基于MEMS的桥梁拉索振动加速度监测系统

樊清江 王津 温建 刘文 唐立军

引言：文中介绍了一种基于MEMS传感器的桥梁拉索振动加速度检测系统，应用于桥梁索力加速度数据的实时测量和传输。本系统采用MEMS传感器获取索力加速度，通过ZigBee模块组建的网络将数据进行传输，并通过PC上位机界面对数据进行处理、储存及显示。

在现代社会中桥梁已成为了交通运输系统的重要枢纽，由于受到自然因素及车辆增多等影响，桥梁结构均受到了不同程度的损伤，导致诸多意外事故的发生。因此，设计一种实时桥梁健康状态的监测系统具有重要意义[1]。

传统的桥梁拉索的加速度人工检测方法有较多局限性，如在连线时较为繁琐、检测数据时不能及时发送等 [2]。其他无线数据采集方式如wifi、IrDA、UWB技术、蓝牙等，也均存在节点功耗大、传输距离短、组网难度大、成本高、节点容量小等问题[3]。本文所设计的桥梁索力加速度监测系统采用的ZigBee技术具有功耗、成本、复杂度均较低等优势，且采用的MEMS传感器也具有高精确度、低功耗、抗干扰能力强等特点。

一、系统设计

桥梁跨度大，需采集的节点多；系统覆盖范围广，采集节点具有分散性。本系统采用ZigBee技术构建传输网络。系统主要包括采集终端、ZigBee协调器和PC上位机组成。其结构如图1所示。

系统工作流程为：操作人员通过PC上位机界面发送采集命令，ZigBee协调器接收到采集信号后将指令传输给各采集终端，采集终端收到命令后采集加速度数据，并通过ZigBee发送终端发送至ZigBee协调器，而协调器通过串口将数据传送给PC上位机，进行数据处理与显示。

（一）硬件设计

1、加速度采集模块设计

采集模块主要由ZigBee模块、稳压模块、加速度传感器和数据存储器4部分组成。ZigBee模块是该节点的核心模块，主要负责管理节点中各模块的协调工作；采集加速度模块利用较为方便的MMA7455加速度传感器；MMA7455加速度传感器输出的是数字量，节省了对A/D转换的需要，并具有低成本、低功耗等优点。

2、中继模块设计

本文选用CC2530芯片作为ZigBee模块的射频芯片，克服了传统射频芯片的技术缺陷，如通信距离短、集成度低等。CC2530芯片结合了RF收发器和C8051控制内核的优点，可在系统内实现编程闪存[5]。其的封装尺寸更小，且具有更大的缓存容量，Flash存储容量可达256KB，理想环境下的最大通信距离可达400m。

3、电源管理模块设计

ZigBee模块底层电路板的电源管理模块电路如图2所示，拨动开关SW2可选择外接电源或电池供电的方式。外接电源模式下，由USB电缆提供+5 V电压或由+5V直流电源供电，再经线性稳压器TPS79533转换为3.3V电压输出。为了减少稳压器内部的输出噪声和电压噪声，PASS引脚连接一个0.01μF电容。

（二）软件设计

1、采集模块程序设计

加速度传感器的驱动程序包含两个子程序，初始化函数和读取传感器采样值函数。ZigBee采集模块的网络流程如图2所示。

2、ZigBee模块程序设计

ZigBee协调器相当于中转站作用，是整个网络的核心，其的软件流程如图3所示。ZigBee协调器开始时反复查询是否收到上位机的采集数据命令请求，数据采集终端在收到命令后先进行解析，然后采集命令中所需的数据量，当采集完后立即打包发送给ZigBee协调器并自动进入低功耗状态，ZigBee协调器每收到一个终端节点的采集数据便及时的通过串口将该数据传给上位机，直至收集完所有终端的数据为止。

3、上位机与ZigBee协调器通信

上位机是系统信息输入输出模块和数据处理模块，其软件流程如图4所示。系统上电后首先进行外围器件的初始化，如触屏、串口和显示屏等。然后判断开始按钮是否被按下，当开始按钮被按下后，整个系统进入数据采集阶段，等到有数据从协调器发送过来后便将数据进行处理、存储，并最终显示到触摸屏上，直至收集完所有终端的数据为止。

二、实验测试过程及结果显示

在测试过程中，将两组数据采集终端绑定在相距200 m的桥梁模型的拉索上，协调器模块和PC上位机放在两个采集终端中间，具体步骤如下：

步骤1 打开协调器电源开关，待LED3亮起后，表明协调器网络建立成功；

步骤2 将ZigBee协调器通过串口线与PC上位机相连，并打开串口调试助手，设置其参数，当串口助手界面指示显红色标志时表明连接成功；

步骤3 打开ZigBee采集终端电源，待LED3亮起后表明加入网络成功；

步骤4 将协调器进行复位，待LED3再次亮起时复位ZigBee采集终端，数据开始传输，在串口调试助手端接收到所采集的加速度数据。

终端发送的数据包如图5所示。数据处理终端接收到数据后进行FFT运算，得到有效加速度数值，该数据处理终端界面如图6所示。

三、结束语

本设计通过上位机下达采集加速度指令，采集终端收到指令采集加速度数据，ZigBee发送终端将数据发送到ZigBee协调器，协调器通过串口将所采集的加速度数据传至上位机，并在界面上显示所采集的桥梁拉索的加速度值。从而达到了实时检测桥梁拉索加速度的目的。

参考文献

[1]ZigBee Alliance，ZigBee speci?cation：Technical Report Document 053474r06，Version 1.0，ZigBee Alliance，2005.

[2]崔京伟，黄灏.基于ARM和ZigBee的无线温度采集系统设计[J].电子科技，2013，26（4）：12-13，16.

[3]李金明.分布式Zigbee多节点传感器数据融合轨迹关联[J].电子科技，2011，24（8）：42-43，51.

[4]王堃.基于嵌入式的无线桥梁监测系统的研究[D].武汉：湖北工业大学，2009.

[5]秦霆镐，豆晓强，黄文彬.Zigbee技术在无线传感器网络中的应用[J].仪表技术，2007（1）： 57-58.

[6]张莉.近距离无线通信技术及应用前景[J].电信技术，2005（11）：9-11.

[7]K.West，Is 2008 the year of ZigBee–at last？ in：ZigBee Resource Guide， Spring 2008.

[8]穆乃刚.Zigbee技术简介[J].电信技术，2006（3）：84-86.

（作者单位：长沙理工大学物理与电子科学学院）

作者简介

樊清江（1990-），男，本科，研究方向：光信息科学与技术。