基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的橋梁監測系統

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是當前國內外科技領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，節點(diǎn)具有功耗低、體積小、智能化程度高等特點(diǎn)。將無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)應用于橋梁健康監測，有利于整個(gè)監測系統的小型化、低成本和智能化發(fā)展。目前，無(wú)線(xiàn)傳感器針對橋梁健康監測方面的應用主要有：UC Berkelev的SukunKim等人設計了基于TinyOS的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統，并實(shí)現了對金門(mén)大橋結構健康的監測。Stanford的Jerome P．Lynch等人設計了一種無(wú)線(xiàn)組塊監測系統（Wireless Modular Monitoring Systems，WMiMS），并在美國Alamosa峽谷的大橋進(jìn)行了試驗。在上述應用中都組建了具有多跳路由的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，應用加速度傳感器檢測橋梁振動(dòng)數據，經(jīng)過(guò)數據處理最終得到橋梁振動(dòng)的固有頻率來(lái)判斷橋梁的健康情況。

　　文中應用3G無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，研究并開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的集群式橋梁健康監測系統，可實(shí)現區域內多座橋粱的集中統一健康監測，為區域內多座橋梁的統一維護和管理決策提供依據和指導。

　　1 系統結構

　　系統結構如圖1所示。整個(gè)系統由無(wú)線(xiàn)傳感層、TD網(wǎng)關(guān)層和中央控制層3層組成。其中，無(wú)線(xiàn)傳感層為基于IEEE802．15．4協(xié)議的ZIGBEE無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，用以在被測區域內采集傳感數據，并進(jìn)行初步濾波處理。無(wú)線(xiàn)傳感層采集的數據匯聚到TD網(wǎng)關(guān)層，實(shí)現監測數據的本地短時(shí)存儲和3G無(wú)線(xiàn)傳輸。該層的3G無(wú)線(xiàn)處理單元為基于A(yíng)RM9的32位嵌入式系統，通過(guò)SPI總線(xiàn)和RS232總線(xiàn)分別連接ZIGBEE模塊和基于TD-SCDMA的3G無(wú)線(xiàn)模塊，從而實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )與3G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫對接。同時(shí)，在每個(gè)3G無(wú)線(xiàn)處理單元中，設計了2G的TIF卡存儲空間，可實(shí)現采集數據的本地短期保存。中央控制層（橋梁集群健康實(shí)時(shí)監測中心）為基于TCP／IP協(xié)議，采用SOCKET服務(wù)器模式的中央機房，可實(shí)現對散布在較大區域內的多個(gè)橋梁健康狀態(tài)數據采集子系統采集數據的接收，長(cháng)時(shí)間存儲、橋梁監測數據分析、橋梁狀態(tài)評估及壽命預測等一系列復雜功能。

　　2 無(wú)線(xiàn)傳感系統硬件構成

　　無(wú)線(xiàn)傳感系統硬件設計主要涉及無(wú)線(xiàn)傳感層的ZIGBEE采集單元和TD網(wǎng)關(guān)層的3G無(wú)線(xiàn)處理單元。該兩種單元均采用AT91SAM9G20作為核心處理單元，內嵌LINUX操作系統，ZIGBEE模塊采用TI公司的CC2530模塊，3G模塊采用華為公司的EM560?？紤]到準確計時(shí)和批量保存數據的需要，擴展了I2C總線(xiàn)的外部時(shí)鐘芯片1337和采用備用電池供電的外部靜態(tài)ROM存儲單元CY62157ESL。

　　2．1 3G無(wú)線(xiàn)模塊相關(guān)電路設計

　　3G模塊選用華為em560、em200、em770w模塊系列、帶TPC／IP協(xié)議的無(wú)線(xiàn)模塊。該無(wú)線(xiàn)模塊系列的3種產(chǎn)品，分別支持TD-SCDMA、CDMA20 00、WCDMA3G無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單的模塊替換，即可兼容不同格式的3G網(wǎng)絡(luò )。系統支持AT命令及增強AT命令，提供豐富的語(yǔ)音和數據業(yè)務(wù)等功能。

　　ZIGBEE模塊采用TI公司的CC2530模塊。CC2530是用于2．4-GHz IEEE 802．15．4、ZigBee應用的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。CC2530結合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8KB RAM等強大的功能。

　　由于兩種無(wú)線(xiàn)模塊均通過(guò)RS232接口實(shí)現與主機的通信，因此選用了SP3243E作為232電平的轉換芯片。其接口電路如圖3所示。圖中左側所接電路為無(wú)線(xiàn)通信模塊的RS232接口，右側電路接入AT91SAM9G20微處理器芯片串口1相關(guān)管腳。