一種新型的高速鐵路橋梁監(jiān)測系統(tǒng)

　　系統(tǒng)硬件電路

　　Imote2

　　Imote2搭載了一個強大的Marvell公司PXA271處理器芯片，并集成了德州儀器CC2420射頻芯片。與以往無線傳感器網(wǎng)路的平臺相比，Imote2提供了更多存儲資源，包括256kB的SRAM、32MB的SDRAM和32MB的Flash。Imote2從真正意義上打破了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺在計算能力和內(nèi)存方面的局限性，可以在數(shù)字圖像傳輸和工業(yè)震動監(jiān)測等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。圖2為Imote2的系統(tǒng)組成[4~5]。

　　Imote2包含處理器PXA271，該處理器可工作在低電壓(0.85V)和低頻(13MHz)模式，可進行低功耗操作。PXA271是多芯片模塊，即在一個封裝內(nèi)集成3個芯片：處理器、32MB FLASH以及32MB SDRAM。處理器提供多種I/O，能夠靈活的支持不同種類的傳感器、A/D、射頻器等。處理器還包括多個定時器和一個時鐘。另外，PXA271處理器板還包含了一個無線MMX協(xié)處理器。增加了30條媒體處理器指令，支持隊列及視頻操作，并兼容Intel MMX和SSE integer指令。

　　Imote2接口板包含2個USB串口和1個JTAG接口，可通過高級接口連接到Imote2上。接口板可以通過mini–B USB接口連接到PC機上的USB口。JTAG接口是標準20針接口，兼容標準適配器。因此，可使用Marvell軟件開發(fā)工具套件及類似工具，為Imote2的閃存進行軟件開發(fā)、調(diào)試和重新編程。

　　Imote2節(jié)點平臺

　　由圖3可知，一個Imote2節(jié)點平臺包括應(yīng)變、加速度等各類傳感器、ADS1256、電源管理單元和Imote2節(jié)點。它們被大量布散在橋梁關(guān)鍵監(jiān)測區(qū)域，它們通過無線信道相連，形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用Imote2強大的處理器對橋梁的撓度、應(yīng)變等主要結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)進行監(jiān)測，是整個系統(tǒng)的核心部分。

　　ADS1256與電容傳感器相連，Imote2分別與存儲器、電源模塊和ADS1256相連。電容傳感器和ADS1256是由電源管理單元供電的。對于電容加速度傳感器與ADS1256的連接，采用了單極輸入方式進行通信，將多個傳感器分別接于ADS1256的輸入端。ADS1256通過采用四線制(時鐘信號線SCLK、數(shù)據(jù)輸入線DIN、數(shù)據(jù)輸出線DOUT和偏片選線CS)SPI通信方式與Imote2連接進行通信。這里低噪聲、高精度的24位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和SPI接口技術(shù)以及電容傳感器的使用，使在數(shù)據(jù)采集過程中做到了精度高，測量范圍大，靈敏度高，動態(tài)響應(yīng)快，穩(wěn)定性好等優(yōu)點[6]。

　　IRIS

　　在鐵路橋梁兩端的無線傳感器節(jié)點不需要強大的計算能力，但必須保持低功耗和以及足夠的無線傳輸距離。一直以來測量多個數(shù)據(jù)并且保持低功耗和以及足夠的傳輸距離是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩大軟肋，但可借助Crossbow最新推出的另外一款IRIS節(jié)點平臺，能夠提供低功耗和遠距離無線傳輸?shù)碾p重優(yōu)勢，無需煩惱于如何取舍功率和作用距離。

　　IRIS工作在2.4GHz、支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議，具有更廣的作用范圍，傳輸距離較以往產(chǎn)品提高三倍。在處理器和射頻平臺方面，XM2110基于ATmega1281處理芯片。ATmega1281是一款低功耗的處理器。在傳感器板方面，Crossbow為IRIS提供多種傳感器板和數(shù)據(jù)獲取板，并且都能夠通過標準51針擴展接口與其連接[7]。

　　IRIS節(jié)點平臺

　　由圖4可知，一個IRIS節(jié)點平臺包括磁鋼傳感器，MDA300數(shù)據(jù)采集板，IRIS節(jié)點。傳感器通過IRIS提供的MDA300數(shù)據(jù)采集板與IRIS連接，MDA300提供8個ADC通道、8個數(shù)字通道以及I2C接口用于外接各類傳感器[8]。

　　它位于鐵路橋梁的兩端，當有列車通過時，磁鋼傳感器就會自動采集和處理數(shù)據(jù)，處理完的數(shù)據(jù)由IRIS的射頻模塊進行無線傳輸，IRIS足夠的無線傳輸距離可以將開始或停止數(shù)據(jù)采集的信號發(fā)送給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，最終控制分散在橋梁關(guān)鍵監(jiān)測區(qū)域的Imote2節(jié)點平臺的數(shù)據(jù)采集時間。