橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)是保證橋梁建設(shè)工程品質(zhì)與水平的一項(xiàng)重要檢測(cè)工作，在過(guò)去，橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要依賴人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率不高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)很好的克服了這些不足。

　　《橋梁建設(shè)》現(xiàn)由中國(guó)鐵路工程總公司主管，中鐵大橋局集團(tuán)有限公司主辦，中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司出版。《橋梁建設(shè)》主要報(bào)道和交流我國(guó)橋梁工作者在科技、設(shè)計(jì)、施工等方面的實(shí)踐成果和理論探討，重點(diǎn)突出橋梁工程領(lǐng)域的新技術(shù)、新工藝、新設(shè)計(jì)、新設(shè)備、新材料及最新科研成果，為讀者提供相關(guān)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)信息。本期刊具有準(zhǔn)確的市場(chǎng)定位和突出的辦刊特色，已成為國(guó)內(nèi)橋梁界具有權(quán)威性的刊物，在全國(guó)橋梁工程領(lǐng)域具有較高的知名度。

　　針對(duì)當(dāng)前橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)需要人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高、不能實(shí)時(shí)檢測(cè)的缺點(diǎn)，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能的自動(dòng)監(jiān)測(cè)橋梁振動(dòng)的方法。采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)橋梁的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件以及上位機(jī)監(jiān)控軟件。該系統(tǒng)具有低功耗，自組網(wǎng)、可靠性高、使用方便的特點(diǎn)。

　　引言

　　近年來(lái)，眾多橋梁的橫向振動(dòng)超限問(wèn)題越來(lái)越突出，對(duì)交通安全造成了很大威脅，為確保行車路人的生命財(cái)產(chǎn)安全，公路部門急需對(duì)各大橋梁的振動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)，以便了解橋梁的狀態(tài)。因而有一套可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁狀態(tài)，滿足及時(shí)、快捷、可靠的了解橋梁振動(dòng)情況的設(shè)備顯得迫切而重要。

　　1系統(tǒng)構(gòu)成

　　ZigBee是一種新興的短距離、低速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。加速度傳感器是一種慣性敏感元件也是橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)的常規(guī)器件，性能穩(wěn)定，受外界環(huán)境影響小，而且功耗非常低，非常適合低功耗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。文章結(jié)合橋梁振動(dòng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee技術(shù)和加速度傳感器的橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁振動(dòng)的實(shí)時(shí)、低功耗、高精度監(jiān)測(cè)。

　　1.1ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主要有四大部分組成，即數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和電源模塊。數(shù)據(jù)采集單元：主要功能是采集橋梁振動(dòng)的三維信息，在此單元中傳感器與處理器之間采用傳感器接口實(shí)現(xiàn)連接，避免了當(dāng)傳感器使用壽命終止而此節(jié)點(diǎn)報(bào)廢的狀況。

　　數(shù)據(jù)處理單元：主要功能是對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理，并將此數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)傳輸單元。此單元由處理器、內(nèi)存、應(yīng)用程序及電源指示燈構(gòu)成。處理器采用的是TI公司的MSP430F2618型芯片。MSP430單片機(jī)具有功耗低、適合與無(wú)線器件接口配合等特點(diǎn)，該微型控制器擁有豐富的片上資源，包括2個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)看門狗定時(shí)器、8192BRAM、116KBFlash并對(duì)ZigBee設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì);擁有UART、SPI、I2C、JTAG接口，內(nèi)置12bitADC，方便無(wú)線器件和傳感器的接入;有6種電源節(jié)能模式，方便低功耗設(shè)計(jì)MSP430F2618單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步判斷后，將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)傳輸單元，如果此數(shù)據(jù)超標(biāo)，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件界面可以迅速判斷事故發(fā)生地點(diǎn)與橋梁的危險(xiǎn)系數(shù)。同時(shí)，本單元可以數(shù)據(jù)傳輸單元接收到經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的上位機(jī)控制命令，進(jìn)行命令處理判斷，使此節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，向上級(jí)發(fā)送采集的信息。

　　數(shù)據(jù)傳輸單元：主要功能是傳輸數(shù)據(jù)或接收命令。考慮到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信方面的功耗問(wèn)題，本單元采用TI公司的ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊CC2520芯片。數(shù)據(jù)傳輸單元接收到數(shù)據(jù)處理單元的數(shù)字信息后，會(huì)立即將此數(shù)字信息經(jīng)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。如果此節(jié)點(diǎn)收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送的命令時(shí)，會(huì)將此命令轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)處理單元，并等待處理單元的相應(yīng)命令。

　　1.2震動(dòng)傳感器模塊設(shè)計(jì)

　　傳感器是傳感器節(jié)點(diǎn)的主要工作器件，它們長(zhǎng)時(shí)間暴露在外部環(huán)境中，以便搜集橋梁的實(shí)時(shí)狀況，因此，傳感器的選擇是橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)[2]。

　　MMA7360傳感器是飛思卡爾公司出品的一款低功耗、低成本、小尺寸電容性三軸向低重力微機(jī)械加速度傳感器，采用了信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器、溫度補(bǔ)償和自檢技術(shù)，以及檢測(cè)線性自由墜落的0g檢測(cè)技術(shù)，并且提供2個(gè)可選量程，用戶可在2個(gè)靈敏度和量程中進(jìn)行選擇。該器件已做0g補(bǔ)償和靈敏度設(shè)置。MMA7360L還提供休眠模式，因而是電池充電的電子設(shè)備產(chǎn)品的理想之選。

　　在電路圖設(shè)計(jì)過(guò)程中，文章首先考慮的是對(duì)三軸加速度傳感器的監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)，將上述傳感器分布與相應(yīng)的傳感器接口相連接，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其電路圖如圖1所示。

　　1.3處理器外圍電路設(shè)計(jì)

　　MSP430F2618主要與傳輸單元中的CC2520芯片連接，MSP430F2618通過(guò)SPI通信協(xié)議控制CC2520芯片的工作。如圖2為MSP430F2168最小系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。CC2520是一款符合ZigBee技術(shù)的高集成度工業(yè)用射頻收發(fā)器，其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規(guī)范，工作于2.4GHz頻段。該器件只需極少外部元件，即可確保短距離通信的有效性和可靠性。C2520可以通過(guò)4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中CSn必須始終保持低電平。另外，通過(guò)CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì)，通過(guò)SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘/定時(shí)信息的輸入。

　　2傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)上的軟件負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集以及通過(guò)無(wú)線通信模塊將采集數(shù)據(jù)包無(wú)線傳送。傳感器節(jié)點(diǎn)遵循睡眠-被喚醒-正常工作的工作模式。在睡眠狀態(tài)下，處理器停止工作，而SRAM、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，無(wú)線模塊處于低電流的接收狀態(tài)。在無(wú)線模塊接收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)或是傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的命令后，傳感器節(jié)點(diǎn)被喚醒，處理器對(duì)命令進(jìn)行判斷，如果命令是采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，則該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入工作狀態(tài)，否則此節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)。具體傳感器節(jié)點(diǎn)的操作流程如圖3所示。

　　3結(jié)束語(yǔ)

　　作者設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的震動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以應(yīng)用于橋梁的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，有效地解決了在橋梁振動(dòng)監(jiān)測(cè)中費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、難度大、實(shí)時(shí)性低的問(wèn)題。該方案還可應(yīng)用于其它布線量大、移動(dòng)性強(qiáng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，市場(chǎng)前景非常廣闊。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]吳志新.基于ZigBee無(wú)線技術(shù)振動(dòng)信號(hào)采集的研究[D].中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2013.

　　[2]李聰.基于Zigbee的嵌入式橋梁健康監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究[D].重慶交通大學(xué)，2013.