1水工結構健康監測的應變採集方式
隨著大型水利水電工程的陸續建設，對水工建築物及相關土木工程結構的健康監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、計算機技術、通訊技術、智慧型控制技術的發展，都促進了結構健康監測技術的發展和應用。
結構健康監測分為整體監測和區域性監測。而無論區域性監測還是整體監測，都是以感測器準確採集傳輸資料為前提和基礎，各種結構健康監測的資料採集主要採用的是傳統「有線」感測器來實現，儘管這種採集方式具有採集訊號準確、抗干擾性好、產品系列化等特點，但是利用「有線」感測器組成的監測網路佈線量大、安裝和維護費用高、可靠性差，甚至在一些結構中無法實現佈線。隨著感測技術、zigbee數傳模組通訊技術和mems技術的發展，無線感測技術得到了發展並能夠克服有線感測網路的佈線量大、費用高等不足，在實際應用中zigbee無線模組得到了很大的發展。
應變是反映結構區域性狀態的重要引數，在結構區域性監測中非常重要。現存的應變採集裝置要麼體積較大，不能布置在感測元件附近，要麼沒有配置無線收發介面，需要通過有線連線與控制中心通訊。因此一款體積小、功耗低的無線zigbee資料採集裝置對於應變引數的採集是十分必要的。本文介紹一款基於zigbee無線模組
的電阻片式應變採集裝置。
2應變測量原理
電阻應變片在外力作用下產生機械變形，從而引起電阻變化，這就是電阻應變效應，應變測量就是利用這種機制實現的。電阻應變片是結構區域性應變測量最常用、效果較好的感測元件，貼上在結構表面或者埋人結構中，效能較穩定，可以組成各種形狀和面積的陣列，防電磁干擾，耐久性較好；並且電阻應變片面積很小，不影響埋置材料的效能，具有製作容易、**低廉、耐高溫、抗衝擊和彎曲強度高等優點，適合在水工結構監測中應用。將電阻應變片接入電橋電路中，就可以將應力的變化變換為電壓的變化。在實際安裝時，應在被測試件上貼上2個相同規格的工作應變片，乙個受拉，乙個受壓，以保證它們的應變大小相等、方向相反，將其接人電橋相鄰橋臂，便構成了差動半橋輸入電路。差動半橋電路的輸出電壓u=e ×△r／2r，其中e為半橋電路的供電電壓，為外力引起應變電阻片的電阻變化量，r為電橋平衡臂阻值，一般為120歐。
3應變採集裝置硬體設計
本文擬採用德州儀器(ti)的新型片上系統cc2530作為
zigbee數傳模組
主控制器。cc2530是一款真正針對ieee 802．15．4，zigbee，zigbee rf4ce和智慧型能源應
應變採集裝置的硬體部分功能如圖1所示。半橋採集單元完成橋式差分電壓訊號的調理，此訊號經差分放大及電壓偏移環節後，進入cc2530內建的模數轉換器進行數位化。其中電源部分包括3．3 v穩壓供電電路、3．3 v公升壓至5 v電路及3．3 v降壓至2 v基準電壓電路。從降低裝置靜態功耗的初衷出發，應盡量採用靜態電流較低的晶元，本設計分別採用低紋波電荷幫浦式dc／dc變換晶元tps60211、電荷幫浦dc／dc晶元tps60151和超低噪音、高精度電壓基準晶元adr4520。
圖1硬體系統功能框圖
為減少公升壓晶元tps60151輸出的5v電壓為橋式電路供電時引起的電流消耗，僅在需要測量應變時，由微控制器將電源晶元的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，使ena處於低電平，電源晶元不輸出5 v電壓。通過這種控制措施，可較好地滿足系統低功耗的設計要求。
橋式電路供電電壓5 v，在如圖2所示電阻配置下靜態工作電源42 ma，ubd的共模電壓為2．5 v，差模電壓為±10 mv。經儀表運算放大器ad623差分放大倍數100倍，電壓放大至±1 v；經ad623電壓基準引腳電壓平移2 v後，adin電壓值介於l-3 v範圍之內。cc2530的電壓轉換基準採用其電源電壓3．3 v，由於cc2530的ad轉換是12位的，故數模轉換的解析度為0．8 mv，對應橋式電壓變化的8uv。
圖2模擬訊號採集電路
4無線感測器網路協議棧分析
zigbee
數傳模組採集裝置的驅動軟體基於ti公司協議棧z-stack編寫，z-stack協議棧**是半開源的，部分底層函式**對使用者遮蔽，但不影響使用者在應用層的程式開發。整個z-stack協議棧採用分層架構，硬體抽象層(hal)提供各種硬體模組的驅動，包括定時器timer、通用i／o口gpio、通用非同步收發傳輸器uart、模數轉換adc的應用程式介面。作業系統抽象層osal實現了乙個非搶奪式的多工作業系統平台，通過時間片輪轉函式實現任務排程，提供多工處理機制。使用者可以呼叫osal提供的相關api進行多工程式設計，將自己的應用程式作為乙個獨立的任務來實現。協議棧中的每個層都有一套特定的服務方法和上一層連線，稱為協議。資料實體提供資料的傳輸服務，而管理實體提供所有的服務型別。每個層的服務實體通過服務接入點sap(service access point)和上一層相接，每個sap提供大量服務方法來完成相應的操作。
5嵌入式軟體設計
軟體開發環境採用iar embedded workbenchide，程式使用c語言編寫，程式設計採用模組化結構，確保函式移植性好，且便於除錯。主函式的主要工作流程如圖3所示。
圖3軟體工作流程
進入主迴圈處理函式以後，始終週期掃瞄此任務列表，這7個任務由taskid和taskpriority來決定掃瞄和處理順序。在迴圈掃瞄的過程中，資料的傳輸使用直接訪問(dma)控制器進行操作，可以減輕8051cpu核心傳送資料時的負擔，實現cc2530在高效利用電源條件下的高效能。主函式main通過函式指標tasksarr將任務進行註冊，通過osal_start_system函式啟動系統後，各函式的呼叫關係如圖4所示。
圖4函式呼叫關係示意圖
在sendreport函式中可以編制資料採集子函式。軟體的除錯可以借助於ti公司的zigbee sensor monito應用軟體觀察網路拓撲結構。出於體積緊湊設計的考慮，硬體電路板上取消了ti公司的開發板上的按鍵等外圍元件，因此需要將協調器和終端節點的程式改為上電自動繫結，而不是需要通過搖桿按鍵進行繫結。可以通過修改demosensor．c和democollector．c中的zb_bindconfirm函式實現自動繫結。
6裝置實現及系統測試
基於上述硬體及軟體設計方案完成的應變zigbee資料採集
裝置實物圖如圖5所示。裝置的低功耗不但體現在硬體晶元的選型及電路設計上，而且通過在嵌入式軟體程式中合理地使cc2530處於休眠狀態，從而保證了應變zigbee資料採集無線感測器節點耗電量盡可能地低。經過實際組網測試，應變採集結果準確，組網可靠，工作功耗低，適用於水利自動化工程及其它結構。
圖5 無線資料採集裝置實物
7結語
基於ti的新一代片上系統cc2530的zigbee數傳模組及ti的z-stack協議棧開發了一款體積緊湊、功能靈活的應變zigbee資料採集裝置。該裝置使用了zigbee無線模組
可以應用於結構健康監測等水利工程監測專案中，有效解決佈線及電源防雷問題，便於構建龐大的無線感測器網路。
Zigbee裝置節點
zigbee定義了3種型別的裝置，每種裝置都有自己的功能要求 1 zigbee協調器 co ordinator 是啟動和配置網路的一種裝置，是網路的中心節點，乙個zigbee網路只允許有乙個zigbee協調器 2 zigbee路由器 router 是一種支援關聯的裝置，能夠將訊息 到其他裝置，zig...
ZigBee裝置型別
1 zigbee協調器是啟動和配置網路的一種裝置。協調器可以保持間接定址用的繫結 支援關聯，同事還能設計信任中心和執行其他活動。協調器負責網路正常工作以及保持同網路其他裝置的通訊。乙個zigbee網路只允許有乙個zigbee 協調器。2 zigbee路由器是一種支援關聯的裝置，能夠將訊息發到其他裝置...
ZigBee 點對點無線通訊
先從主函式開始 void main void 串列埠初始化 void inituart void 初始化rf void initrftest void radioinit frequency,myaddr 頻率，位址 傳送函式 void contionuousmode void 和沒用串列埠的時候基...