基于ZigBee无线传感器网络的应变采集装置

，， ，

(1.长江科学院 a.工程安全与灾害防治研究所；b.水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心；c.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010； 2.长江水利委员会 水文局，武汉 430010)

1 水工结构健康监测的应变采集方式

随着大型水利水电工程的陆续建设，对水工建筑物及相关土木工程结构的健康监测也变得越来越重要。特别是近些年来，一些重大事故的警示以及材料技术、计算机技术、通信技术、智能控制技术的发展，都促进了结构健康监测技术的发展和应用。

结构健康监测分为整体监测和局部监测。而无论局部监测还是整体监测，都是以传感器准确采集传输数据为前提和基础，各种结构健康监测的数据采集主要采用的是传统“有线”传感器来实现，尽管这种采集方式具有采集信号准确、抗干扰性好、产品系列化等特点，但是利用“有线”传感器组成的监测网络布线量大、安装和维护费用高、可靠性差，甚至在一些结构中无法实现布线。随着传感技术、无线通信技术和MEMS技术的发展，无线传感技术得到了发展并能够克服有线传感网络的布线量大、费用高等不足，在实际应用中具有重要的意义[1-2]。

应变是反映结构局部状态的重要参数，在结构局部监测中非常重要。现存的应变采集装置要么体积较大，不能布置在传感元件附近，要么没有配置无线收发接口，需要通过有线连接与控制中心通信。因此一款体积小、功耗低的无线采集装置对于应变参数的采集是十分必要的。本文介绍一款基于ZigBee无线网络的电阻片式应变采集装置。

2 应变测量原理

电阻应变片在外力作用下产生机械变形，从而引起电阻变化，这就是电阻应变效应，应变测量就是利用这种机制实现的。电阻应变片是结构局部应变测量最常用、效果较好的传感元件，粘贴在结构表面或者埋入结构中，性能较稳定，可以组成各种形状和面积的阵列，防电磁干扰，耐久性较好;并且电阻应变片面积很小，不影响埋置材料的性能，具有制作容易、价格低廉、耐高温、抗冲击和弯曲强度高等优点，适合在水工结构监测中应用。

将电阻应变片接入电桥电路中，就可以将应力的变化变换为电压的变化。在实际安装时，应在被测试件上粘贴2个相同规格的工作应变片，一个受拉，一个受压，以保证它们的应变大小相等、方向相反，将其接入电桥相邻桥臂，便构成了差动半桥输入电路。差动半桥电路的输出电压U0=E×ΔR/2R，其中E为半桥电路的供电电压，为外力引起应变电阻片的电阻变化量，R为电桥平衡臂阻值，一般为120 Ω。

3 应变采集装置硬件设计

本文拟采用德州仪器(TI)的新型片上系统CC2530作为主控制器。CC2530是一款真正针对IEEE 802.15.4,ZigBee,ZigBee RF4CE和智能能源应用的片上系统解决方案。由于具有高达256 kB的大容量闪存，CC2530非常适合ZigBee PRO应用，并且更大容量的内存将允许片上空中下载以支持系统内重新编程。此外，CC2530还结合了1个完全集成的高性能射频收发器，带有8051 MCU,8 kB RAM、32/64/128/256 kB闪存以及其它强劲的支持功能与外设。CC2530提供了101 dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和优良的抗干扰性，4种供电模式，多种闪存尺寸，以及一套广泛的外设集，包括2个UART、12位ADC和21个通用GPIO。除了通过优秀的RF性能、选择性和业界标准增强8051MCU内核，支持一般的低功耗无线通信，CC2530还可以配备TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈(RemoTI，Z-Stack或SimpliciTI)来简化开发。

应变采集装置的硬件部分功能如图1所示。半桥采集单元完成桥式差分电压信号的调理，此信号经差分放大及电压偏移环节后，进入CC2530内置的模数转换器进行数字化。其中电源部分包括3.3 V稳压供电电路、3.3 V升压至5 V电路及3.3 V降压至2 V基准电压电路。从降低装置静态功耗的初衷出发，应尽量采用静态电流较低的芯片，本设计分别采用低纹波电荷泵式DC/DC变换芯片TPS60211、电荷泵DC/DC芯片TPS60151和超低噪音、高精度电压基准芯片ADR4520。

为减少升压芯片TPS60151输出的5 V电压为桥式电路供电时引起的电流消耗，仅在需要测量应变时，由微控制器将电源芯片的ENA引脚置为高电平，输出5 V有效；而在大部分的非测量时间内，使ENA处于低电平，电源芯片不输出5 V电压。通过这种控制措施，可较好地满足系统低功耗的设计要求。

图2 模拟信号采集电路

桥式电路供电电压5 V，在如图2所示电阻配置下静态工作电源42 mA，Ubd的共模电压为2.5 V，差模电压为±10 mV。经仪表运算放大器AD623差分放大倍数100倍，电压放大至±1 V；经AD623电压基准引脚电压平移2 V后[3]，Adin电压值介于1～3 V范围之内。CC2530的电压转换基准采用其电源电压3.3 V，由于CC2530的AD转换是12位的，故数模转换的分辨率为0.8 mV，对应桥式电压变化的8 μV。

4 无线传感器网络协议栈分析

采集装置的驱动软件基于TI公司协议栈Z-Stack编写，Z-Stack协议栈代码是半开源的[4]，部分底层函数代码对用户屏蔽，但不影响用户在应用层的程序开发。

整个Z-Stack协议栈采用分层架构，硬件抽象层(HAL)提供各种硬件模块的驱动，包括定时器Timer、通用I/O口GPIO、通用异步收发传输器UART、模数转换ADC的应用程序接口。操作系统抽象层OSAL实现了一个非抢夺式的多任务操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制。用户可以调用OSAL提供的相关API进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现。

协议栈中的每个层都有一套特定的服务方法和上一层连接，称为协议。数据实体提供数据的传输服务，而管理实体提供所有的服务类型。每个层的服务实体通过服务接入点SAP (service access point)和上一层相接，每个SAP提供大量服务方法来完成相应的操作。

5 嵌入式软件设计

软件开发环境采用IAR Embedded Workbench IDE，程序使用C语言编写，程序设计采用模块化结构，确保函数移植性好，且便于调试。

图3 软件工作流程

主函数的主要工作流程如图3所示。Z-Stack协议栈的精华在于操作系统OSAL的多任务调度。因此，在进入主循环处理函数之前的准备工作中，操作系统的初始化尤为重要。osalTaskInit()，osalAddTasks()，osalInitTasks()3个函数的调用构成了协议栈的7大任务列表，这7大任务分别是ZDApp_event_loop，nwk_event_loop，Hal_ProcessEvent，MT_ProcessEvent，APS_event_loop，macEventLoop，SAPI_ProcessEvent。

进入主循环处理函数以后，始终周期扫描此任务列表，这7个任务由taskID和taskPriority来决定扫描和处理顺序。在循环扫描的过程中，数据的传输使用直接存取(DMA)控制器进行操作，可以减轻8051CPU内核传送数据时的负担，实现CC2530在高效利用电源条件下的高性能。

图4 函数调用关系示意图

主函数main通过函数指针tasksArr将任务进行注册，通过osal_start_system函数启动系统后，各函数的调用关系如图4所示。在SendReport函数中可以编制数据采集子函数。软件的调试可以借助于TI公司的ZigBee Sensor Monitor应用软件观察网络拓扑结构。出于体积紧凑设计的考虑，硬件电路板上取消了TI公司的开发板上的按键等外围元件，因此需要将协调器和终端节点的程序改为上电自动绑定，而不是需要通过摇杆按键进行绑定。可以通过修改DemoSensor.c和Democollector.c中的zb_BindConfirm函数实现自动绑定。

6 装置实现及系统测试

基于上述硬件及软件设计方案完成的应变采集装置实物图如图5所示。装置的低功耗不但体现在硬件芯片的选型及电路设计上，而且通过在嵌入式软件程序中合理地使CC2530处于休眠状态，从而保证了应变采集无线传感器节点耗电量尽可能地低。经过实际组网测试，应变采集结果准确，组网可靠，工作功耗低，适用于水利自动化工程及其它结构健康监测应用。

图5 无线数据采集装置实物

7 结 语

基于TI的新一代片上系统CC2530及TI的Z-Stack-CC2530-2.3.0-1.4.0协议栈开发了一款体积紧凑、功能灵活的应变采集装置。该装置可以应用于结构健康监测等水利工程监测项目中，有效解决布线及电源防雷问题，便于构建庞大的无线传感器网络。

参考文献：

[1] 陈 俊,唐余亮,雷 鹰.基于桥梁结构健康监测的无线传感系统自愈性研究[J].中国新通信,2010, (7):69-71. (CHEN Jun, TANG Yu-liang, LEI Ying. Study on the Self-repair of Bridge Structural Stability Monitoring System Based on Wireless Sensor System[J]. China New Telecommunications, 2010, (7): 69-71. (in Chinese))

[2] 徐春红,吉 林,沈庆宏,等. 基于无线传感器网络的桥梁结构健康监测[J]. 电子测量技术, 2008, 31(11): 95-98. (XU Chun-hong, JI Lin, SHEN Qing-hong,etal. Bridge Structural Health Monitoring System Based on Wireless Sensor Networks[J]. Electronic Measurement Technology, 2008,31(11):95-98. (in Chinese))

[3] KITCHIN C, COUNTS L. 仪表放大器应用工程师指南(第2版)[M]. 冯新强，刘福强,蒋晓颖，等译. 马萨诸塞州：美国模拟器件公司,2004. (KITCHIN C, COUNTS L. A Designer’s Guide to Instrumentation Amplifiers(2nd ed)[M]. Translated by FENG Xin-qiang, LIU Fu-qiang, JIANG Xiao-ying,etal. Massachusetts: Analog Devices, 2004. (in Chinese))

[4] Texas Instruments. ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0 Software[CP/DK]. Texas: Texas Instruments, 2010.

(编辑：陈 敏)