桥模块、信号处理模块、无线射频模块以及电源模块构成[4]。四个模块有序分工形成统一的整体，保证了应变信号的正确采集。该硬件模块体积小巧、便携易带，成品尺寸仅为51mm×40mm。图2所示为终端设备硬件框架图，下文将分别对每个模块进行详细介绍。

图2 终端设备硬件框架图

应变电桥模块与被测结构用固体胶直接粘贴接触，通过搭建惠斯通电桥来测量结构的应变值。根据电桥原理，考虑到设备工作环境恶劣，选择半桥或全桥方式搭建，这样既可以自动进行温度补偿，又能提高测量灵敏度。电桥两端输出的差分电压值即反映结构应变变化，同时该电压也作为输入，送入后续调理电路等待进一步处理。

应变电桥输出差分电压范围一般是μV或者mV级，信号处理模块则主要负责将应变电桥输出的微小电信号进行放大、滤波，其中，放大电路主要用于得到微控制器I／O口输入的模拟电信号；滤波电路则主要用于滤除外部高频噪声干扰，得到较平滑的低频信号，提高系统对应变信号的识别能力。调理后的模拟电信号经微控制器内部的ADC转换为数字信号，由内部CPU对数据进行分析处理，并将数据结果进行封装后通过后续射频电路无线传输。

无线射频模块包含在信号处理模块的微控制器中，和ADC以及CPU共同集成在同一芯片中。这里选用美国TI公司的CC2530芯片。该芯片是一款完全兼容8051内核，同时支持IEEE 802.15.4协议的无线射频单片机，是一个真正的系统芯片CMOS解决方案[5]；具有一个超低功耗的8K SRAM，当数字部分掉电时能够保留自己的内容；具有可以选择的32KB／64KB／128KB／256KB Flash容量，为设备提供内电路可编程的非易失性程序存储器[6]。CC2530还具备电源管理功能，可以通过使用不同供电模式来延长电池的使用寿命。另外，CC2530还包括许多不同的外设，以方便设计者进行不同应用的开发。同时，CC2530可以配备TI公司的其他专有或标准兼容的网络协议栈来简化开发，如RemoTI，Simplici-TI或Z－Stack等。由于其硬件电路结构设计简单，封装小，成本低，功耗低，协议栈开发简单，因此在无线传感器网络中得到了越来越广泛的应用[7]。

电源模块是整个终端设备的核心，起到能量供给的作用，是整个设备能够正常运行的保障。本系统选用电池供电，常见的电池种类有干电池、可充电锂电池、镍氢电池、纽扣电池和镍镉电池等，本系统选用干电池作为能量供给[8]。作为无线终端，除了体积小巧，还要具有低功耗特性。为延长电池的使用寿命，软件算法中采取CC2530的睡眠模式，当终端设备不采集应变值，即设备不工作时，将终端置于睡眠状态；当终端设备采集应变值，即设备工作时，将终端置于唤醒状态。

2.2 路由设备

路由设备的功能包括协助与其连接的终端和协调器之间的通信，通过多跳路由的方式扩大通信距离。路由设备不具备数据采集功能，因此路由设备与终端设备相比不存在应变电桥模块和信号处理模块。路由设备硬件框架如图3所示。

图3 路由设备硬件框架图

路由设备与多个终端设备相连，因此应一直处于工作状态以便能够实时接收来自不同终端设备的数据包，对设备供电提出了较高的要求。为了保证在电池供电的情形下，终端设备数据还能够正确传输，选取网状拓扑结构组建ZigBee网络，这样可以保证当某些路由设备失效时，终端设备可以选择其他路由设备转发数据包，以提高系统的可靠性。

2.3 协调器设备

协调器设备是整个ZigBee无线传感器网络的核心，在系统的运行和维护中起着至关重要的作用。协调器设备负责整个网络的建立和维护，并管理路由或终端设备节点的加入和删除[5]。当整个网络的启动和配置完成之后，它的功能退化为一个普通路由设备，此时，可以接收路由设备或终端设备发送的数据包，并将该数据包通过串口模块转发到计算机监控软件。

协调器设备与路由设备相比，增加了串口通信模块。本系统采用RS232接口，选用美信公司的MAX3232芯片实现TTL到RS232电平的转换。协调器设备硬件框架如图4所示。为了保证整个网络的可靠性，协调器设备采用外部供电的方式。

图4 路由设备硬件框架图

3 系统软件程序设计

3.1 下位机软件算法流程

该多点应变监测系统使用IAR Embedded Workbench集成开发环境，在TI公司提供的ZStack－CC2530－2.2.2－1.3.0协议栈的基础上进行了该系统应用程序的开发[9]。Z－Stack协议栈并不是一个完全开源的协议代码集，但是却提供了大量的应用程序接口函数供用户开发使用，用户在正确使用这些函数的基础上即可实现系统的程序开发。

对于连接监控中心PC机的协调器设备，系统上电后，首先进行硬件和协议栈的初始化，然后进行信道扫描和空闲信道评估，从而选择合适的工作参数，最后允许终端设备连接，建立网络。网络建成后，协调器设备一直监测无线信号，当检测到数据请求时，会接收并转发数据至串口端。当协调器发送数据完成后，将处于空闲状态，此时若有新的设备加入网络，则协调器将与其建立连接并为其分配网络地址[10]。

路由设备成功加入网络后，一直处于监测无线信号的状态。当检测到有数据请求命令时，对该数据进行路由转发。终端设备成功加入网络后，则根据程序内部定时器设定的时间进行数据的周期性接收与发送。图5所示即为三种设备节点的软件流程图。

图5 设备节点软件流程图

3.2 上位机监测软件

对于电脑端的监测界面，采用LabVIEW图形化编辑软件进行开发设计，该软件具备操作简单、界面友好等特点，基本上不需要用户编写语言代码，而是用框图或者流程图的形式进行编写。本系统所设计的监测软件流程如图6所示。

图6 LabVIEW软件流程图

首先，在监测界面进行参数设置，包括串口设置以及报警阈值设置。点击运行开始监测后，协调器设备汇聚的数据则会通过RS232串口直接发送至上位机软件的串口缓存区，并在监测界面进行实时显示，同时LabVIEW软件内嵌了Microsoft Office Access数据库，自动保存采集数据。若所测应变值超过所设置报警阈值，则会在监测界面显示报警提示对话框，同时报警指示灯亮，否则软件正常显示。若需要对所采集历史数据进行查询，则软件将会进入查询界面，以表格形式显示出所有历史数据，同时绘制曲线以直观地显示数据变化情况。

4 系统测试

测试系统采用网状拓扑结构进行测试。所搭建的ZigBee无线传感器网络由计算机、协调器设备、两个路由设备和一个终端设备组成。被测对象用两把薄钢尺模拟，应变电桥均采用全桥搭接，将所有硬件设备一同置于室外环境中进行现场环境模拟。设置计算机监控界面串口所在端口为计算机与协调器设备相连的端口，波特率设为38 400，校验位None，停止位1，数据位8。数据包格式如表1所示。开始测试时，依次启动协调器、路由和终端设备，同时任意变换路由或终端设备的位置，在监测界面则实时显示被测点的应变值。图7即为某时刻被测点的应变值采集结果。

表1 数据包格式

图7 监测软件显示结果

对图7显示结果进行分析，其中监测日期即系统启动时间，而中间数据显示区时间即采集应变值的时刻。从图中可以看出，在单个终端设备的情况下，该系统能够实现对至少两个被测点应变值的监测。若终端设备较多时，则会在数据显示区中按照顺序依次显示。在实验过程中，随着路由和终端设备远离协调器，可以确定路由设备起到中继传输的作用，扩展了终端设备与协调器之间的传输距离。然而由于路由设备不具备采集功能，因此这里并未显示出路由设备的工作时间。通过上述实验，可以证实该系统不仅实现了应变的无线监测，同时还可通过多跳路由的方式实现远距离监测。

5 结语

综上所述，本文所搭建的基于ZigBee无线通信技术的多点应变监测系统具有无线、实时监测的功能，且终端设备体积小、功耗低，能够长时间进行在线监测。路由设备起到中继传输的作用，并用于数据转发。协调器设备是本系统中网络的核心，建立、管理及维护网络。LabVIEW监控软件的设计人性化、智能化，相较于传统的有线监测，该无线监测系统的设计和开发具有应用于工程实际检测的潜力。

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