第３６卷第９期 ２０１３年９月 合肥工业大学学报（自然科学版） Ｊ０ＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＨＥＦＥＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．９ Ｓｅｐｔ．２０１３ Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—５０６０．２０１３．０９．０１１ 基于ＺｉｇＢｅｅ的中小桥梁监测系统设计 魏丽，赵晨光 ０６３０００） （唐山学院唐山市机电一体化重点实验室，河北唐山摘要：我国中小桥梁结构监测与大型桥梁相比存在资金不足、技术落后、数量众多、管理不完善等问题。针 对这种情况，文章采用低功耗ＺｉｇＢｅｅ芯片和ＳｉｍｐｌｉｃｉＴｌ网络协议结合各种传感器，设计了一套适用于中小桥 梁结构健康监测的实验系统。该系统可完成桥梁结构中应变、位移、振动等主要参数的快速采集、无线传输和 上位机显示等功能，具有低功耗、低成本、低复杂度和简单实用等特点，非常适合我国目前中小桥梁结构健康 监测。 关键词：中小桥梁；结构监测；低功耗；ＺｉｇＢｅｅ芯片 中图分类号：Ｕ４４５．７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３—５０６０（２０１３）０９—１０６８—０４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｍｅｄｉｕｍ ｂｒｉｄｇｅｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ＷＥＩ Ｌｉ。 ＺＨＡＯ Ｃｈｅｎ－ｇｕａｎｇ （Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，Ｔａｎｇｓｈａｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｎｇｓｈａｎ ０６３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｍｅｄｉｕｍ ｂｒｉｄｇｅｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈｅａｌｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｂｒｉｄｇｅｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｓｈｏｒｔａｇｅ ｏｆ ｆｕｎｄｓ，ｌａｇｇｉｎｇ ｂｅｈｉｎｄ ｉｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｈｕｇｅ ｎｕｍｂｅｒ，ｐｏｏｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｅｔｃ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｈｅａｌｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｏ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｍｅ— ｄｉｕｍ ｂｒｉｄｇｅｓ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＺｉｇＢｅｅ ｃｈｉｐｓ ａｎｄ ＳｉｍｐｌｉｃｉＴＩ ｎｅｔｗｏｒｋ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ａｎｄ ｖａ— ｒｉｏｕｓ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒｓ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｑｕｉｃｋ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｈｏｓｔ ｃｏｍ— ｐｕｔｅｒ ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ，ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｉｔ ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ｓｉｍｐｌｉｃｉｔｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ ａｎｄ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｍｅｄｉｕｍ ｂｒｉｄｇ— ｅｓ ｈｅａｌｔｈ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ Ｃｈｉｎａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｍａｌ１ ａｎｄ ｍｅｄｉｕｍ ｂｒｉｄｇｅｓ；ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ；ｌＯＷ ｐｏｗｅｒ；ＺｉｇＢｅｅ ｃｈｉｐ ０ 引 言 湖大桥、润扬大桥、苏通大桥等近５０座特大或大 型桥梁ｌ＿１ ］。这些大桥或特大桥的结构健康监测 随着我国经济的发展，交通量不断增大，交通 负荷逐年增长，因此桥梁的监测和养护成为桥梁 工程中的重要环节。监测内容应以结构监测为核 心，结合交通状况监测和环境监测构成全面、立 系统中，监测设备数量大，信息全，系统复杂且成 本很高，不适合用于跨径小、结构较简单的中小桥 梁的健康监测。 我国中小型桥梁数量众多，在健康监测系统 工作中存在的主要问题有安全意识薄弱、资金投 入不足、技术应用落后、专业技术人员素质不高 体、高质量的监测系统。国外自２０世纪８０年代 开始建立桥梁健康监测系统并应用于一些已建或 在建的大桥监测中；我国自２０世纪９０年代起也 在一些大型重要桥梁上建立了不同规模的结构监 测系统，如青马大桥、卢浦大桥、东海大桥、洞庭 收稿日期：２０１３一Ｏ１—０６；修回日期：２０１３—０４一１０ 基金项目：唐山市科技计划资助项目（１２１１０２１０ａ） 作者简介：魏Ｎ（１９８１－－），女，河北衡水人，唐山学院讲师 等［ ，因此采用低成本、低复杂度、高效率的健康 监测系统对于中小桥梁的建设和养护具有重要 意义。 第９期 魏丽，等：基于ＺｉｇＢｅｅ的中小桥梁监测系统设计 １０６９ １实验总体设计 合比较这几种技术的传输频带、最大链接设备数、 使用权限和安全措施等技术参数，ＺｉｇＢｅｅ因具有 应变、位移、振动是桥梁结构中最重要的３个 独特优点，如功耗极低、成本低、网络容量大、可扩 参数，反映了桥梁结构的物理特性。 充性强，成为无线监测系统最佳的通信技术 桥梁的监测环境一般比较恶劣，数据的传输 选择［。一 。 不适合以电缆或电线为基础的传输介质进行铺线 上位机监控系统以ＬａｂＶＩＥＷ编程完成数据 传输，因此可采用分布式无线传输技术完成数据 接收、实时显示、存储等分析功能，界面友好，用户 的通讯。目前短距离无线通信技术主要包括Ｚｉｇ— 操作简单。 Ｂｅｅ技术、红外技术、蓝牙技术、ｗｉ—Ｆｉ技术等，综 实验总体设计框图如图１所示。 一一一一一一墼担墨篷一一一一一 监测系统 Ｊ应 理 Ｉ 电路 Ｊ ｌ 筮鲎槿 ｊＩ 鹰藤 蛆网ｊ接 槿 广— ！兰 ：ｉ ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．ｊ ｉ应变调理ＩＬ电路ｒ＿— 厂— 西 ］ 筮蓬 Ｉ 图１无线监控系统框图 ２系统硬件组成 构建最小系统，包括电源、复位、ＪＴＡＧ等，即可完 成测量任务。 本着低成本的设计思想，采用应变片及调理 电路采集桥面和墩台的应变信号，由桥梁结构专 业人员在适当的基准点和工作点铺设应变片，经 电桥电路转变为电压信号，再经过放大滤波后输 入到ＺｉｇＢｅｅ芯片ＣＣ２４３０。 ＣＣ２４３０是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司推出的用来实现嵌 入式ＺｉｇＢｅｅ应用的片上系统（ＳｏＣ）。它支持 图２数据采集终端 ２．４ ＧＨｚ ＩＥＥＥ ８０２．１５．４／ＺｉｇＢｅｅ协议，是真正的 系统芯片ｃＭＯｓ解决方案。 根据测量现场要求，采集终端和监测中心无 ＣＣ２４３０具有１个８～１４位ＡＤ转换器，通过 线通信距离不低于４００ ｍ，所以在传输过程中采 软件设置通用Ｉ／Ｏ作为ＡＤ转换器输人口连接应 用一个范围扩展节点作为传输中继，该节点通过 变调理电路的输出信号。 软件配置实现中继功能，在传输过程中中继节点 电源模块由可充电锂电池组、电压调节电路、 不对网络进行网络配置和路由管理，只作为一个 充电管理和保护电路等组成。模块中采用 数据收发的中继站。 ＬＭ１１１７—３．３ Ｖ电压差电压调节芯片为ＣＣ２４３０ 中继节点转发的数据被监测系统的接收模块 提供电压。该芯片在负载电流为８００ ｍＡ时压差 接收，该模块作为数据中心（ａｃｃｅｓｓ ｐｏｉｎｔ），主要 为１．２ Ｖ输出，通过调节外接电阻可实现５个固 负责网络管理。数据中心为终端节点（ｅｎｄ ｄｅ— 定电压输出，本系统采用３．３ Ｖ输出版本为 ｖｉｃｅｓ）提供数据存储、转发等，并管理网络内设备 ＣＣ２４３０提供工作电压。经试验，在正常工作状 成员权限、连接权限以及安全等；还可以支持终端 态，一次充电后可持续测量数十天，满足便携和低 设备的功能扩展。接收模块通过ＵＳＢ转串口方 功耗要求，如图２所示。 式与上位机连接。 整个系统包括４个采集终端，分别采集各工 ３系统软件构架 作点的应变情况。每个终端的ＣＣ２４３０模块只需 本实验系统为适应中小桥梁健康监测低成本 １０７０ 合￣ｅ．＿ｒ－－业大学学报（自然科学版） 第３６卷 的需求，初步设计仅监测桥梁结构的主要参数应 变情况，测量节点也相对较少。网络结构采用基 已收到的标识，通过串口传给上位机，接收流程图 如图４ｂ所示。 于ＳｉｍｐｌｉｃｉＴＩ协议的形式。该网络协议是ＴＩ公 司推出的针对简单小型ＲＦ网络的专有低功耗 ＲＦ协议【７． ，能够简化实施工作，尽可能降低微控 上位机通过ＬａｂＶＩＥＷ软件编写监控程序， 用ＶＩＳＡ串口函数读取数据并显示，程序中采集 个通道的数据并进行波形显示，可以进一步编 制器（ＭＣＵ）的资源占用。对适合网状路由与标 准化配置的大型网络的ＺｉｇＢｅｅ而言是一种很好 的补充。另外，ＳｉｍｐｌｉｃｉＴＩ网络协议以免版税、免 程完成数据的分析。 许可费的源代码形式提供，非常适合中小桥梁监 测系统低功耗、低成本的要求。ＳｉｍｐｌｉｃｉＴＩ网络 协议主要包括应用层（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｉ．ａｙｅｒ，简称 ＡＰＰ）、网络层（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌａｙｅｒ，简称ＮＷＫ）、硬 件逻辑层（Ｌｉｔｅ Ｈａｒｄｗａｒｅ Ａｂｓｔｒａｃｔｉｏｎ Ｌａｙｅｒ，简 称ＬＨＡＩ ）。ＳｉｍｐｌｉｃｉＴＩ网络的加密在网络层处 理，如图３所示。ＳｉｍｐｌｉｃｉＴＩ没有物理层（ＰＨＹ） 准备网络配置 ｌ建立网络１ 等待数据采集 节点加入网络 ／接入 收到 Ｙ 和数据链路层（ＭＡＣ／Ｉ Ｉ Ｃ），数据直接从射频层 接收过来，射频层的责任就是直接接收数据。协 议内提供一个射频层（Ｒａｄｉｏ）与网络层（ＮＷＫ）连 接的应用板支持层程序包（Ｂｏａｒｄ Ｓｕｐｐｏｒｔ Ｐａｃｋ— （ａ）发送 生中断，接收数据 ：返回接收标识 通过串口发 到上位机 Ｉ （ｂ）接收 ａｇｅ，简称ＢＳＰ），ＢＳＰ提供射频层与网络层通信的 ＳＰＩ接口。ＢＳＰ并不是传统意义上的硬件网络逻 辑层，它仅仅是射频层与网络层之间通信的服务 支持。 图４发送与接收流程图 ４仿真实验 本测试系统在实验室进行了仿真实验，通过 应用层（ＡＰＰ） 动态加载实时测量简支梁应变，手动线性加载，对 安全服务提供层｝‘－＿一网络层 （ｓｓＰ） ｌ（ｌＮＷＫ） ４个工作点的应变值进行测量，测量信号通过信 号调理箱进行组桥、提供激励、放大和滤波后被采 集模块接收，上位机软件编写的监控程序显示如 ： 硬件逻辑层（ＬＨＡＬ） 图３ ＳｉｍｐｌｉｃｉＴｌ网络协议结构 图５所示。每个采集模块ｌ Ｓ接收ｌＯ个数据包， 每个数据包５个数据，由于实验是手动加载，数据 变化缓慢，不同测试点应变值不同，加载后增量也 本系统采用的网络结构是在星状网络的基础 不同。测量数据过程中没有数据的丢失。 上，使用范围扩展设备扩展为串状网络拓扑。在 此网络中，Ｒａｎｇｅ Ｅｘｔｅｎｄｅｒｓ范围扩展设备不对 网络进行路由管理，它只作为一个数据收发中继 站，范围扩展设备接收到数据后对数据包进行分 析，如果发现目的地址不是自己，则立即转发。 本系统根据测量的需要铺设 个传感器节点 采集数据，按用户要求采集频率不低于５０ Ｈｚ，所 以设置每２０ ｍｓ采集１次数据，采集的数据存入 模块缓存器，每采集５个数据发送１次，发送流程 图如图４ａ所示。 图５仿真实验 数据接收端模块作为协调器组建网络，侦听 各采集节点加入网络并传送数据，每接收１个数 据包产生１次中断，调用Ｃａｌｌｂａｃｋ函数返回１个 本系统还需进一步进行实地动态测量以进行 改进。另外，测试系统不仅可以完成应变的测量， （下转第１１５２页） １１５２ 合肥工业大学学报（自然科学版） 第３６卷 （２ ２一 ＋２ 广 ＋２ 一１）≥ 中国科学技术大学学报，２００８，３８（９）：１０３６—１０４１． （２ 。＋２’ ）一３×２ ＋１＞０。 Ｅ６］Ｌｉｕ Ｒｕｙｉｎ，Ｚｈａｏ Ｈａｉｘｉｎｇ，Ｙｅ Ｃｈｅｎｇ｛ｕ．Ａ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｓｏｌｕ— 这与Ｍ＝ｍｃ＋ｌ（Ｇ１）一ｍｃ＋ｌ（Ｇ２）一０相矛盾， ｔｉｏｎ ｔｏ ａ ｃｏｎｊｅｃｔｕｒｅ ｏｎ ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｕｎｉｑｕｅｎｅｓｓ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｉｒｐａｒｉｔｔｅ ｇｒａｐｈｓ ＥＪ］．Ｄｉｓ Ｍａｔｈ，２００４（２８９）：１７５—１７９． 所以ＩＡｌ—Ｏ，由引理４，Ｋ（，ｚ一志，，２—２， ，…， ）是 ［７］Ｃｈｉａ Ｇ Ｌ，Ｇｏｈ Ｂ Ｈ，Ｋｏｈ Ｔ＾，Ｌ Ｔｈｅ ｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ ｏｆ ｓｏｍｅ 色唯一图。 ｆａｍｉｌｉｅｓ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｒｉｐａｒｔｉｔｅ ｇｒａｐｈｓ ＥＪ］．Ｓｃｉｅｎｔｉａ，Ｓｅｒｉｅｓ Ａ：Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，１９８８（２）：２７—３７． ［参考文献］ ［８］Ｌａｕ Ｇ Ｃ，Ｐｅｎｇ Ｙ Ｈ．Ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｕｎｉｑｕｅｎｅｓｓ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ ｃｏｒｎ— ｌｐａｔｅ ｔｉｒｐａｒｔｉｔｅ Ｇｒａｐｈｓ［Ｊ］，．Ａｃｔａ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，Ｅｎｇ— ｈｓｈ Ｓｅｒｉｅｓ，２０１１，２７（５）：９１９－－９２６． ’Ｅ１］Ｋｏｈ Ｋ Ｍ，Ｔｅｏ Ｋ Ｌ Ｔｈｅ ｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ ｃｈｒｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｕｎｉｑｕｅ ｇｒａｐｈｓ［Ｊ］．Ｇｒａｐｈｓ ａｎｄ Ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉｃｓ，１９９０（６）： ［９］徐利民．完全三部图Ｋ（”一 ， ， ）的色唯一性［Ｊ］．大学数 学，２００６，２２（３）：７８—８２． ２５９—２８５． ［２３徐利民，杨志林．关于完全３部图的色唯一性ＥＪ］．合肥工业 ［１Ｏ］Ｌａｕ Ｇ Ｃ，Ｐｅｎｇ Ｙ Ｈ．Ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｕｎｉｑｕｅｎｅｓｓ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ 大学学报：自然科学版，２０１３，３６（３）：３７８－－３８０． ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔ－－ｐａｒｔｉｔｅ ｇｒａｐｈｓ［Ｊ］．Ａｒｓ Ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａ，２００９， ９Ｚ：３５３—３７６． ［３］Ｚｈａｏ Ｈａｉｘｉｎｇ，Ｌｉ Ｘｕｅｌｉａｎｇ，Ｌｉｕ Ｒｕｙｉｎｇ，ｅｔ ａ１．．Ｔｈｅ ｃｈｒｏ－一 ｍａｔｉｃｉｔｙ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｍｕｌｔｉｐａｒｔｉｔｅ ｇｒａｐｈｓ［Ｊ］． ［１１］Ｃｈｅｎ Ｘｉａｎｇ’ａｎ，Ｓｕ Ｋｅｙｉ，Ｙａｏ Ｂｉｎｇ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｏｔｅ ｏｎ ｃｈｒｏ— Ｇｒａｐｈｓ ａｎｄ Ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉｃｓ，２００４，２０：４２３－－４３４． ｍａｔｉｃ ｕｎｉｑｕｅｎｅｓｓ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｒｉｐａｒｔｉｔｅ ｇｒａｐｈｓ［Ｊ］，． Ａｒｓ Ｃｏｍｂｉｎａｔｏｒｉａ，２０１２，１０５：２０５—２１１． ［４］徐利民．完全ｔ部图的色唯一性口］．运筹与管理，２００７，１６ （４）：６１－－６３． ［５］徐利民．关于完全ｔ部图Ｋ（ 一女， ，…， ）的色唯一性口］． （责任编辑吕杰） （上接第１０７０页） ［３］ 张 萱，范伟峰，邵鹏飞．一种新型多点分布式远程桥梁监 还可以进一步扩展数据采集节点的类型和数量， 测系统研究［Ｊ］．电子技术应用，２０１０（３）：８９～９２． 完成中小桥梁墩台位移、主梁挠度、桥面振动等重 ［４］陈保平，苏龙，陈卓。等．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的桥梁挠度 无线监测系统的设计与应用［Ｊ］．电子技术应用，２０１０（６）： 要参数的测量。利用自带微控制器的ＺｉｇＢｅｅ芯 ９９—１Ｏ１． 片ＣＣ２４３０结合各种传感器可以完成中小桥梁结 ［５］王飞，王黎明，韩焱．基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络技术 构健康监测，尽管相对于特大型桥梁“高、大、全” 的管道监测系统［Ｊ］．传感器与微系统，２０１１，３０（１２）： 的监测系统，本实验系统略显简陋，但其具有低功 ８５—８８． 耗、低成本、简单实用等特点，非常适合目前我国 ［６］王琪．基于桥梁应变测量的现场无线数据采集子系统的 硬件构架设计＿Ｊ］．仪表技术与传感器，２００９（１）：９１—９３． 中小桥梁监测现状。 ［７］成都无线龙通讯科技有限公司．非ＺｉｇＢｅｅ低功耗无线自组 织网络ＳｉｍｐｌｉｃｉＴＩ实验使用说明［ＥＢ／ＯＬ］，．［２ｏ１２—０６—１８］． ［参考文献］ ｈｔｔｐｔｆ｜ ．ｐｕｄｎ．ｃｏｒｎ／ｄｏｗｎｌｏａｄｓ３０９／ｓｏｕｒｃｅｃｏｄｅ／ｅｍｂｅｄ－一 ｄｅｄ／ｄｅｔａｉｌ１３７２４９３．ｈｔｍ１． ［１３高占凤，杜彦良，苏木标．桥梁振动状态远程监测系统研究 Ｅ８］Ｆｒｉｅｄｍａｎ Ｌ＿Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｎｏｔｅ：Ｓｉｍｐｌｉｃｉ—ＴＩ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｇｉｌｉｔｙ ［Ｊ］．北京交通大学学报，２００７，３１（４）：４５—４８． ｄｅｓｃｉｒｐｔｉｏｎ［Ｚ］．成都：无线龙通讯科技有限公司，２００８． ［２］王婷．基于ＺｉｇＢｅｅ的无线传感器网络在桥梁健康监测系 统中的应用研究［Ｄ］．重庆：重庆大学，２００９． （责任编辑张淑艳）
