基于无线传感器网络的桥梁线形监测系统

李亮德　张延贺　王国庆　钱国明

摘 要：设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的桥梁线形自动监测系统。倾角传感器输出信号采用差分方式放大，采用微处理器对倾角信号进行过采样，并对测量结果进行温度补偿，进一步提高测量精度。网络节点依据ZigBee协议组成簇状网络，通过唤醒的方式完成数据的发送和接收，达到降低系统功耗的目的。GPRS网关将来自协调器节点的数据转发到远程服务平台上，从而实现对桥梁线形的远程监测。

关键词：桥梁线形；ZigBee无线传感器；过采样；温度补偿

中图分类号：TM932 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.098

桥梁的建设和维护是国家基础设施建设的重要组成部分，而桥梁线形是评价桥梁健康状况的重要指标。通过实时监测桥梁各个控制断面的挠度，可以拟合得到其整体线形结构。目前，对于桥梁倾斜角度、挠度等的测量，主要采用的是GPS传感技术、光电成像传感技术和激光图像挠度传感技术。但这些技术存在稳定性低、成本高、维护难等问题，有必要对现行系统进行改进优化。

由于桥梁变形曲线连续光滑，可以通过倾角传感器测量桥梁纵向断面的倾斜角度数值，拟合得到挠度曲线，从而得到桥梁线形结构。该方法具有成本低、测量精度高、测点布设方便等优点。同时，通过无线通信技术自组织形成网络，可以协作感知、采集、处理和传输桥梁倾斜角度的信息，并最终把这些信息发送给桥梁管理部门，从而实现桥梁线形的自动监测。本文在应用倾角传感器的基础上，设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的桥梁线形监测系统。

1 总体设计

本系统主要由传感器网络节点、无线网关节点和远程监控中心3部分组成。ZigBee协议包括簇状、星形、网状3种网络拓扑结构，为了降低功耗和减少数据包的丢失，本系统采用簇状网络结构。具体做法是将安放在桥梁不同位置的网络节点划分为不同的簇，每个簇相当于一个独立的自组织网络。网络节点可以分为监测节点、簇首节点、协调器节点3种。其中，监测节点负责桥梁倾角数据的感知与采集，数据以“最短路径”原则沿着其他路由节点逐跳进行传输，到达每个簇的簇首节点；簇首节点负责数据的融合，继而发送到与GPRS网关相连的协调器节点；协调器节点负责对来自桥梁上不同位置的测量数据进行汇总。GPRS网关以自定义的数据格式将测量数据发送到远程管理平台，远程管理平台对测量数据进行处理，从而实现对桥梁线形的远程监测。本监测系统总体结构如图1所示。

2 传感器网络节点设计

2.1 总体结构设计

无线传感网络节点主要由倾角传感器模块、差分运放模块、处理器模块、供电模块、ZigBee无线通讯模块组成。差分运放模块用于对传感器输出信号进行预处理，消除共模电压以及满足处理器对输入信号范围的要求；供电模块为整个网络节点提供了能量支持；ZigBee无线通讯模块用于实现与其他节点通信形成自组织传感器网络。

为了实时监测室外桥梁的形变状态，系统应该具有测量精度高、工作稳定性能好、抗干扰能力強、功耗低等特点。因此，本系统的微处理器模块采用MSP430，倾角传感器模块采用SCA103T，ZigBee无线通信模块采用CC2530，结构组成如图2所示。

其中，SCA103T内部集成了倾角传感器和温度传感器。倾角传感器将倾角信息转化为差分模拟信号输出，差分运放模块主要由仪表放大器AD620组成，目的是将差分信号转化为单端信号，降低共模抑制比。单端信号输入到微处理器MSP430进行过采样A/D转换，从而计算出倾角的大小。同时，MSP430通过SPI接口读取温度传感器数据，对倾角数值进行温度补偿。

2.2 传感器模块

SCA103T的测量原理是利用加速度传感器测其重力加速度，有2个模拟电压输出引脚，分别输出2个传感元件的加速度值，通过仪表放大器将差分信号转化为单端信号，可显著抑制共模信号，提高测量精度和稳定性。倾斜角度可由下式求出：

（1）

式（1）中：Vout为传感器差分输出电压，Vout=out1-out2；O为传感器在倾斜角度为0°时的输出电压；S为传感器的灵敏度。

2.3 处理器模块设计

由于无线传感器网络部署在室外的桥梁中，电源节能是系统稳定工作的基础，因此我们采用TI公司推出的16位超低功耗微处理器MSP430F149。该微处理器采用了独特的时钟系统，能在低电压下以多种低功耗模式运行，整机功耗远低于业界其他微处理器。而且该微处理器内部拥有12位ADC模块，仪表放大器的输出信号经过四分压之后即可送入ADC模块中采样，避免了设计复杂的外围ADC电路。

2.4 ZigBee无线通讯模块设计

ZigBee无线通讯模块采用了CC2530射频收发器。CC2530射频收发器具有多种低功耗运行模式，且运行模式之间的转换时间短，能进一步降低系统功耗。CC2530射频收发器的诸多优良特性，使其十分适用于本文的低功耗无线传感网络系统设计。

3 微处理器软件设计

MSP430微处理器主要完成模拟信号的过采样、A/D转换、读取SPI接口的温度数据、温度补偿、软件滤波以及串口通信等工作。

3.1 温度补偿程序设计

通过对比不同温度下SCA103T的测试数据发现，随着温度的偏移，SCA103T的灵敏度—温度曲线呈现逐步降低的趋势，影响了测量精度。利用MATLAB软件对不同温度下灵敏度的测试数据进行拟合，得到为灵敏度进行补偿的方程式：

Scorr=-0.001 1T2+0.002 2T+0.0408.则校正之后的灵敏度为Scomp=S（1+Scorr/100）.

MSP430可以通过SPI接口读取SCA103T内部的温度传感器数据，从而对灵敏度进行温度补偿。

3.2 过采样程序设计

SCA103T输出信号包含的噪声近似为白噪声，为改善SNR值，以提高测量精度，可通过软件编程将MSP430内部12位ADC的采样精度提高到16位，在提高有效分辨率的同时简化模拟电路。

4 网络节点软件设计

当协调器建立起ZigBee网络之后，周围的节点通过扫描可用信道的方式申请加入此网络。为保证节点功耗低，在设计中通过唤醒的方式完成与协调器的连接以及发送、接收数据，其他时间进入低功耗模式，工作流程如图3所示。

5 实验测试

为了验证设计的远程监测系统，在实验室搭建的测试平台上布置了由协调器节点、多个路由器节点和监测节点组成的无线传感器网络，成功实现了对桥梁线形的远程监控。传感器节点和ZigBee无线通讯网络实物图分别如图4和图5所示。

6 结束语

本系统将ZigBee无线传感器网络应用于桥梁线形远程监测中，设计簇状的传感器网络组网方案，在选取合适器件的基础上完成网络节点的硬件设计，通过过采样、温度补偿等数据处理方法实现了对倾角的高精度测量，能有效地实现对桥梁线形的远程监测。另外，本系统还可以应用于可穿戴设备上的人体姿态测量、建筑施工測量、飞机惯性测量等行业。

参考文献

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〔编辑：刘晓芳〕

文章编号：2095-6835（2017）08-0100-02