基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國內(nèi)外科技領(lǐng)域的研究熱點，節(jié)點具有功耗低、體積小、智能化程度高等特點。將無線傳感技術(shù)應(yīng)用于橋梁健康監(jiān)測，有利于整個監(jiān)測系統(tǒng)的小型化、低成本和智能化發(fā)展。目前，無線傳感器針對橋梁健康監(jiān)測方面的應(yīng)用主要有：UC Berkelev的SukunKim等人設(shè)計了基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并實現(xiàn)了對金門大橋結(jié)構(gòu)健康的監(jiān)測。Stanford的Jerome P．Lynch等人設(shè)計了一種無線組塊監(jiān)測系統(tǒng)（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(yīng)用中都組建了具有多跳路由的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用加速度傳感器檢測橋梁振動數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理最終得到橋梁振動的固有頻率來判斷橋梁的健康情況。

　　文中應(yīng)用3G無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究并開發(fā)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的集群式橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)多座橋粱的集中統(tǒng)一健康監(jiān)測，為區(qū)域內(nèi)多座橋梁的統(tǒng)一維護和管理決策提供依據(jù)和指導(dǎo)。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)由無線傳感層、TD網(wǎng)關(guān)層和中央控制層3層組成。其中，無線傳感層為基于IEEE802．15．4協(xié)議的ZIGBEE無線傳感網(wǎng)絡(luò)，用以在被測區(qū)域內(nèi)采集傳感數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步濾波處理。無線傳感層采集的數(shù)據(jù)匯聚到TD網(wǎng)關(guān)層，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的本地短時存儲和3G無線傳輸。該層的3G無線處理單元為基于ARM9的32位嵌入式系統(tǒng)，通過SPI總線和RS232總線分別連接ZIGBEE模塊和基于TD-SCDMA的3G無線模塊，從而實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)與3G無線網(wǎng)絡(luò)的無縫對接。同時，在每個3G無線處理單元中，設(shè)計了2G的TIF卡存儲空間，可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的本地短期保存。中央控制層（橋梁集群健康實時監(jiān)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，可實現(xiàn)對散布在較大區(qū)域內(nèi)的多個橋梁健康狀態(tài)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的接收，長時間存儲、橋梁監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、橋梁狀態(tài)評估及壽命預(yù)測等一系列復(fù)雜功能。

　　2 無線傳感系統(tǒng)硬件構(gòu)成

　　無線傳感系統(tǒng)硬件設(shè)計主要涉及無線傳感層的ZIGBEE采集單元和TD網(wǎng)關(guān)層的3G無線處理單元。該兩種單元均采用AT91SAM9G20作為核心處理單元，內(nèi)嵌LINUX操作系統(tǒng)，ZIGBEE模塊采用TI公司的CC2530模塊，3G模塊采用華為公司的EM560。考慮到準(zhǔn)確計時和批量保存數(shù)據(jù)的需要，擴展了I2C總線的外部時鐘芯片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無線模塊相關(guān)電路設(shè)計

　　3G模塊選用華為em560、em200、em770w模塊系列、帶TPC／IP協(xié)議的無線模塊。該無線模塊系列的3種產(chǎn)品，分別支持TD-SCDMA、CDMA20 00、WCDMA3G無線通信技術(shù)，通過簡單的模塊替換，即可兼容不同格式的3G網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)支持AT命令及增強AT命令，提供豐富的語音和數(shù)據(jù)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(yīng)用的片上系統(tǒng)（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(jié)點。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM等強大的功能。

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