ZigBee無線通信技術及其在橋梁檢測中的應用

摘要:隨著通信技術的不斷發展，ZigBee應運而生。它是新興的無線通信技術，與其他的無線通信技術相比，有其自己的獨特優勢。橋梁工程技術的發展趨勢需要更新的橋梁檢測技術，檢測數據的傳輸、及時更新等都需要通信技術的支持。ZigBee無線通信技術的廣泛應用使其應用在橋梁檢測上成為可能，橋梁檢測技術的飛速發展也使橋梁檢測應用ZigBee無線通信技術成為必要?；谏鲜鏊枷耄瑢igBee應用于橋梁檢測并在此基礎之上開發出一套新的橋梁檢測儀器是最終目的。

關鍵詞:ZigBee;無線通信;橋梁檢測

中圖法分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)36-10368-03

The Application of ZigBee Wireless Communication to Bridge Detection

WANG Li-li， WANG Yun-sheng， ZHOU Zhen-hong

(Zhengzhou university， Zhengzhou 450002， China)

Abstract: Along with constant development of communications technology ZigBee emerged. It is new wireless communications technology and it is distinct. It has more advantages in comparison with other wireless communications techniques. The development trend of bridge engineering techniques needs new bridge detecting techniques. Transmitting and updating data timely needing support by communications technology. ZigBee has widespread use which makes it’s using on bridge detection possible. Fast developing bridge detection technology makes using ZigBee essential.Based on above idea， to use ZigBee on bridge detection and develop a set of bridge detecting instrument are final aim.

Key words: ZigBee; wireless communication; detection of bridge

隨著信息技術的發展，人們對網絡通信技術的要求不斷提高，傳統數字化設備的有線連接給人們隨時隨地與信息網絡相連和通信帶來了很多不便。發展無線通信技術將人們從有線連接的束縛中解放出來，已經成為一種必然趨勢。

近幾十年來，科學技術的快速發展推動了橋梁工程技術的飛躍，隨著橋梁不斷往新穎橋型、大跨徑的方向發展，橋梁的檢測試驗技術也不斷地更新和改進。另外，隨著國內路網改造、舊路改建和公路等級的提升，交通量的日漸增大，重型車輛的日漸增多，對原有的公路舊橋的通行能力要求越來越高，確定此類公路橋梁的實際使用狀況和實際承載力就顯得尤為迫切。

目前的無線通信技術主要致力于如何提高通信速率，而相對于簡單無線連接的應用領域，如工業現場(橋梁檢測)各種傳感器的參數收集等由于數據量傳輸量小，并不需要很高的傳輸速率。如果使用現有的、過于復雜的無線通信技術將消耗很多能量，并且占用過多的計算和通信資源，同時也增加了設備成本。2002年8月，由英國的Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司成立了ZigBee聯盟，并于2004年12月，正式公布了無線通信技術ZigBee的1.0標準?；谶@種現狀，本文提出將ZigBee應用于橋梁檢測與評價中去的設想。

1 ZigBee無線通信技術特點

目前，一種新的無線通信技術——“ZigBee”技術引起了人們的關注。ZigBee這個名字來源于蜂群使用的賴以生存的通信方式，蜜蜂通過跳Zigzag形狀的舞蹈來分享新發現的食物源的位置、距離和方向等信息[1]。

ZigBee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信技術[3]。工作在2.4GHz的ISM頻段上，傳輸速率為20kb/s—250kb/s傳輸距離為10m—75m。主要適用于工業控制、傳感和遠程控制領域。它依據IEEE 802.15.4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以“接力”的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此它們的通信效率非常高。它適合于承載數據量較小的業務，可以嵌入各種設備，同時支持地理定位功能。與ZigBee兼容的設備有著網狀的拓撲結構，這可大大延伸單個節點的傳輸范圍。其網絡結構如圖1所示。

ZigBee無線通信技術與其他的無線通信技術相比有著自己的特點[2，5]:

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，這是其他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，而且網絡組成靈活。

5) 可靠采取了碰撞避免策略，同時為需要固定寬帶的通信業務預留了專用時隙，避開了發送信息的競爭和沖突。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受方的確認信息。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 橋梁檢測的研究內容

橋梁檢測的主要研究內容包括現場荷載試驗與信號處理、數據分析與安全性評價和儀器設備研發等內容。荷載試驗包括靜載和動載試驗檢測兩方面。

2.1 橋梁結構靜載試驗

靜荷載試驗指的是將標準設計荷載或標準設計荷載的等效荷載施加于橋梁結構的指定位置，對橋梁結構的應變分布、變形量進行檢測，以此對橋梁結構性能做出評估[6]。橋梁靜荷載試驗內容主要包括以下幾個方面。

1) 試驗方案的設計準備階段:根據試驗目的和要求，對橋梁結構和相關資料進行必要的理論的分析和核算，補充必要的材料力學性能試驗，在此基礎之上有針對性地擬定周密合理的試驗方案。

2) 靜載試驗的加載與觀測階段:在充分準備的基礎上，按照預定的試驗方案，對結構施加試驗荷載，通過各種測試儀表進行觀測，取得試驗數據。

3) 對試驗資料的計算分析階段:本階段的主要工作有，結構撓度的計算，測點應力的計算，截面應力的計算，主應力的計算，求殘余變形值，荷載橫向分布影響線的計算等。

4) 對試驗結構的性能分析階段:通過對試驗資料的整理計算，對橋梁結構進行強度、剛度、抗裂性能、裂縫寬度等幾個方面的研究分析。

2.2 橋梁結構動載試驗

進行橋梁動力荷載試驗，首先應設法使橋跨結構產生振動，然后通過傳感器、放大器和記錄系統記錄下振動物理量的時間歷程曲線。對于公路實橋橋跨結構，簡便易行的方式是采用一輛或多輛并行滿載重車進行跑車、跳車和剎車試驗。對鐵路橋則以一定型號機車牽引滿載車列以不同速度過橋或橋上制動。橋梁荷載試驗檢測內容主要包括一下幾個方面。

1) 結構固有頻率的測定。2) 結構阻尼性能的測定。3) 振型的測定。4) 結構動力響應的測定(振幅、頻率、位移、應力等)，動撓度與靜撓度的比值稱為活荷載的沖擊系數，活荷載沖擊系數綜合地反映了動力荷載對橋梁結構的動力作用。

3 橋梁檢測設備的發展趨勢

現在是開始為檢測橋梁和其它土木結構開發智能、有效、低成本的檢測系統的時候了。系統應包括多路傳感器，具有不同的探測能力，能夠同時對靜荷載信號和動荷載信號進行檢測。它既能運用無線技術把數據傳送到監測中心去?？梢灶A見，現代傳感技術、無線遙測技術和無線通信技術的結合應用將為橋梁結構創造出杰出的無損檢測系統，最終使無損檢測技術融入橋梁健康監測系統中。

目前橋梁荷載試驗技術已經向著測試多樣化和測試儀器的高精度、小型化無線傳輸和智能化方向發展。隨著計算機和終端設備的廣泛使用，促使各種試驗設備自動化水平不斷提高。

傳統的動靜載試驗方法載長期的實際運用中有其固有優勢，如它主要是以關鍵部位的應力和撓度校驗系數為準進行既有橋梁的評價，評定方法較為簡便實用;但是該試驗方法在其運用過程中也同時存在著一些缺點和不足，比如試驗工作面大、加載時間較長、費用高、通常需要較長時間中斷交通等，并且測試數據是離散的單點數據，導致其測試可靠性和準確性不易得到保證等[7]。因此，傳統的方法有待進一步改進，利用ZigBee技術就能夠解決這些難題。

近年來以美國為首的西方國家開始研制基于集成化系統的橋梁測試評價體系，并取得大量成果。并且ZigBee無線通信技術的發展使其在社會各個領域的應用越來越廣泛，我們發現將現代無線通信技術應用于橋梁檢測系統有很大的必要性，尤其是在橋梁檢測系統各種數據信號采集方面。

4 ZigBee在橋梁檢測中的應用

MaxStream用戶根據不同的需要已將無線模塊應用到了很多領域，據調查MaxStream到目前為止還沒有在震動阻尼方面作過正式的試驗，但用戶的實際經驗告訴我們，集成ZigBee技術的很多模塊已經廣泛應用，甚至包括那些工作環境惡劣(如強震動環境)中:

1) 鏟車震動監控系統

2) 高海拔火箭研究系統

3) 艦隊監控系統

4) 采礦設備監控

5) 無人駕駛飛機控制系統

6) 臥式鉆床

7) 農業設備監控

8) 直升飛機操作員控制臺

ZigBee的這些特點使其與其它網絡通信相比更具有獨特的優勢，這也是這項技術能在很多領域很好應用的內在原因，這也為將ZigBee技術引進橋梁檢測中提供了可能性、打下了基礎、也指引了道路。

ZigBee主要用于中短距離無線系統連接，系統設計可允許使用第三方的傳感器。能夠對各種傳感器進行無線控制和數據傳輸。ZigBee定義了三種節點類型:協調器、路由器和終端設備。協調器可以通過選擇網絡的工作信道和個域網識別標志(PAN ID)來啟動一個ZigBee網絡。一旦網絡啟動，路由器和終端設備就能加入網絡。協調器和路由器都能通過網絡發射和路由數據，并且允許其它的路由器和終端設備加入。當設備加入ZigBee PAN時，設備間的父子關系即形成，加入的設備為子，允許加入的設備為父。由于終端(傳感器+8051/ARM+ZigBee)可同時具有路由器的功能，所以一個終端的數據可以通過其它終端的路由最終傳遞到協調器一端。如果終端設備不參與路由數據，則在不發射和接收數據時可以休眠。嵌入ZigBee技術的星狀、網狀拓撲結構如圖2所示。

基于上述實際情況，在實際的橋梁檢測系統中，我們可以將終端布于橋梁的相應位置，在橋梁靜載試驗或動載試驗過程中通過傳感器將各數據信號(模擬信號)采集起來，通過模數轉換(A/D)轉換成數字信號，以數字信號的形式直接傳輸或通過路由器傳輸到無線協調器，最終傳輸到終端設備電腦中，通過數據控制中心電腦顯示出來，在遠處的數據控制中心進行數據分析處理，從而達到用戶自己想要的結果，并通過這種結果實現對橋梁的檢測。

當信號采集遠離數據處理中心時，將XStream模塊和做協調器的XBee模塊聯接在一起，在數據接收中心也使用XStream模塊接收數據，這樣就實現了通訊距離的擴展。雖然XStream模塊不能支持自動組網功能，但是它支持級跳功能，所以也可以實現更長距離的通訊(室外16km)，這樣可實現遠距離的數據的采集和監控。

由此可見，將ZigBee技術應用于橋梁檢測方面既能滿足橋梁檢測的需要又能充分利用ZigBee技術的優勢節約能源、提高效率。這篇文章意在將ZigBee技術應用在橋梁檢測數據信號采集和傳輸過程中，進而想利用XBee開發套件(XBee-S2模塊(40m/120m)、XBee-Pro模塊(100m/1.6km)、USBRS-232接口電路板、API或者AT命令)開發出一套新的橋梁檢測設備。

5 結束語

文章分別分析研究了ZigBee無線通信技術和橋梁檢測內容，根據ZigBee技術的特點、應用現狀以及橋梁檢測需求提出將ZigBee技術應用在橋梁檢測中的設想，并通過進一步分析討論得出將ZigBee技術應用在橋梁檢測中是必要的、也是可行的，另外，將該項技術成功應用的話不僅僅會使得該無線通信技術的優勢得到進一步的發揮，并且也會推動橋梁檢測技術的進一步發展，給社會帶來巨大的效益。目前的任務是如何在這一思路的指引下開發出一套適用于橋梁檢測的儀器設備，這是有待于進一步的研究和解決的問題。

參考文獻:

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