物联网技术在振动检测系统中的应用

屠畅　李美玲　孙鉴波　王钢　周细红　赵军涛

摘 要：针对当前桥梁振动监测需要人工现场检测、耗费时间长、费用高、不能实时检测的缺点，提出一种基于物联网技术的智能的自动监测桥梁振动的方法。采用ZigBee无线传感器网络，对桥梁的振动进行实时监测，重点设计了系统节点的硬件和软件以及上位机监控软件。该系统具有低功耗，自组网、可靠性高、使用方便的特点。

关键词：CC2520；ZigBee；低功耗；震动监测

引言

近年来，众多桥梁的横向振动超限问题越来越突出，对交通安全造成了很大威胁，为确保行车路人的生命财产安全，公路部门急需对各大桥梁的振动情况进行检测，以便了解桥梁的状态。因而有一套可实时监测桥梁状态，满足及时、快捷、可靠的了解桥梁振动情况的设备显得迫切而重要。

1 系统构成

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术[1]。加速度传感器是一种惯性敏感元件也是桥梁振动监测的常规器件，性能稳定，受外界环境影响小，而且功耗非常低，非常适合低功耗系统的设计。文章结合桥梁振动的特点，设计一种基于ZigBee技术和加速度传感器的桥梁振动监测系统，实现桥梁振动的实时、低功耗、高精度监测。

1.1 ZigBee传感器节点设计

系统主要有四大部分组成，即数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源模块。数据采集单元：主要功能是采集桥梁振动的三维信息，在此单元中传感器与处理器之间采用传感器接口实现连接，避免了当传感器使用寿命终止而此节点报废的状况。

数据处理单元：主要功能是对传感器采集的数据进行初步的处理，并将此数据传送到数据传输单元。此单元由处理器、内存、应用程序及电源指示灯构成。处理器采用的是TI公司的MSP430F2618型芯片。MSP430单片机具有功耗低、适合与无线器件接口配合等特点，该微型控制器拥有丰富的片上资源，包括2个16位定时器、1个看门狗定时器、8192B RAM、116KB Flash并对ZigBee设备进行了优化设计；拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，内置12bitADC，方便无线器件和传感器的接入；有6种电源节能模式，方便低功耗设计MSP430F2618单片机对数据进行初步判断后，将数据传送到数据传输单元，如果此数据超标，通过上位机监测软件界面可以迅速判断事故发生地点与桥梁的危险系数。同时，本单元可以数据传输单元接收到经网关节点转发的上位机控制命令，进行命令处理判断，使此节点进入工作模式，进行数据采集，向上级发送采集的信息。

数据传输单元：主要功能是传输数据或接收命令。考虑到无线传感器网络在通信方面的功耗问题，本单元采用TI公司的ZigBee 无线收发模块CC2520芯片。数据传输单元接收到数据处理单元的数字信息后，会立即将此数字信息经ZigBee无线网络传送给网关节点。如果此节点收到网关节点传送的命令时，会将此命令转入数据处理单元，并等待处理单元的相应命令。

1.2 震动传感器模块设计

传感器是传感器节点的主要工作器件，它们长时间暴露在外部环境中，以便搜集桥梁的实时状况，因此，传感器的选择是桥梁振动监测系统的重要环节[2]。

MMA7360传感器是飞思卡尔公司出品的一款低功耗、低成本、小尺寸电容性三轴向低重力微机械加速度传感器，采用了信号调理、单极低通滤波器、温度补偿和自检技术，以及检测线性自由坠落的0g检测技术，并且提供2个可选量程，用户可在2个灵敏度和量程中进行选择。该器件已做0g补偿和灵敏度设置。MMA7360L还提供休眠模式，因而是电池充电的电子设备产品的理想之选。

在电路图设计过程中，文章首先考虑的是对三轴加速度传感器的监测电路设计，将上述传感器分布与相应的传感器接口相连接，便可实现对振动参数的实时监测。其电路图如图1所示。

1.3 处理器外围电路设计

MSP430F2618主要与传输单元中的CC2520芯片连接，MSP430F2618通过SPI通信协议控制CC2520芯片的工作。如图2为MSP430F2168最小系统硬件结构图。CC2520是一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，工作于2.4GHz频段。该器件只需极少外部元件，即可确保短距离通信的有效性和可靠性。C2520可以通过4线SPI总线（SI、SO、SCLK、CSn）设置芯片的工作模式， 并实现读/写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。另外，通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计，通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。

2 传感器节点和网关软件设计

传感器节点上的软件负责完成现场数据的采集以及通过无线通信模块将采集数据包无线传送。传感器节点遵循睡眠-被唤醒-正常工作的工作模式。在睡眠状态下，处理器停止工作，而SRAM、SPI端口以及中断系统继续工作，无线模块处于低电流的接收状态。在无线模块接收到网关节点或是传感器节点发来的命令后，传感器节点被唤醒，处理器对命令进行判断，如果命令是采集实时数据，则该节点进入工作状态，否则此节点再次进入睡眠状态。具体传感器节点的操作流程如图3所示。

3 结束语

作者设计了一种基于ZigBee网络的震动检测系统，并通过实验测试可以应用于桥梁的振动监测，有效地解决了在桥梁振动监测中费时、费力、难度大、实时性低的问题。该方案还可应用于其它布线量大、移动性强的监测系统，市场前景非常广阔。

参考文献

[1]吴志新.基于ZigBee无线技术振动信号采集的研究[D].中国地震局工程力学研究所，2013.

[2]李聪.基于Zigbee的嵌入式桥梁健康监测数据采集系统研究[D].重庆交通大学，2013.

通讯作者：孙鉴波。

摘 要：针对当前桥梁振动监测需要人工现场检测、耗费时间长、费用高、不能实时检测的缺点，提出一种基于物联网技术的智能的自动监测桥梁振动的方法。采用ZigBee无线传感器网络，对桥梁的振动进行实时监测，重点设计了系统节点的硬件和软件以及上位机监控软件。该系统具有低功耗，自组网、可靠性高、使用方便的特点。

关键词：CC2520；ZigBee；低功耗；震动监测

引言

近年来，众多桥梁的横向振动超限问题越来越突出，对交通安全造成了很大威胁，为确保行车路人的生命财产安全，公路部门急需对各大桥梁的振动情况进行检测，以便了解桥梁的状态。因而有一套可实时监测桥梁状态，满足及时、快捷、可靠的了解桥梁振动情况的设备显得迫切而重要。

1 系统构成

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术[1]。加速度传感器是一种惯性敏感元件也是桥梁振动监测的常规器件，性能稳定，受外界环境影响小，而且功耗非常低，非常适合低功耗系统的设计。文章结合桥梁振动的特点，设计一种基于ZigBee技术和加速度传感器的桥梁振动监测系统，实现桥梁振动的实时、低功耗、高精度监测。

1.1 ZigBee传感器节点设计

系统主要有四大部分组成，即数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源模块。数据采集单元：主要功能是采集桥梁振动的三维信息，在此单元中传感器与处理器之间采用传感器接口实现连接，避免了当传感器使用寿命终止而此节点报废的状况。

数据处理单元：主要功能是对传感器采集的数据进行初步的处理，并将此数据传送到数据传输单元。此单元由处理器、内存、应用程序及电源指示灯构成。处理器采用的是TI公司的MSP430F2618型芯片。MSP430单片机具有功耗低、适合与无线器件接口配合等特点，该微型控制器拥有丰富的片上资源，包括2个16位定时器、1个看门狗定时器、8192B RAM、116KB Flash并对ZigBee设备进行了优化设计；拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，内置12bitADC，方便无线器件和传感器的接入；有6种电源节能模式，方便低功耗设计MSP430F2618单片机对数据进行初步判断后，将数据传送到数据传输单元，如果此数据超标，通过上位机监测软件界面可以迅速判断事故发生地点与桥梁的危险系数。同时，本单元可以数据传输单元接收到经网关节点转发的上位机控制命令，进行命令处理判断，使此节点进入工作模式，进行数据采集，向上级发送采集的信息。

数据传输单元：主要功能是传输数据或接收命令。考虑到无线传感器网络在通信方面的功耗问题，本单元采用TI公司的ZigBee 无线收发模块CC2520芯片。数据传输单元接收到数据处理单元的数字信息后，会立即将此数字信息经ZigBee无线网络传送给网关节点。如果此节点收到网关节点传送的命令时，会将此命令转入数据处理单元，并等待处理单元的相应命令。

1.2 震动传感器模块设计

传感器是传感器节点的主要工作器件，它们长时间暴露在外部环境中，以便搜集桥梁的实时状况，因此，传感器的选择是桥梁振动监测系统的重要环节[2]。

MMA7360传感器是飞思卡尔公司出品的一款低功耗、低成本、小尺寸电容性三轴向低重力微机械加速度传感器，采用了信号调理、单极低通滤波器、温度补偿和自检技术，以及检测线性自由坠落的0g检测技术，并且提供2个可选量程，用户可在2个灵敏度和量程中进行选择。该器件已做0g补偿和灵敏度设置。MMA7360L还提供休眠模式，因而是电池充电的电子设备产品的理想之选。

在电路图设计过程中，文章首先考虑的是对三轴加速度传感器的监测电路设计，将上述传感器分布与相应的传感器接口相连接，便可实现对振动参数的实时监测。其电路图如图1所示。

1.3 处理器外围电路设计

MSP430F2618主要与传输单元中的CC2520芯片连接，MSP430F2618通过SPI通信协议控制CC2520芯片的工作。如图2为MSP430F2168最小系统硬件结构图。CC2520是一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，工作于2.4GHz频段。该器件只需极少外部元件，即可确保短距离通信的有效性和可靠性。C2520可以通过4线SPI总线（SI、SO、SCLK、CSn）设置芯片的工作模式， 并实现读/写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。另外，通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计，通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。

2 传感器节点和网关软件设计

传感器节点上的软件负责完成现场数据的采集以及通过无线通信模块将采集数据包无线传送。传感器节点遵循睡眠-被唤醒-正常工作的工作模式。在睡眠状态下，处理器停止工作，而SRAM、SPI端口以及中断系统继续工作，无线模块处于低电流的接收状态。在无线模块接收到网关节点或是传感器节点发来的命令后，传感器节点被唤醒，处理器对命令进行判断，如果命令是采集实时数据，则该节点进入工作状态，否则此节点再次进入睡眠状态。具体传感器节点的操作流程如图3所示。

3 结束语

作者设计了一种基于ZigBee网络的震动检测系统，并通过实验测试可以应用于桥梁的振动监测，有效地解决了在桥梁振动监测中费时、费力、难度大、实时性低的问题。该方案还可应用于其它布线量大、移动性强的监测系统，市场前景非常广阔。

参考文献

[1]吴志新.基于ZigBee无线技术振动信号采集的研究[D].中国地震局工程力学研究所，2013.

[2]李聪.基于Zigbee的嵌入式桥梁健康监测数据采集系统研究[D].重庆交通大学，2013.

通讯作者：孙鉴波。

摘 要：针对当前桥梁振动监测需要人工现场检测、耗费时间长、费用高、不能实时检测的缺点，提出一种基于物联网技术的智能的自动监测桥梁振动的方法。采用ZigBee无线传感器网络，对桥梁的振动进行实时监测，重点设计了系统节点的硬件和软件以及上位机监控软件。该系统具有低功耗，自组网、可靠性高、使用方便的特点。

关键词：CC2520；ZigBee；低功耗；震动监测

引言

近年来，众多桥梁的横向振动超限问题越来越突出，对交通安全造成了很大威胁，为确保行车路人的生命财产安全，公路部门急需对各大桥梁的振动情况进行检测，以便了解桥梁的状态。因而有一套可实时监测桥梁状态，满足及时、快捷、可靠的了解桥梁振动情况的设备显得迫切而重要。

1 系统构成

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术[1]。加速度传感器是一种惯性敏感元件也是桥梁振动监测的常规器件，性能稳定，受外界环境影响小，而且功耗非常低，非常适合低功耗系统的设计。文章结合桥梁振动的特点，设计一种基于ZigBee技术和加速度传感器的桥梁振动监测系统，实现桥梁振动的实时、低功耗、高精度监测。

1.1 ZigBee传感器节点设计

系统主要有四大部分组成，即数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元和电源模块。数据采集单元：主要功能是采集桥梁振动的三维信息，在此单元中传感器与处理器之间采用传感器接口实现连接，避免了当传感器使用寿命终止而此节点报废的状况。

数据处理单元：主要功能是对传感器采集的数据进行初步的处理，并将此数据传送到数据传输单元。此单元由处理器、内存、应用程序及电源指示灯构成。处理器采用的是TI公司的MSP430F2618型芯片。MSP430单片机具有功耗低、适合与无线器件接口配合等特点，该微型控制器拥有丰富的片上资源，包括2个16位定时器、1个看门狗定时器、8192B RAM、116KB Flash并对ZigBee设备进行了优化设计；拥有UART、SPI、I2C、JTAG接口，内置12bitADC，方便无线器件和传感器的接入；有6种电源节能模式，方便低功耗设计MSP430F2618单片机对数据进行初步判断后，将数据传送到数据传输单元，如果此数据超标，通过上位机监测软件界面可以迅速判断事故发生地点与桥梁的危险系数。同时，本单元可以数据传输单元接收到经网关节点转发的上位机控制命令，进行命令处理判断，使此节点进入工作模式，进行数据采集，向上级发送采集的信息。

数据传输单元：主要功能是传输数据或接收命令。考虑到无线传感器网络在通信方面的功耗问题，本单元采用TI公司的ZigBee 无线收发模块CC2520芯片。数据传输单元接收到数据处理单元的数字信息后，会立即将此数字信息经ZigBee无线网络传送给网关节点。如果此节点收到网关节点传送的命令时，会将此命令转入数据处理单元，并等待处理单元的相应命令。

1.2 震动传感器模块设计

传感器是传感器节点的主要工作器件，它们长时间暴露在外部环境中，以便搜集桥梁的实时状况，因此，传感器的选择是桥梁振动监测系统的重要环节[2]。

MMA7360传感器是飞思卡尔公司出品的一款低功耗、低成本、小尺寸电容性三轴向低重力微机械加速度传感器，采用了信号调理、单极低通滤波器、温度补偿和自检技术，以及检测线性自由坠落的0g检测技术，并且提供2个可选量程，用户可在2个灵敏度和量程中进行选择。该器件已做0g补偿和灵敏度设置。MMA7360L还提供休眠模式，因而是电池充电的电子设备产品的理想之选。

在电路图设计过程中，文章首先考虑的是对三轴加速度传感器的监测电路设计，将上述传感器分布与相应的传感器接口相连接，便可实现对振动参数的实时监测。其电路图如图1所示。

1.3 处理器外围电路设计

MSP430F2618主要与传输单元中的CC2520芯片连接，MSP430F2618通过SPI通信协议控制CC2520芯片的工作。如图2为MSP430F2168最小系统硬件结构图。CC2520是一款符合ZigBee技术的高集成度工业用射频收发器，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，工作于2.4GHz频段。该器件只需极少外部元件，即可确保短距离通信的有效性和可靠性。C2520可以通过4线SPI总线（SI、SO、SCLK、CSn）设置芯片的工作模式， 并实现读/写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。另外，通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计，通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。

2 传感器节点和网关软件设计

传感器节点上的软件负责完成现场数据的采集以及通过无线通信模块将采集数据包无线传送。传感器节点遵循睡眠-被唤醒-正常工作的工作模式。在睡眠状态下，处理器停止工作，而SRAM、SPI端口以及中断系统继续工作，无线模块处于低电流的接收状态。在无线模块接收到网关节点或是传感器节点发来的命令后，传感器节点被唤醒，处理器对命令进行判断，如果命令是采集实时数据，则该节点进入工作状态，否则此节点再次进入睡眠状态。具体传感器节点的操作流程如图3所示。

3 结束语

作者设计了一种基于ZigBee网络的震动检测系统，并通过实验测试可以应用于桥梁的振动监测，有效地解决了在桥梁振动监测中费时、费力、难度大、实时性低的问题。该方案还可应用于其它布线量大、移动性强的监测系统，市场前景非常广阔。

参考文献

[1]吴志新.基于ZigBee无线技术振动信号采集的研究[D].中国地震局工程力学研究所，2013.

[2]李聪.基于Zigbee的嵌入式桥梁健康监测数据采集系统研究[D].重庆交通大学，2013.

通讯作者：孙鉴波。