基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)變采集裝置

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(1.長江科學(xué)院 a.工程安全與災(zāi)害防治研究所；b.水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心；c.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010； 2.長江水利委員會 水文局，武漢 430010)

1 水工結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)變采集方式

隨著大型水利水電工程的陸續(xù)建設(shè)，對水工建筑物及相關(guān)土木工程結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測也變得越來越重要。特別是近些年來，一些重大事故的警示以及材料技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、智能控制技術(shù)的發(fā)展，都促進了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測分為整體監(jiān)測和局部監(jiān)測。而無論局部監(jiān)測還是整體監(jiān)測，都是以傳感器準(zhǔn)確采集傳輸數(shù)據(jù)為前提和基礎(chǔ)，各種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集主要采用的是傳統(tǒng)“有線”傳感器來實現(xiàn)，盡管這種采集方式具有采集信號準(zhǔn)確、抗干擾性好、產(chǎn)品系列化等特點，但是利用“有線”傳感器組成的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布線量大、安裝和維護費用高、可靠性差，甚至在一些結(jié)構(gòu)中無法實現(xiàn)布線。隨著傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)和MEMS技術(shù)的發(fā)展，無線傳感技術(shù)得到了發(fā)展并能夠克服有線傳感網(wǎng)絡(luò)的布線量大、費用高等不足，在實際應(yīng)用中具有重要的意義[1-2]。

應(yīng)變是反映結(jié)構(gòu)局部狀態(tài)的重要參數(shù)，在結(jié)構(gòu)局部監(jiān)測中非常重要?，F(xiàn)存的應(yīng)變采集裝置要么體積較大，不能布置在傳感元件附近，要么沒有配置無線收發(fā)接口，需要通過有線連接與控制中心通信。因此一款體積小、功耗低的無線采集裝置對于應(yīng)變參數(shù)的采集是十分必要的。本文介紹一款基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的電阻片式應(yīng)變采集裝置。

2 應(yīng)變測量原理

電阻應(yīng)變片在外力作用下產(chǎn)生機械變形，從而引起電阻變化，這就是電阻應(yīng)變效應(yīng)，應(yīng)變測量就是利用這種機制實現(xiàn)的。電阻應(yīng)變片是結(jié)構(gòu)局部應(yīng)變測量最常用、效果較好的傳感元件，粘貼在結(jié)構(gòu)表面或者埋入結(jié)構(gòu)中，性能較穩(wěn)定，可以組成各種形狀和面積的陣列，防電磁干擾，耐久性較好;并且電阻應(yīng)變片面積很小，不影響埋置材料的性能，具有制作容易、價格低廉、耐高溫、抗沖擊和彎曲強度高等優(yōu)點，適合在水工結(jié)構(gòu)監(jiān)測中應(yīng)用。

將電阻應(yīng)變片接入電橋電路中，就可以將應(yīng)力的變化變換為電壓的變化。在實際安裝時，應(yīng)在被測試件上粘貼2個相同規(guī)格的工作應(yīng)變片，一個受拉，一個受壓，以保證它們的應(yīng)變大小相等、方向相反，將其接入電橋相鄰橋臂，便構(gòu)成了差動半橋輸入電路。差動半橋電路的輸出電壓U0=E×ΔR/2R，其中E為半橋電路的供電電壓，為外力引起應(yīng)變電阻片的電阻變化量，R為電橋平衡臂阻值，一般為120 Ω。

3 應(yīng)變采集裝置硬件設(shè)計

本文擬采用德州儀器(TI)的新型片上系統(tǒng)CC2530作為主控制器。CC2530是一款真正針對IEEE 802.15.4,ZigBee,ZigBee RF4CE和智能能源應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案。由于具有高達256 kB的大容量閃存，CC2530非常適合ZigBee PRO應(yīng)用，并且更大容量的內(nèi)存將允許片上空中下載以支持系統(tǒng)內(nèi)重新編程。此外，CC2530還結(jié)合了1個完全集成的高性能射頻收發(fā)器，帶有8051 MCU,8 kB RAM、32/64/128/256 kB閃存以及其它強勁的支持功能與外設(shè)。CC2530提供了101 dB的鏈路質(zhì)量，優(yōu)秀的接收器靈敏度和優(yōu)良的抗干擾性，4種供電模式，多種閃存尺寸，以及一套廣泛的外設(shè)集，包括2個UART、12位ADC和21個通用GPIO。除了通過優(yōu)秀的RF性能、選擇性和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強8051MCU內(nèi)核，支持一般的低功耗無線通信，CC2530還可以配備TI的一個標(biāo)準(zhǔn)兼容或?qū)Ｓ械木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧(RemoTI，Z-Stack或SimpliciTI)來簡化開發(fā)。

應(yīng)變采集裝置的硬件部分功能如圖1所示。半橋采集單元完成橋式差分電壓信號的調(diào)理，此信號經(jīng)差分放大及電壓偏移環(huán)節(jié)后，進入CC2530內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化。其中電源部分包括3.3 V穩(wěn)壓供電電路、3.3 V升壓至5 V電路及3.3 V降壓至2 V基準(zhǔn)電壓電路。從降低裝置靜態(tài)功耗的初衷出發(fā)，應(yīng)盡量采用靜態(tài)電流較低的芯片，本設(shè)計分別采用低紋波電荷泵式DC/DC變換芯片TPS60211、電荷泵DC/DC芯片TPS60151和超低噪音、高精度電壓基準(zhǔn)芯片ADR4520。

為減少升壓芯片TPS60151輸出的5 V電壓為橋式電路供電時引起的電流消耗，僅在需要測量應(yīng)變時，由微控制器將電源芯片的ENA引腳置為高電平，輸出5 V有效；而在大部分的非測量時間內(nèi)，使ENA處于低電平，電源芯片不輸出5 V電壓。通過這種控制措施，可較好地滿足系統(tǒng)低功耗的設(shè)計要求。

圖2 模擬信號采集電路

橋式電路供電電壓5 V，在如圖2所示電阻配置下靜態(tài)工作電源42 mA，Ubd的共模電壓為2.5 V，差模電壓為±10 mV。經(jīng)儀表運算放大器AD623差分放大倍數(shù)100倍，電壓放大至±1 V；經(jīng)AD623電壓基準(zhǔn)引腳電壓平移2 V后[3]，Adin電壓值介于1～3 V范圍之內(nèi)。CC2530的電壓轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)采用其電源電壓3.3 V，由于CC2530的AD轉(zhuǎn)換是12位的，故數(shù)模轉(zhuǎn)換的分辨率為0.8 mV，對應(yīng)橋式電壓變化的8 μV。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧分析

采集裝置的驅(qū)動軟件基于TI公司協(xié)議棧Z-Stack編寫，Z-Stack協(xié)議棧代碼是半開源的[4]，部分底層函數(shù)代碼對用戶屏蔽，但不影響用戶在應(yīng)用層的程序開發(fā)。

整個Z-Stack協(xié)議棧采用分層架構(gòu)，硬件抽象層(HAL)提供各種硬件模塊的驅(qū)動，包括定時器Timer、通用I/O口GPIO、通用異步收發(fā)傳輸器UART、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC的應(yīng)用程序接口。操作系統(tǒng)抽象層OSAL實現(xiàn)了一個非搶奪式的多任務(wù)操作系統(tǒng)平臺，通過時間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機制。用戶可以調(diào)用OSAL提供的相關(guān)API進行多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作為一個獨立的任務(wù)來實現(xiàn)。

協(xié)議棧中的每個層都有一套特定的服務(wù)方法和上一層連接，稱為協(xié)議。數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)，而管理實體提供所有的服務(wù)類型。每個層的服務(wù)實體通過服務(wù)接入點SAP (service access point)和上一層相接，每個SAP提供大量服務(wù)方法來完成相應(yīng)的操作。

5 嵌入式軟件設(shè)計

軟件開發(fā)環(huán)境采用IAR Embedded Workbench IDE，程序使用C語言編寫，程序設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，確保函數(shù)移植性好，且便于調(diào)試。

圖3 軟件工作流程

主函數(shù)的主要工作流程如圖3所示。Z-Stack協(xié)議棧的精華在于操作系統(tǒng)OSAL的多任務(wù)調(diào)度。因此，在進入主循環(huán)處理函數(shù)之前的準(zhǔn)備工作中，操作系統(tǒng)的初始化尤為重要。osalTaskInit()，osalAddTasks()，osalInitTasks()3個函數(shù)的調(diào)用構(gòu)成了協(xié)議棧的7大任務(wù)列表，這7大任務(wù)分別是ZDApp_event_loop，nwk_event_loop，Hal_ProcessEvent，MT_ProcessEvent，APS_event_loop，macEventLoop，SAPI_ProcessEvent。

進入主循環(huán)處理函數(shù)以后，始終周期掃描此任務(wù)列表，這7個任務(wù)由taskID和taskPriority來決定掃描和處理順序。在循環(huán)掃描的過程中，數(shù)據(jù)的傳輸使用直接存取(DMA)控制器進行操作，可以減輕8051CPU內(nèi)核傳送數(shù)據(jù)時的負擔(dān)，實現(xiàn)CC2530在高效利用電源條件下的高性能。

圖4 函數(shù)調(diào)用關(guān)系示意圖

主函數(shù)main通過函數(shù)指針tasksArr將任務(wù)進行注冊，通過osal_start_system函數(shù)啟動系統(tǒng)后，各函數(shù)的調(diào)用關(guān)系如圖4所示。在SendReport函數(shù)中可以編制數(shù)據(jù)采集子函數(shù)。軟件的調(diào)試可以借助于TI公司的ZigBee Sensor Monitor應(yīng)用軟件觀察網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。出于體積緊湊設(shè)計的考慮，硬件電路板上取消了TI公司的開發(fā)板上的按鍵等外圍元件，因此需要將協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點的程序改為上電自動綁定，而不是需要通過搖桿按鍵進行綁定?？梢酝ㄟ^修改DemoSensor.c和Democollector.c中的zb_BindConfirm函數(shù)實現(xiàn)自動綁定。

6 裝置實現(xiàn)及系統(tǒng)測試

基于上述硬件及軟件設(shè)計方案完成的應(yīng)變采集裝置實物圖如圖5所示。裝置的低功耗不但體現(xiàn)在硬件芯片的選型及電路設(shè)計上，而且通過在嵌入式軟件程序中合理地使CC2530處于休眠狀態(tài)，從而保證了應(yīng)變采集無線傳感器節(jié)點耗電量盡可能地低。經(jīng)過實際組網(wǎng)測試，應(yīng)變采集結(jié)果準(zhǔn)確，組網(wǎng)可靠，工作功耗低，適用于水利自動化工程及其它結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測應(yīng)用。

圖5 無線數(shù)據(jù)采集裝置實物

7 結(jié) 語

基于TI的新一代片上系統(tǒng)CC2530及TI的Z-Stack-CC2530-2.3.0-1.4.0協(xié)議棧開發(fā)了一款體積緊湊、功能靈活的應(yīng)變采集裝置。該裝置可以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等水利工程監(jiān)測項目中，有效解決布線及電源防雷問題，便于構(gòu)建龐大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻：

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(編輯：陳 敏)