一種基于6LoWPAN用于土木結構監測的無線數據采集系統設計

陳海燕，陳志聰，周海芳，吳麗君

(福州大學 物理與信息工程學院 微納器件與太陽能電池研究所，福建 福州 350116)

0 引言

近年來國內大型橋梁坍塌事故時有發生，據統計，自2000至2014年，國內公開報道的橋梁坍塌事故多達179起[1]。若能及時對橋梁的狀態做出評估，將會有效預防此類事故的發生，因而近年來針對橋梁的結構監測系統的研究成為熱點[2]。目前國內外的一些大型橋梁已經安裝了結構監測系統，如加拿大的Confederation橋、英國的Tamar大橋以及國內的蘇通大橋、沈陽伯官大橋等[3-6]。傳統的結構監測系統采用有線方式，但有線傳感器網絡安裝和維護成本高，對于特殊部位的結構布線困難，難以全面滿足結構監測的要求[7]。而無線傳感器網絡(Wireless Sensors Network， WSN)由于其自組織性、安裝維護成本低、部署靈活、測量精度高、可靠性高等特點，在結構監測系統中作為新型的數據傳輸方式日益見長[8]。

雖然WSN在實際應用中已經有大量的實驗結果，但以往的WSN沒有考慮到互聯網的兼容性和標準化，在傳統上被認為是完全獨立的[9]。而WSN和互聯網融合是必然趨勢，6LoWPAN(IPv6 Low Power Wireless Personal Area Network)技術的提出為WSN與互聯網的融合提供了解決方案。6LoWPAN協議使得IPv6協議能夠在WSN中使用，該協議的物理層和數據鏈路層采用IEEE 802.15.4標準，網絡層采用IPv6協議。為了實現IPv6協議與IEEE 802.15.4標準的無縫連接，6LoWPAN協議棧定義了LoWPAN適配層，用來完成網絡拓撲構建、分片重組、壓縮頭部、地址分配等工作[10]。采用6LoWPAN技術的WSN中的每個節點都有唯一的IPv6地址，節點間能以IP通信形式進行端對端的通信。因此，本文提出一種基于6LoWPAN無線傳感器網絡的結構監測系統，實現6LoWPAN網絡中傳感器節點與外部IPv4網絡之間的通信，并且實現對橋梁等土木結構的重要參數進行實時采集和數據管理，實現遠程監控，方便用戶管理。

1 系統總體結構

本系統由若干傳感器節點、1個邊界路由節點、1個網絡路由器和遠程監控中心組成，系統結構如圖1所示。若干個傳感器節點與1個邊界路由節點組成簡單的6LoWPAN網絡，傳感器節點用于對橋梁環境參數的采集和預處理，邊界路由器節點負責開啟和維護6LoWPAN網絡以及系統中數據包的路由轉發，實現IPv4網絡與6LoWPAN網絡的數據通信。遠程監控中心負責數據的處理、存儲和圖形化顯示，實現對相關參數的實時在線監測。

圖1 系統總體結構

圖3 電源模塊電路圖

2 系統硬件設計

本系統的硬件設計主要包括傳感器節點硬件電路和邊界路由節點硬件電路的設計，主控芯片采用TI公司的CC2538片上系統無線收發芯片，該款芯片基于ARM Cortex M3的強大的MCU系統，具有32 KB的RAM和512 KB的閃存以及可靠的IEEE802.15.4射頻功能，支持6LoWPAN IPv6網絡的IP標準化開發。該芯片在射頻處于TX模式下的內核電流消耗為24 mA，其他外設電流消耗最高不超過8 mA，因此該芯片適合應用于要求低功耗的傳感器節點中。

2.1 傳感器節點硬件設計

傳感器節點由CC2538模塊、電源模塊、數據采集電路模塊、傳感器模塊(包括慣性模塊MPU9250和溫濕度模塊DHT11)以及本地串口調試模塊組成。其中傳感器模塊包括MEMS慣性模塊和溫濕度模塊。其硬件框圖如圖2所示。

圖2 無線傳感器數據采集節點

系統電源模塊設計兼顧傳感器節點和邊界路由節點的各模塊的電壓需求，經分析采用3.3 V電壓供電。邊界路由節點在網絡中工作量大、任務重，需要穩定持續不斷的電源供電，因此采用5 V適配器供電，傳感器節點采用電池供電。結合二者的供電方式本文設計的電源模塊電路圖如圖3所示，兩節五號電池串聯后經過升壓穩壓BL8530芯片升壓為5 V電壓，之后再經過LM1117-3.3低壓差線性穩壓器芯片可轉換為3.3 V電壓輸出。

數據采集電路的設計主要是源于CC2538芯片具有8通道(PA0～PA7引腳)的模數轉換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)，本系統利用這些通道作為橋梁的外部擴展響應數據模擬輸入。在實際橋梁數據采集中，傳感器的輸出通常是微弱的小信號，對干擾噪聲很敏感，需要對傳感器輸出的信號進行放大并且濾波。針對這一問題，本系統在通道前端設計了數據采集電路，如圖4所示。該電路采用LM358運算放大器對小信號進行偏置、放大，通過電位器和撥碼開關調試并選擇放大的倍數，最后采用簡單的RC濾波電路對信號進行濾波，濾除干擾信號，以便系統的后續數據處理。

傳感器模塊包括MEMS慣性模塊和溫濕度模塊。其中MEMS慣性模塊采用九軸慣性傳感器模塊MPU9250，該模塊可以采集加速度、陀螺儀、磁力計信號，以16位ADC信號輸出，內部自帶數字濾波器，輸出的數據可直接通過I2C總線接口與CC2538進行通信。溫濕度模塊選用DHT11溫濕度傳感器，輸出數字信號，通過單線制串行接口與處理器相連。在實際應用中，在DHT11數據輸出接口接入一個4.7 kΩ的上拉電阻，與CC2538的PB0管腳通信，主控芯片可直接在接口處讀取溫濕度的數據。

圖4 數據采集電路

2.2 邊界路由節點硬件設計

邊界路由節點硬件電路包括CC2538主控芯片模塊、以太網模塊和串口調試模塊，其具體結構如圖5所示。CC2538主控模塊內含IEEE802.15.4射頻收發器，接收來自傳感器節點的6LoWPAN數據包，數據包經CC2538芯片處理后通過SPI總線傳給以太網模塊。以太網模塊采用ENC28J60芯片與帶RJ45接口的網絡插座變壓器HR911105A通信，ENC28J60芯片提供10 MHz的SPI接口，數據通過RJ45接口與有線互聯網通信。串口調試模塊主要是在開發調試時使用，方便查看節點是否有數據傳輸至上位機。

圖5 邊界路由節點結構

3 系統軟件設計

系統的軟件設計包括傳感器節點軟件、邊界路由器節點軟件和遠程監控中心軟件的設計。其中傳感器節點軟件和邊界路由器節點軟件在Contiki-3.0嵌入式操作系統上進行開發，采用C語言編程。Contiki-3.0系統內核基于事件驅動，當有事件發生時，內核傳遞事件發生的消息，激活與該事件相匹配的進程。

3.1 無線傳感器節點軟件設計

無線傳感器節點軟件主要完成橋梁、建筑等土木結構的環境及響應數據采集。本系統根據需求創建系統的數據采集進程，并放在自啟動的指針數組中。傳感器數據采集進程流程如圖6所示，首先聲明數據采集進程，調用autostart_start()函數加入自啟動列表，初始化傳感器和8路ADC，加入RPL路由[11-12]，綁定并連接遠程UDP(User Datagram Protocol)端口；接著設置etimer定時器，本文設置時間間隔為2 s，當定時器到期時，設置遠程UDP的IPv4地址并將其轉為IPv6地址；讀取傳感器采集的數據以及8路ADC信息并存入緩存中，讀取的傳感器信息包括加速度、溫濕度、磁力計和陀螺儀數據。接著調用自定義的傳輸協議文件SHM_protocol.h中的數據包封裝函數CreatePackage()，將緩存的數據進行封裝，傳輸協議的協議頭包括節點自身信息，如MAC地址、節點類型、數據類型和命令編號等。由于協議棧的運輸層采用用戶數據包協議UDP，因此調用udp_socket_sendto()函數將封裝好的數據包發送給遠程UDP服務器，發送完成后，重置etimer定時器，等待定時器到期。

圖6 傳感器數據采集應用流程圖

3.2 邊界路由器節點軟件設計

邊界路由器的節點兼顧IP和6LoWPAN協議棧，實現IPv4網絡與6LoWPAN網絡互聯，同時收集和轉發系統的數據，保證數據傳輸的有序進行。邊界路由器節點工作流程如圖7所示，首先聲明進程，調用autostart_start()函數將該進程加入自啟動列表，調用rpl_dag_root_init_dag()函數將本節點設置為6LoWPAN網絡的根節點[13]；接著調用ip64_init()函數初始化IP64模塊；最后進入等待狀態，數據包到達時觸發事件進程。當邊界路由器節點的射頻接口接收到來自6LoWPAN網絡的數據包時，要判斷數據包要發往IP網絡還是6LoWPAN網絡，若發往6LoWPAN網絡，則通過RPL路由發送給目的地；若發送給IPv4網絡則調用IP64模塊處理數據包，將IPv6數據包轉換為IPv4數據包，根據IP64模塊中IPv4和IPv6地址映射列表將數據包發往目的地。當以太網口接收到來自IPv4網絡數據包，并且是發往6LoWPAN網絡，則調用IP64模塊將IPv4數據包轉換為IPv6數據包，然后根據RPL路由發往目的地。

圖7 邊界路由器節點應用軟件流程圖

3.3 遠程監控中心軟件設計

遠程監控中心軟件設計包括用戶界面設計和數據庫設計。用戶界面設計采用MATLAB2014a 圖形用戶接口開發環境(GUIDE)，采用MySQL數據庫，通過JDBC連接方式將MATLAB與MySQL數據庫連接起來。遠程監控中心實現的功能：實現上位機與無線傳感器網絡邊界路由節點的通信；分析和處理接收到的數據包，實現數據實時顯示并以實時動態曲線圖的方式使系統所監測的參數可視化；將處理好的數據儲存至數據庫，方便用戶查看歷史記錄。

4 系統測試

本系統采用5個傳感器節點、1個邊界路由器節點、路由器和計算機來搭建系統的硬件測試平臺。當系統上電后，邊界路由器節點執行DHCPv4指令向路由器申請IPv4地址，如圖8所示。為了驗證邊界路由器節點與互聯網的聯通性，采用Ping測試，測試結果如圖9所示，表明本文設計的邊界路由器節點可以實現IPv6和IPv4網絡互聯。

圖8 6LoWPAN邊界路由器節點獲取IPv4地址

圖9 電腦端Ping邊界路由器節點信息

由于測試環境的限制，并未將傳感器節點放置到橋梁上測試，而是在室外模擬橋梁參數測量環境，隨機布置5個節點進行測試。每個傳感器節點間隔2 s上傳數據報，數據報中的數據包括自定義傳輸協議的協議頭和環境參數，環境參數包括加速度、溫度、濕度、陀螺儀和磁場。遠程監控中心實時接收來自6LoWPAN網絡的數據，并進行相應處理。測試結果如圖10所示，圖10的結果驗證了本系統能夠正確獲取環境參數，并以動態實時曲線圖方式和文本形式顯示各個傳感器節點數據變化信息。但用戶界面只顯示環境參數，并未顯示傳輸協議的協議頭信息，遠程監控中心將完整的數據存儲在本地MySQL數據庫，通過查詢數據庫，可查看傳感器節點上傳的完整信息。

圖10 遠程監測中心的界面

在測試過程中發現傳感節點與邊界路由節點的最大傳輸距離大概為23.7 m，超出這個范圍邊界路由節點難以接收到傳感器節點的數據。另外傳感器節點在實際工作時的電流為30 mA，可以滿足傳感器節點的低功耗要求。

對系統的網絡性能進行測試和評估，采用丟包率和網絡吞吐率來表征系統的網絡性能。測試網絡的丟包率時，5個傳感器節點和1個邊界路由器節點形成星型網絡，每個傳感器節點以一定的間隔發送50個數據包，發包間隔從50 ms變化至500 ms。在測試過程中為了避免分片和重組，只采用16 B～64 B的有效負載。丟包率測試結果如圖11所示。

圖11 丟包率測試結果

網絡吞吐率指單位時間內通過邊界路由器節點成功交付數據的平均速率。傳感器節點持續不斷向上位機發送數據，采用Wireshark軟件偵聽邊界路由器節點通信數據，設定監聽時間，其接收的數據量與監聽時間的比值即為吞吐率。吞吐率的測量結果如圖12所示。

圖12 吞吐率測試結果

丟包率的測試結果表明，網絡的丟包率與數據發送間隔以及有效負載有關。當有效負載越大、數據發送間隔越小時丟包率越大；圖11中當發送間隔為50 ms，有效負載為64 B時，丟包率最大達到4.4%。并且當節點發送間隔較大時，丟包率受有效負載的影響較小；當節點發送間隔較小時，有效負載越大丟包率也越大，這是由于發送間隔較小，網絡的流量增大而導致的。

網絡吞吐率反映了6LoWPAN網絡的數據流量情況，吞吐率測試結果表明：在給定的有效負載條件下，隨著數據發送間隔增大，吞吐率逐漸減小；在給定的發送間隔條件下，隨著有效負載增大，吞吐率增大。IEEE 802.15.4標準依據頻率可以提供20～250 kb/s的數據傳輸速率，本系統在測試過程中最高的吞吐率為36.44 kb/s，可知當網絡中的數據量條件具備時系統網絡的吞吐率可以達到IEEE 802.15.4標準所提供的傳輸速率。

5 結論

本文針對橋梁等土木結構監測的需求，設計了基于6LoWPAN無線傳感器網絡的集成慣性及溫濕度傳感器的無線數據采集系統，詳細闡述了系統節點的硬件設計和嵌入式軟件設計以及6LoWPAN協議。實驗測試結果表明，無線傳感器節點能夠正確采集到環境的溫度、濕度、加速度等參數，自組織地建立6LoWPAN無線傳感器網絡。此外，系統也實現了6LoWPAN網絡與傳統IPv4網絡的互聯和數據交互，有利于橋梁環境參數的實時測量和遠程交互，便于用戶管理。網絡性能測試結果表明，該網絡可靠性良好、吞吐率及丟包率能滿足要求。綜上所述，基于6LoWPAN技術的無線傳感器網絡在土木結構監測領域具有良好的應用前景和一定的應用價值。

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