隨著各類大跨徑橋梁的不斷出現，人們對大型重要橋梁的安全性、耐久性和可靠性日漸關注，橋梁的健康監測和安全評估已越來越受到人們的重視。橋梁健康監測的諸多參數中，橋梁撓度是一項重要指標，它直接反映橋梁的安全性和可靠性。現有的橋梁撓度監測系統通常采用有線通信方式組建網絡，存在成本高、施工周期長和易受環境影響等缺點。

目前新興的ZiZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。gBee技術是一種短距離無線雙向通信技術，該技術具有協議簡單、功耗低、網絡容量大、時延短及成本低等優點，特別適合應用于傳輸數據量小、實時性強和覆蓋范圍廣的監測系統中。針對傳統橋梁撓度監測系統存在的缺點，本文提出了將ZigBee技術應用于橋梁撓度監測系統的設計方案，實現了橋梁撓度數據實時監測和無線傳輸。

1 ZigBee與其他短距離無線通信技術的比較

Zigbee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個Zigbee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展。

目前市場上常見的短距離無線通信技術主要包括：ZigBee技術、紅外技術、藍牙技術、UWB技術和Wi-Fi技術等，它們都有各自的特點，將這些短距離無線通信技術的參數進行比較，見表1所示。

ZigBee技術所采用的自組織網是怎么回事？舉一個簡單的例子就可以說明這個問題，當一隊傘兵空降后，每人持有一個ZigBee網絡模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網絡模塊的通信范圍內，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯互通的ZigBee網絡。而且，由于人員的移動，彼此間的聯絡還會發生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯絡，對原有網絡進行刷新。

ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內，但可以繼續增加。作為一種無線通信技術，ZigBee具有如下特點：

（1） 低功耗： 由于ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。

（2） 成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5-2.5美元， 并且ZigBee協議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

（3） 時延短： 通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設備信道接入的時延為15ms.因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業控制場合等）應用。

（4） 網絡容量大： 一個星型結構的Zigbee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備， 一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡， 而且網絡組成靈活。

（5） 可靠： 采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式， 每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

（6） 安全： ZigBee提供了基于循環冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證， 采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

2 橋梁撓度無線監測系統設計方案

ZigBee設備具有強大的設備聯網功能，它支持三種無線網絡拓撲結構，即星型結構、樹簇型結構和網狀結構。星型結構簡單，但網絡中所有節點都只能與協調器進行通信，從而容易造成信息擁堵，增加丟包率和協調器的功耗。樹簇型結構和網狀結構都屬于點對點結構，任何兩個設備之間都可以進行通信，從而降低了協調器的功耗，并增加了通信范圍，但網狀結構復雜且成本較高。

橋梁撓度無線監測系統由橋梁撓度傳感器節點、路由器節點、協調器節點、現場計算機和遠程監控中心計算機所組成，其系統框圖如圖1所示。

橋梁撓度傳感器節點是橋梁撓度無線監測系統的關鍵部分，也是本文介紹的重點。它首先由CCD圖像傳感器采集圖像信號，經A/D轉換后送到MCU處理，獲得撓度數據；然后通過ZigBee通信模塊將撓度數據轉化為ZigBee通信協議數據包，傳輸給最近的路由器節點。

路由器節點根據路由表驅動路由算法，選擇最優的通信路徑，通過其他ZigBee路由模塊以多跳的通信方式把數據包傳送到ZigBee協調器。

協調器收到數據包后，一方面按原路徑發送確認原語到發送數據的節點，實現握手通信，完成一次完整的ZigBee無線通信；另一方面把收到的撓度數據通過串口上傳到現場計算機，方便現場工作人員的測試與維修。現場計算機將采集的撓度數據進行匯總，并通過光纜將采集數據傳輸到遠程監控中心的計算機。

3 傳感器節點硬件設計

橋梁撓度傳感器節點的硬件主要由圖像傳感器模塊、微處理器模塊、通信模塊和電源模塊4部分組成，如圖2所示。微處理器模塊為該節點的核心模塊，負責管理節點中各模塊的協調工作，如產生TCD1209D的脈沖信號，并將TCD1209D采集的撓度圖像信號進行處理、保存和發送，啟動CC2430通信模塊收發數據等。電源模塊負責為傳感器節點各模塊提供可靠電源?；谄脑?，下面主要介紹微處理模塊和CC2430無線通信模塊的電路設計。

3.1 微處理器模塊電路設計

橋梁撓度傳感器節點的微處理器芯片選用意法半導體公司的STM32F103C8芯片。它采用32位Cortex-M3內核，最高工作頻率為72 MHz.Cortex-M3內核是至今最小的ARM內核，其采用3級指令流水線的哈佛結構；具有超低功耗，僅為0.19 mW/MHz;兼容Thumb-2指令集，可用16位的代碼密度；與ARM7TDMI內核相比，運行速度提高35%,但代碼量卻節省45%,節省了存儲空間；具有廣泛的開發工具，開發成本低，周期短。STM32F103C8采用LQFP封裝形式，引腳數為48個，內部資源包括[2]:64 KB的Flash存儲器和20 KB的RAM;2個SPI通信接口；2個I2C接口；3個USART接口；11個定時器，其中有4個可用于產生PWM;2個12位10通道的ADC,提高了數據采集的準確性。

STM32F103C8外圍電路設計如圖3所示。其外圍采用直流3.3 V供電，外接電池插座可用于突然掉電時保證RTC正常工作。它通過串口引腳來收發無線通信數據。它由高級定時器和通用定時器產生TCD1209D的5路驅動脈沖信號（SH、RS、CP、φ1、φ2），其高級定時器由引腳29輸出一路PWM信號，經電平上拉和74LS04反向后得到脈沖信號SH;其通用定時器3（TIM3）產生一組互補的PWM脈沖信號，經電平上拉后可產生驅動信號φ1和φ2;其通用定時器2（TIM2）由引腳10輸出一路PWM信號，經電平上拉和74LS04反向后得到RS脈沖信號，RS與CP時序周期相同，但CP比RS遲延100 ns,可以通過硬件門電路作延時又可產生脈沖信號CP.

3.2 無線通信模塊

ZigBee無線通信芯片選用符合ZigBee標準協議的CC2430芯片，它具有性能穩定、功耗極低和外圍器件少等優點。CC2430芯片是TI公司提供的全球首款支持ZigBee協議的真正SoC型芯片，在單個芯片內部整合了ZigBee射頻前端、內存和微控制器，使用1個8 bit MCU內核，具有最大128 KB的可編程閃存和8 KB的RAM存儲空間，包含模擬數字轉換器、4個定時器、AES-128協處理器、看門狗定時器、32.768 kHz晶振的休眠模式定時器等。

CC2430只需很少的外圍元器件就能實現信號收發功能，其外圍配置電路原理圖如圖4所示。CC2430外圍電路包括：電源濾波電路、晶振電路、通信接口電路、復位電路、天線電路和調試接口電路。CC2430芯片內部自帶電壓調節器，從引腳41（AVDD_DREG）輸入3.3 V直流電壓，就可從引腳24輸出穩定的1.8 V直流電壓，因此CC2430外部只需3.3 V直流電壓供電。電源濾波電路設計中為了保證外部電源供電的穩定性，根據不同的供電電源選用不同的濾波電容，本設計中電路板采用5 V直流電壓供電，經過AMS1117后輸出3.3 V直流電壓，因此選用0.1 μF和1 μF的濾波電容。晶振電路由外部32.768 kHz、32 MHz晶體振蕩器和負載電容組成，通過設置CLKCON寄存器的OSC位來設定CC2430的系統時鐘源，32.768 kHz為系統休眠時鐘。天線采用單級非平衡天線來連接非平衡變壓器，以使天線性能更加出色。電路中的非平衡變壓器由電容和電感組成，內部T/R交換電路用于完成LNA和PA之間的交換。CC2430與MCU之間采用異步串行通信方式，將CC2430中U0CSR寄存器的第7位配置為UART通信模式，再配置特殊功能寄存器（SFR），將引腳13和14分別設置為USART的RX和TX,與STM32F103C8的串口收發引腳相連接，從而實現與MCU交換數據、接收命令等功能。調試接口電路的引腳為45（P2_2）和46（P2_1）。

4 傳感器節點軟件設計

橋梁撓度傳感器終端節點軟件部分設計以IAR Embedded Workbench為開發平臺。IAR是一套完整的集成開發工具集合，包括代碼編輯器、工程建立、C/C++編譯器、連接器和C-SPY調試器等各類開發工具。IAR支持Cortex-M3內核的微處理器和ZigBee協議棧的軟件編寫和調試，以及Jlink仿真器和C51RF仿真器的使用。節點的ZigBee協議棧采用TI公司提供的免費協議棧，在網絡設置時，使用Chipcon公司提供的開發套件。

傳感器終端節點軟件采用C語言編寫，使用模塊化程序設計，主要由傳感器節點各模塊初始化、采集撓度數據和無線通信模塊收發數據三部分組成，其軟件設計流程圖如圖5所示。STM32F103C8芯片初始化包括：定義緩沖區間、配置時鐘、配置GPIO管腳、中斷配置、串口配置、DMA配置和定時器配置等。CC2430芯片初始化包括：啟動電壓調節器、配置時鐘、配置8051的4個寄存器和配置A/D等。

5 應用

通過在山西忻州高速公路公司小溝特大橋的應用，驗證了該系統應用時無線通信的可靠性和穩定性。

首先選擇網絡拓撲結構。由于小溝橋每跨跨度為100 m,而ZigBee通信模塊的可靠通信距離≥100 m（與天線和發射功率有關），邊跨的撓度數據需要通過路由器逐跳傳給協調器，因此采用樹簇型網絡拓撲結構。

然后布設無線傳感器網絡節點，如圖6所示。將7個撓度傳感器節點放置于每跨的橋梁撓度監測處，負責采集各跨的撓度信息；6個路由器節點放置于相距每跨撓度傳感器節點5~10 m處，相鄰路由器的距離為75~90 m;1個協調器節點固定于小溝橋的中跨，負責建立網絡、分配網絡地址，并將各跨傳感器節點所采集的數據由串口上傳到現場計算機。

最后現場計算機通過串口接收各跨的撓度數據，并運行LabVIEW[3]語言編寫的軟件來顯示和保存橋梁各跨的撓度數據。現場采集右幅橋的撓度曲線如圖7所示，不同曲線代表車輛通過時各跨的撓度。每條曲線都是連續的，沒有明顯的間斷和跳變，說明該無線通信系統的數據傳輸可靠、穩定性強。

ZigBee技術彌補了低成本、低功耗和低速率短距離無線通信市場的空缺，是無線傳感器網絡中不可缺少的組成部分。本文主要創新點是將ZigBee技術應用于橋梁撓度監測系統中，并利用Cortex-M3內核高性能低功耗的特點實現了系統數據實時采集和無線傳輸，具有穩定性強、移動性好和費用低等優點。本文將ZigBee無線網絡技術應用到橋梁撓度監測系統中，有效地解決了原有系統中所存在的布線工作量大、施工周期長等缺點。