毕业设计（论文）-基于无线传感器网络在立交桥检测与监控的应用设计.doc

目 录摘要3第1章 无线传感器网络概述41.1wsn的应用41.2beetech无线传感器的优点41.3ieee802.15.4/zigbee简介5第2章 无线传感器的关键技术62.1zigbee技术62.1.1zigbee的由来62.1.2zigbee是什么72.1.3zigbee技术的特点72.1.4zigbee无线网路软件82.2时间同步技术92.2.1gps时钟及输出102.2.2时钟及时钟同步误差10第3章 无线传感器网络133.1无线传感器网络节点133.1.1原理框图143.1.2zigbee芯片简介143.2应变式节点内部电路163.3网关183.4操作软件183.4.1界面193.4.2软件设置及步骤（以应变节点为例）20第4章 无线实验设计及测量数据254.1桥梁概况254.2试验目的254.3静载试验264.3.1试验目的264.3.2测试截面的测点布置264.3.3测试方法284.3.4试验加载计算及加载等级的确定294.4 试验流程304.4.1静载试验304.4.2应变32结束语34参考文献35- 34 -基于无线传感器网络在立交桥检测与监控的应用设计摘要随着微机电系统(micro-electro-mechanismsystem,mems)、片上系统（soc，systemonchip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(wirelesssensornetworks,wsn)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于mems的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。在17世纪第一台传感器（electronics）被发明的同时，它就被广泛的运用在振动、应变、压力、扭矩、温湿度、流量、气体等测量及工业监控，在生活方面，他也被广泛的使用，如：电表、水表、脉搏测量仪等。并且，随着人类对物质世界的认识不断加深，不同类型、不同种类的传感器被发明出来，像霍尔式传感器、电阻式传感器等等。本文从无线传感器网络技术的基本结构、工作原理及特性入手，介绍实时监控的无线传感器。但是我现在做的是技术支持，并不是研究开发无线传感器，故本文侧重于无线传感器的应用，基于实用、广泛和典型的原则而做了本次设计。本次设计所用传感器均为北京必创科技有限公司生产的无线传感器，对一座立交桥进行安全监测和实时监控。为保证桥梁安全性和为日后桥梁养护维修管理提供必要的科学依据，拟对其工作状况及承载性能进行检查检测，根据检查检测结果对该桥的安全性能作出评估。第1章 无线传感器网络概述无线传感网络(wsn)是当前在国际上备受关注的，涉及多学科高度交叉，知识高度集成的前言热点研究领域。它综合了传感技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三员世界的连通。无线传感网络以最少的成本和最大的灵活性，连接任何有通信需求的终端设备，采集数据，发送指令。若把wsn各个传感器或执行单元设备视为“豆子”，将一把“豆子”任意抛撒开，经过有限的“种植时间”，就可以从某一粒“豆子”那里得到其他任何“豆子”的信息。作为无线自组双向通信网络，传感网络能以最大的灵活性自动完成不规则分布的各种传感器与控制接点的组网，同时具有一定的移动能力和动态调整能力。1.1wsn的应用无线传感网络(wan)非常灵活广泛，典型应用有：wan可用于医疗设备系统中传感器的无线数据连接（如无线心电图和脑电图等）。减轻患者身上医疗设备的负重。采用wsn建设农业环境自动监测系统，用同一套网络设备完成风、光、水、电、热和农药等的数据采集和环境控制，提高农业集体化生产程度，简化系统复杂性，降低设备成本。石化、冶金行业对易燃、易爆、有毒物质监测的成本一直居高不下，wsn在把部分操作人员从高危环境中解脱出来的同时，提高险情的反映精度和速度。欧洲的“delta计划”在汽车车厂前就把车载信标集成在车载计算机中，作车辆识别和车辆与路侧设备通信的必选器件，还可构成自动定位和汽车导航等更完整的应用。wsn多技术组合时，运用m2m概念，把wsn接入移动通信网络，既满足网络接入的要求，又达到低成本和灵活移动的目的，二者的完美结合可实现无所不在的通信环境和便宜实惠的应用效果。m2m与wsn联合应用最典型的是智能家居系统。1.2beetech无线传感器的优点.抗干扰能力强，安装使用方便。.实时字节秒有效数据传输更多的节点同时传输，采集过程实时监测。.体积小巧，低功耗，在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用624个月。.所有节点全过程同步采集，同步精度。.超强的设计能力，完全的自主知识产权，可按应用定制产品。1.3ieee802.15.4/zigbee简介2003年5月，ieee802.15.4标准通过，2004年，zigbee联盟成立。数据安全： zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用aes-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各个应用可灵活确定其安全属性。工作频段灵活：使用频段为2.4ghz、868mhz（欧洲）和915mhz（美国），均为免执照（免费）的频段。第2章 无线传感器的关键技术2.1zigbee技术无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议(包括mac层、路由、网络层、应用层等)，传统的无线协议很难适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求，这种情况下，zigbee协议应运而生。zigbee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只有32kb，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。这些特点决定zigbee技术非常适合应用在无线传感器网络中。与现有的各种无线通信技术相比，zigbee技术在功耗和成本上相对较低，有很大的优势。一般遇到以下情况就可以考虑使用zigbee技术：需要数据采集或监控的网点多；要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；要求数据传输可性高，安全性高；设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；电池供电；地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；现有移动网络的覆盖盲区；使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；使用gps效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。无线拓扑结构图如图2-1所示。图2-1无线传感器拓扑结构图2.1.1zigbee的由来在zigbee技术的使用过程中，人们发现zigbee技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，zigbee技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。正因此，经过人们长期努力，zigbee协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。2.1.2zigbee是什么zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳zigzag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含寓意。zigbee的基础是ieee802.15.但ieee仅处理低级mac层和物理层协议，因此zigbee联盟扩展了ieee，对其网络层协议和api进行了标准化。zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的cdma网或gsm网，每一个zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。2.1.3zigbee技术的特点省电：根据资料显示，两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间，必创无线传感可连续工作69小时。可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。网络容量大：可支持达65000个节点。安全：zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的aes-128。高保密性：64位出厂编号和支持aes-128加密。免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗(ism)频段，2.4ghz(全球)、915mhz(美国)和868mhz(欧洲)。短时延：zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要310s、wifi需要3s。低速率：zigbee工作在20250kbps的较低速率，分别提供250kbps(2.4ghz)、40kbps(915mhz)和20kbps(868mhz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。2.1.4zigbee无线网路软件zigbee协议栈由一系列分层结构组成，每一层为上一层提供服务。数据实体提供数据传输服务，管理实体提供其他功能服务。每种服务实体通过服务接入点csap为上层提供接口。phy层和mac层由ieee802154标准组制定。物理层定义了物理无线信道和mac子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线信道上收发数据。物理管理层维护一个由物理层相关数据组成的数据库。zigbee联盟基于802154标准提供了网络层和应用支持层及应用层框架。zigbee网络层提供加入和离开网络机制、对数据进行加密以及帧路由等功能。路由协议负责将数据分组从源节点通过网络转发到目的节点，主要完成两个功能：(1)寻找源节点和目的节点间的优化路径；(2)将数据分组沿着优化路径转发。为了能够高效利用能量，减少通信量，zigbee网络允许树形路由选择，即树形结构选址。有了树形路由选择，设备不必保存占有庞大内存的路由表或者进行额外的空中下载操作来发现路径，从而减小了网络流量。为避免错误信息超过一定长度的过渡路由而产生额外的流量，zigbee路由允许路由器去发现捷径。路由算法采用aodv(adhocondemanddistancevetor)算法。每个路由器维护一张路由表，并定期与其邻居路由器交换路由信息，根据最小路由矢量更新自己的路由表。应用层框架定义监护网络节点协议。无线网关连接内部无线网络与外部有线以太网，在zigbee协议帧的基础上，建立无线网关的通信协议，包括设备编号、数据流方向、数据信息等。开机上电后系统自检，硬件初始化，与远程监护服务器连接后进入数据流中继服务，实现数据协议的转换等功能。远程服务器接受连接后，随时接收传输的数据并根据需要分类保存到数据库服务器。功耗计算公式：w=vxifxtfxs+vxisx(tm-tfxs)/tmw:平均功率，单位mw；v：供电电压3.3vif：发射电流is：休眠电流tf：发送一次需要的时间s：一分钟发射的次数tm：60000ms（一分钟）两分钟间隔发送一包：130w五分钟间隔发送一包:70w。无线传感器组成局域网简图如图2-2所示：图2-2无线传感器组成局域网简图2.2时间同步技术时钟同步也叫“对钟”。要把分布在各地的时钟对准（同步起来），最直观的方法就是搬钟，可用一个标准钟作搬钟，使各地的钟均与标准钟对准。或者使搬钟首先与系统的标准时钟对准，然后使系统中的其他时针与搬钟比对，实现系统其他时钟与系统统一标准时钟同步。所谓系统中各时钟的同步，并不要求各时钟完全与统一标准时钟对齐。只要求知道各时钟与系统标准时钟在比对时刻的钟差以及比对后它相对标准钟的漂移修正参数即可，勿须拨钟。只有当该钟积累钟差较大时才作跳步或闰秒处理。因为要在比对时刻把两钟“钟面时间对齐，一则需要有精密的相位微步调节器会调节时钟用动源的相位，另外，各种驱动源的漂移规律也各不相同，即使在两种比对时刻时钟完全对齐，比对后也会产生误差，仍需要观测被比对时钟驱动源相对标准钟的漂移规律，故一般不这样做。在导航系统用户设备中。除授时型接收机在定位后需要调整1pps信号前沿出现时刻外（它要求输出秒信号的时刻与标推时钟秒信号出现时刻一致），一般可用数学方法扣除钟差。时间同步的另一种方法是用无线电波传播时间信息。即利用无线电波来传递时间标准然后由授时型接收机恢复时号与本地钟相应时号比对，扣除它在传播路径上的时延及各种误差因素的影响，实现钟的同步。随着对时钟同步精度要求的不断提高，用无线电波授时的方法，开始用短波授时（ms级精度），由于短波传播路径受电离层变化的影响，天波有一次和多次天波，地波传播距离近，使授时精度仅能达到ms级。后来发展到用超长波即用奥米伽台授时，其授时精度约10s左右，后来又用长波即用罗兰c台链兼顾授时，其授时精度可达到s，即使罗兰c台链组网也难于做到全球覆盖。后来又发展到用卫星钟作搬钟。用超短波传播时号通过用户接收共视某颗卫星，使其授时精度优于搬钟可达到10ns精度。看来利用卫星授时是实现全球范围时钟精密同步的好办法，只有利用卫星，才可在全球范围内用超短波传播时号；用超短波传播时号不仅传递精度高，而且可提高时钟比对精度，通过共视方法，把卫星钟当作搬运钟使用，且能使授时精度高于直接搬钟，直接搬钟难于使两地时钟去共视它。共视可以消除很多系统误差以及随时间慢变化的误差，快变化的随机误差可通过积累平滑消除。2.2.1gps时钟及输出全球定位系统(globalpositioningsystem，gps)由一组美国国防部在1978年开始陆续发射的卫星所组成，共有24颗卫星运行在6个地心轨道平面内，根据时间和地点，地球上可见的卫星数量一直在4颗至11颗之间变化。gps时钟是一种接受gps卫星发射的低功率无线电信号，通过计算得出gps时间的接受装置。为获得准确的gps时间，gps时钟必须先接受到至少4颗gps卫星的信号，计算出自己所在的三维位置。在已经得出具体位置后，gps时钟只要接受到1颗gps卫星信号就能保证时钟的走时准确性。我在网上看到电力系统时间同步规范中，要求电力系统gps时钟要接受8颗gps卫星的信号，精确度可想而知要多高。2.2.2时钟及时钟同步误差1、时钟误差众所周知，计算机的时钟一般都采用石英晶体振荡器。晶振体连续产生一定频率的时钟脉冲，计数器则对这些脉冲进行累计得到时间值。由于时钟振荡器的脉冲受环境温度、匀载电容、激励电平以及晶体老化等多种不稳定性因素的影响，故时钟本身不可避免地存在着误差。例如，某精度为20ppm的时钟，其每小时的误差为：(160601000ms)(20/106)72ms，一天的累计误差可达1.73s；若其工作的环境温度从额定25变为45，则还会增加25ppm的额外误差。可见，dcs中的时钟若不经定期同步校准，其自由运行一段时间后的误差可达到系统应用所无法忍受的程度。随着晶振制造技术的发展，目前在要求高精度时钟的应用中，已有各种高稳定性晶振体可供选用，如tcxo(温度补偿晶振)、vcxo(压控晶振)、ocxo(恒温晶振)等。我3月5号在702所那里也见到了应该是用于舰艇上时间补偿的机器，但是还是有待询问。2.时钟同步误差如果对类似于txp的时钟同步方式进行分析，不难发现时钟在自上而下的同步过程中产生的dcs的绝对对时误差可由以下三部分组成：gps时钟与卫星发射的utc(世界协调时)的误差这部分的误差由gps时钟的精度所决定。对1pps输出，以脉冲前沿为准时沿，精度一般在几十ns至1s之间；对irig-b码和rs-232串行输出，中科院国家授时中心的地钟产品，其同步精度以参考码元前沿或起始相对于1pps前沿的偏差计，分别达0.3s和0.2ms。dcs主时钟与gps时钟的同步误差dcs网络上的主时钟与gps时钟通过“硬接线”方式进行同步。一般通过dcs某站点内的时钟同步卡接受gps时钟输出的标准时间编码、硬件。例如，如在接受端对rs-232输出的ascii码字节的发送延迟进行补偿，或对irig-b编码采用码元载波周期计数或高频销相的解码卡，则主时钟与gps时钟的同步精度可达很高的精度。dcs各站点主从时钟的同步误差dcs主时钟与各站点从时钟通过网络进行同步，其间存在着时钟报文的发送时延、传播时延、处理时延。表现在：在主时钟端生成和发送时间报文时，内核协议处理、操作系统对同步请求的调用开销、将时间报文送至网络通信接口的时间等；在时间报文上网之前，还必须等待网络空闲(对以太网)，遇冲突还要重发；时间报文上网后，需一定时间通过dcs网络媒介从主时钟端传送到子时钟端(电磁波在光纤中的传播速度为2/3光速，对dcs局域网而言，传播时延为几百ns，可忽略不计)；在从时钟端的网络通信接口确认是时间报文后，接受报文、记录报文到达时间、发出中断请求、计算并校正从时钟等也需要时间。这些时延或多或少地造成了dcs主从时钟之间、从从时钟之间的时间同步误差。当然，不同网络类型的dcs、不同的时钟通信协议和同步算法，可使网络对时的同步精度各不相同，上述分析只是基于一般原理上探讨。事实上，随着人们对网络时钟同步技术的不懈研究，多种复杂但又高效、高精确的时钟同步协议和算法相继出现并得到实际应用。例如，互联网上广为采用的网络时间协议(networktimeprotocol，ntp)在dcs局域网上已能提供1ms的对时精度(如ge的ics分散控制系统)，而基于ieee15.8的标准精确时间协议(standardprecisiontimeprotocol，ptp)能使实时控制以太网上的主、从时钟进行亚微秒级同步。在这里我要说句废话了，现在我们公司有自己的时间补偿计算方法，但是，我不是技术部的，无法见到其公式，但我想应该这个方法可能有自己的独到之处。但是真正做到时间同步几乎是不可能的，就拿我现在做的产品来说吧，产品晶振偏差:550ppm，1s偏差550us。那么产生时延误差的原因一般有哪些呢：协议发送时延:从网络层到链路层的发送时延,受操作系统和当前的处理器负载影响,高度不确定,时延可高达几百毫秒。接入时延:链路层协议等待信道空闲的时间,受网络中流量影响很大中流量影响很大。发送时延:物理层发送数据包的时间,受包长和物理层发送速度影响,比较确定。传播时延:数据在链路上传输的时延,比较确定,可忽略。接收时延:物理层接收数据包所花费的时间,与发送时延有重叠。接收处理时延:节点处理收到的数据包,并通知相应程序所花费的时间,不确定性和协议发送时延类似。传感器在进行监测、数据传输时，要的就是时间同步，这个同步主要是在网络传输时的时间同步。时间同步是分布式系统的基础，特别是对于无线传感器网络。但由于传感器网络的特殊性，传统的时间同步方法需要改进以适应传感器网络的要求。因为时间同步需要的功耗太大，所以工程时，一般情况下长时间的监测不用时间同步。第3章 无线传感器网络无线传感器网络是基于ieee 802.15.4 技术标准和zigbee网络协议而设计的无线数据传输网络。适合用于无线工业监控，钢铁炼钢温度监控，蔬菜大棚温度，湿度和土壤酸碱度监控，智能抄表等领域。为中短距离、低速率无线传感器网络，射频传输成本低，各节点只需要很少的能量，功耗小适于电池长期供电，可实现一点对多点、两点间对等通信、快速组网自动配置、自动恢复和高级电源管理，任意个传感器之间可相互协调实现数据通信。主要用于中短距离无线系统连接，提供传感器或二次仪表无线双功网络接入，能够满足对各种传感器的数据输出和输入控制命令和信息的需求使现有系统网络化、无线化。系统设计可允许使用第三方的传感器、执行器件或低带宽数据源。主要应用温度湿度监控、压力过程控制数据采集、流量过程控制数据采集、工业监控、楼宇自动化、数据中心、制冷监控、设备监控、社区安防、环境能够数据检测、仓库货物监控。系统特点：支持zigbee网络协议无线传感器网络支持zigbee网络协议，数据传输中采用多层次握手方式，保证数据传输的准确可靠。采用2.4ghz，功率小、灵活度高，符合环保要求，符合国际通用无需批准的规范。组网灵活配置快捷无线传感器网络系统传非常容易快捷配置，组网接入灵活、方便，几台、几十台或几百台均可，最多可达6万台。可以在需要安放传感器地方任意布置无须电源和数据线，增加和减少数据点非常容易。由于没有数据线省去了综合布线的成本，传感器无线网络更容易应用，安装成本非常低。节点耗电低系统节点耗电低，电池使用时间长，支持各种类型传感器和执行器件。双向传送数据和控制命令不但可以从网络节点传出数据，而且双向通信功能够可以将控制命令传到无线终端相连的传感器、无线路由器，也可将数据送入到网络显示或控制远程设备。迅速简单的自动配置无线传感器网络终端自动配置，当终端设备上的led变绿色时，说明该终端在网络系统中。全系统可靠性自动恢复功能内置冗余保证万一个节点不在网络系统中，节点数据将自动路由到一个替换节点以保证系统的可靠稳定。系统产品服务为了用户的实际构建无线数据网络系统的需要，可以提供完整的解决方案。包括现有数据系统的接口转换，数据集中管理平台。不断的技术支持包括新增的传感器，4-20ma输入和rs-232等。无线传感器网络主要包括节点、网关、网络协议beenet、计算机采集处理软件beedata等。3.1无线传感器网络节点无线传感器网络节点主要由外接传感器、内置传感器、无线加速度节点、无线应变(1/4,1/2,全桥)节点、无线温度,湿度节点等组成。3.1.1原理框图无线传感器网络节点原理图如图3-1所示。加速度传感器应变传感器温度传感器等等。调理低通滤波主处理器数字信号处理数值计算无线通讯模块内部存储器电源模块图3-1无线传感器网络节点原理图3.1.2zigbee芯片简介位于挪威奥斯陆的chipcon公司(已在2006年被美国德州仪器ti公司收购)，作为全球领先的供应商，在低系统成本低功耗的射频芯片和网络型软件方面,发布了实用的cc2430/cc2431产品家族如图3-1所示，是世界上首个真正的单芯片zigbee解决方案，这是世界上第一个真正意义上soczigbee一站式产品，具有芯片可编程闪存以及通过认证的zigbeetm协议栈，所有都集成在一个硅片内。cc2430也是chipcon公司smartrf03家族中的一个关键部分，基于chipcon占主导地位的cc2420 zigbee无线收发器其出货量已经超越1百万片。芯片尺寸是77mm，cc2430表现出了相当清晰的设计结合了一颗强大的鲁棒射频，可编程的微控制器，闪存和ieee802.15.4，zigbee软件兼容，所有都集成到一个易用并有效的一颗芯片上。cc2430/cc2431soc家族包括3个不同产品cc2430-f32，cc2430-f64 and cc2430-f128。它们的区别在于内置闪存的容量不同，以及针对不同ieee802.14.5/zigbee应用的成本优化。图3-2 zigbee的cc2430芯片chipcon 公司的zigbee soc 解决方案对于制造商是一个巨大的飞跃，产品面向家庭和楼宇自动化，供暖、通风和空调系统，自动抄表，医疗设施，家庭娱乐，物流，和其它终端市场，这些市场都可以使用相当便宜和低功耗的cc2430/cc2431 系列无线通讯芯片。cc2430/cc2431 将让制造商开发出紧凑，高性能和可靠的无线网络产品，用该芯片作为在系统中的主动设备，并减少上市时间以及将生产和测试成本降到最低。cc2430/cc2431 结合了市场领先的z-stack zigbee 协议软件和其它chipcon 公司的软件工具，成为市面上非常全面、具有竞争力的zigbee 解决方案。它提供了一个重要的设计优势并减少了工程风险。在工业领域：利用传感器和zigbee 网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。在汽车领域：主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这就要求内置的无线通信设备使用的电池有较长的寿命（大于或等于轮胎本身的寿命），同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。在精确农业：传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和zigbee 网络后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。在家庭和楼宇自动化领域：家庭自动化系统作为电子技术的集成被得到迅速扩展。易于进入、简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家和建筑开发和应用无线技术的主要动因。在医学领域：将借助于各种传感器和zigbee 网络，准确而且实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生作出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。在消费和家用自动化市场：可以联网的家用设备有电视、录像机、无线耳机、pc 外设（键盘和鼠标等）、运动与休闲器械、儿童玩具、游戏机、窗户和窗帘、照明设备、空调系统和其它家用电器等。在国内，目前zigbee 网络应用范围非常广泛，很多我们想象不到的地方也在使用zigbee 技术。例如，在工业领域，zigbee 技术不仅用来控制照明灯的开关，它还有一个用途是检查高速路上照明灯的工作情况。以前，工程师要开车到高速路上检查哪些照明灯已经坏掉了，需要维修，但因为车速较快，不能记下所有要检修灯的编号，但通过zigbee 网络，工程师只需坐在电脑前，就很清楚地监测到整个高速路上照明灯的工作情况，这是目前一个热点应用。再如，zigbee 技术用于进出的控制，它可以记录汽车的进出，也可以用于人员进出时传输相关指纹识别数据，进行身份认证。此外，通过zigbee 网络的路由器功能，它可以用来实时监控煤矿内各点的安全状况，防止相关事故的发生。另外，在加油站，一些客户不希望布线，他们正在考虑采用zigbee 无线技术来传输相关数据。3.2应变式节点内部电路测量桥梁在载荷作用下产生的位移。分为静载测试，动载测试（挠度）。使用应变式位移传感器，分为全桥和半桥两种。1.半桥。该桥只需要一个应变片，接线简单，但受温度影响大，线长会影响量程的缺点。半桥内部电路如图3-3所示。图3-3半桥内部电路图。2.全桥应变式节点全桥内部电路如图3-4所示，该桥灵敏度高，工作片互相补偿，线电阻补偿；但需四个应变片，接线复杂。图3-4应变式节点全桥内部电路3.3网关网关芯片图片如图3-5所示。图3-5网关芯片实图3.4操作软件无线传感器网络zigbee协议栈高级开发系统c51rf-3是经济、高效、方便、快捷、可视性、可重复使用的开发工具套装，完全满足ieee802.15.4标准和zigbee技术标准的无线网络技术设计开发。该工具箱包含了构建多种zigbee 网络所需的全部硬件、软件专业开发工具、文档和各种展示、表演软件。3.4.1界面图3-6操作软件界面功能特点：(1)、具有usb 高速下载、支持iar 集成开发环境；(2)、具有在线下载、调试、仿真功能；(3)、提供zigbee 协议栈源代码；(4)、所有例子程序以源代码方式提供；(5)、灵活配置。根据需求可选配多种扩展开发板；(6)、开发方便、快捷、简单； (7)、c51编程。熟悉、顺手、入手快； (8)、具有液晶显示。直观、明了； (9)、扩展板提供各种扩展、多种传感器；usb 接口，使zigbee 开发与计算机连接更加简单快捷。高速代码下载，仿真器提供高达129k bit/s 的下载速度，把程序下载到cc2430/cc2431 的zigbee 模块只需要几秒就完成。在线下载、调试、仿真。硬件断点调试，类似jtag 的硬件断点调试，可实现单步、变量(寄存器)观察等全部c51 源代码水平的在线调试debug 功能。支持iar 的c51 编译/调试图形ide 开发平台。专业设计，系统稳定可靠，噪声干扰小。提供款符合ieee 802.15.4 标准的zigbee 无线网络高频模块，主要面向多种工业、商用及家庭应用。该模块中含有chipcon 的世界上第一个真正意义上soc 的zigbee 一站式产品cc2430/cc2431 。cc2430/cc2431 的zigbee 无线模块具有802.15.4/zigbee 全兼容的硬件层、物理层，因此它可通过符合现有规范的物理层(phy)和媒体访问控制(mac)层实现无线通信，更易于开发zigbee 原型和产品。在zigbee 无线网络系统中，此模块可用作协调器、终端节点、路由节点。cc2430/cc2431 的zigbee 无线模块采用的是cc2430/cc2431f-128 的片上系统，具备了高速、超低功耗8051 内核、128k 大容量闪存、8k 的sram、128k bit/s 的高速无线通信接口。cc2430/cc2431 的zigbee 无线模块采用dsss 频谱传输，自动跳频，防冲突，防碰撞从而提高传输可靠性。待机状态下工作电流仅为0.2a 而实现更低功耗。集成mcu ，多种外围电路的高度集成。易用，底层实现库类丰富，功能完善，源代码开放、标准化。3.4.2软件设置及步骤（以应变节点为例）1.打开beetech文件，可见窗口如上图所示。2.按设置选项进行设置，具体情况如下：【测量设置】：内含【量程】及【采样率】。【量程】：为15000.00，此量程为四分之一桥路状态下测定；【采样率】：分为1sps，10sps，20sps，50sps，100sps及200sps（sps=每秒采样频率）六档采样率，适用与静态测试及准动态测试要求，可根据工况需要选择。【通道设置】：在此菜单中可通过勾选来设定使用应变节点内的通道数量；通过点击下拉菜单设置应变节点中每个通道的采样方式，分为四分之一桥，半桥及全桥。必创无线应变节点各个通道可进行独立设置，各信道可独立设置四分之一桥，半桥及全桥的测量方式（桥路连接方式请参考必创无线应变节点使用说明）。注意：为达到最佳数据采集及数据波形观测效果，建议在设置时，采样率为截止频率的4倍以上。【模式设定】：设定节点的工作状态，包括数据传输方式及存储方式。内含【传输选择】，【存贮选择】，【触发选择】，【触发通道】及【触发数值】。【传输选择】：设定节点采集数据的传输方式及内部存贮flash的工作状态。分为实施传输采样数据：节点采集数据进行实时无线传输，不在内部存贮flash进行存贮；实时传输同时保存在存贮芯片：节点采集数据进行实时无线传输，并在内部存贮flash进行存贮；采样数据保存在存贮芯片：节点采集数据但不进行实时无线传输，数据在内部存贮flash进行存贮。【存贮选择】：在选定内部存贮flash进行存储后的存贮方式选择。分为，存满时覆盖原数据：当使用内部存贮flash，当存贮状态为满时，节点会继续采集数据并覆盖内部存贮flash内的原有文件；存满时停止采样：当使用内部存贮flash，当存贮状态为满时，节点会停止将采集到的数据存入内部存贮flash内。注意：当存储超过80%时，节点会向接收端计算机回发信息，提醒用户注意剩余空间不足20%。【触发选择】：设定数据采集的初始条件。分为：计算机直接控制：由计算机控制数据采集开始，与触发数值无关。大于/小于设定值触发：当触发通道采集到高于或低于设定值时进行记录。与【触发通道】及【触发数值】同时使用。上升沿/下降沿高于/低于设定值触发：当上升沿/下降沿经过触发值时进行记录。与【触发通道】及【触发数值】同时使用。注意：x1=a、x2=b为数据中顺序两点，且。当ab时，为上升沿，反之，当ab时，为下降沿。【触发通道】：设置需要触发的通道。注意：所选触发通道必须为【通道设置】内所选定的通道。图3-7无线应变节点【触发数值】：输入触发值。注意：当设定上升沿/下降沿触发时，触发值须在变化沿区间内。即，参照【触发选择】注意事项，触发值须在a，b区间内。3开始采集数据(1).点击选中所需开始采集数据的节点（如图3-8），点击测量菜单内的【开始采集】/或点击工具栏内按钮/或右键点击所选节点，在所弹出对话框内的按钮，可对选定节点进行采集；图3-8(2)状态提示栏内将返回开始采样确认信息（如图3-9），节点的link灯开始闪烁；图3-9(3)采集的曲线或数值将显示在显示窗口（图3-10）；图3-104数据记录，点击选中需数据记录的节点，点击测量菜单内的【采样记录】/或点击工具栏内按钮/或右键点击所选节点，在所弹出对话框内的按钮，弹出记录对话框（如图33），设置完毕点击确认，开始记录数据，在【记录状态】栏内会有记录显示，如图3-11。其中总点数为该通道采样率与记录时间的乘积。图3-11图3-12存贮数据的格式与【记录格式配置】中设置一致，并会在记录完成后生成文件在相应目录下。记录完成，数据传输不会停止。5停止采集，点击选中所需开始采集数据的节点（如图3-12），点击测量菜单内的【停止采集】/或点击工具栏内按钮/或右键点击所选节点，在所弹出对话框内的按钮，可将选定节点的采集停止；图3-13为采集时软件界面：第4章 无线实验设计及测量数据4.1桥梁概况洛阳市定鼎路立交桥位于洛阳市西工区九都路定鼎路交口，为互通蝶形立交，包括2个钢筋混凝土连续箱形梁主桥（左、右线桥）和4（c、d、h、g）个匝道连续箱形梁桥和4个匝道通道桥（a、b、e、f），桥梁总宽40米，行车道宽15米，主跨跨径2125米。桥梁总计为80孔（主桥46跨、通道桥9跨、匝道桥25跨）。该桥设计荷载等级为汽-超20、挂120；桥梁抗震设防烈度为7度；于1996年竣工，至今已使用11年。为保证桥梁安全性和为日后桥梁养护维修管理提供必要的科学依据，拟对其工作状况及承载性能进行检查检测，由于该桥设有匝道，本次检测需对所有匝道左弯道离心位移变形测试。图4-1定鼎路立交桥全貌4.2试验目的检测该桥结构的刚度、强度和整体受力性能。对结构是否满足原有设计荷载或现有限载的安全运行要求做出综合评价，如不满足目前的荷载要求，并提出相应的措施。4.3静载试验该桥为等截面连续箱形梁桥，至今已经使用11年，是联系四方的交通要道，车流量非常大，因此为充分了解该桥的现状承载能力，综合考虑各种因素，同时从安全角度考虑，决定该桥按原设计荷载等级汽-超20级的标准进行加载试验。以下是该桥试验过程的一些工作照。图4-2桥梁荷载试验现场照片4.3.1试验目的待测桥跨控制截面在试验荷载作用下的应变；待测桥跨开裂截面主受力钢筋在试验荷载作用下的应变增量；待测桥跨控制截面在试验荷载作用下的挠度；待测匝道弯桥在荷载作用下的位移和应变。4.3.2测试截面的测点布置由于该桥结构为等截面连续箱形梁桥，匝道是小半径弯道桥，因此确定对跨中和支座截面进行相应测点的布置。图4-3测试截面的测点布置1、跨中截面测点布置该截面的中梁腹板存在部分细小裂纹，边梁腹板有沿钢筋方向的纵向裂缝，结合现场工作条件，选择该跨进行加载试验，应变测点布置如图3所示，挠度测点参见图4-3。图4-4跨中截面应变测点布置图图4-5跨中截面挠度测点布置图表4-1跨中截面测点类型、编号安排及布置说明类型测点编号测试目的振弦应变测点c匝道外侧3，内侧4；d匝道外侧3，内侧4；h匝道外侧3，内侧4；g匝道外侧4，内侧3；左线桥北侧3，南侧4；右线桥南侧3，北侧4；了解在该跨最大正弯矩加载工况下，该截面梁底应变变化情况，进而判断该梁承载能力和扭转状况挠度测点c匝道外侧8，内侧9；d匝道外侧8，内侧9；h匝道外侧8，内侧9；g匝道外侧9，内侧8；左线桥北侧8，南侧9；右线桥南侧8，北侧9；了解在该跨最大正弯矩加载工况下，该截面梁底挠度变化情况，进而判断该梁抗弯、抗扭刚度变化情况2、支座截面测点布置图4-6支座截面应变测点布置图表4-2支座截面测点类型、编号安排及布置说明类型测点编号测试目的振弦应变测点c匝道外侧1，内侧2；d匝道外侧1，内侧2；h匝道外侧1，内侧2；g匝道外侧2，内侧1；左线桥北侧1，南侧2；右线桥南侧1，北侧2；了解在该跨最大负弯矩加载工况下，该截面腹板应变变化情况，进而判断该梁支座处截面的承载能力和扭转状况挠度测点c匝道外侧6，内侧7；d匝道外侧6，内侧7；h匝道外侧6，内侧7；g匝道外侧7，内侧6；左线桥北侧6，南侧7；右线桥南侧6，北侧7；了解在该跨加载工况下，该支座的变化情况，同时对判断该梁的变形位移状况提供边界条件墩柱应变测点5；柱身中段了解在该跨在加载工况下，柱子应变变化情况，进而判断柱子的工作性能4.3.3测试方法1、混凝土应变测试方法静载试验是在应变测点位置粘贴传统传感器，所有测点均联入sg402无线应变数据采集系统进行应变的实时数据采集读数。2、挠度测试方法主要采用在挠度测点位置搭设脚手架，帮扎好电子位移计上顶于梁底部，所有测点均联入sg402无线应变数据采集系统进行实时挠度数据采集读数。4.3.4试验加载计算及加载等级的确定定鼎立交桥为等截面连续箱形梁，设计荷载等级为汽-超20，挂-120，至今已经使用11年，综合该桥的现状外观检测和检查结果，该桥按照设计车辆荷载汽-超20（含重车）等级进行荷载验算，根据汽-超20的车辆荷载的排列。加载试验各联所取试验跨为：d匝道取34段，c匝道取45段，h匝道取34段，g匝道取23段，左线桥取78段，右线桥取23段。根据连续梁跨中影响线进而确定加载效率和加载等级的布置，具体详见下面的图。1、影响线计算根据有限元软件对该桥的跨中弯矩影响线进行计算，由于该桥为连续箱梁，为保证计算的准确性，每个试验段取其所在的所有联进行计算，下图是各试验联桥跨的影响线计算结果图d匝道跨中弯矩影响线图4-7第4跨跨中弯矩影响线c匝道跨中弯矩影响线图4-8第5跨跨中弯矩影响线h匝道跨中弯矩影响线图4-9第4跨跨中弯矩影响线g匝道跨中弯矩影响线图4-10第3跨跨中弯矩影响线左线桥试验联跨中弯矩影响线图4-11跨中弯矩影响线右线桥试验联跨中弯矩影响线图4-12跨中弯矩影响支座负弯矩影响图4-13支座负弯矩影响线4.4 试验流程4.4.1静载试验本次静载试验安排在气温变化不大，外界气候条件较好及外界车流量较小的午夜进行，试验时间为12月1日7日的后半夜，每天00：30开始，约02：50结束，历时近3个小时，试验用温度节点试验用加速度节点试验用应变节点如图4-14所示，试验的具体过程如下：图4-14试验用温度节点试验用加速度节点试验用应变节点 仪器调试与模拟试验试验仪器能否正常工作是试验的成功关键，因此在本次试验前对所有测试仪器、设备进行了仔细的标定和调试，并在正式荷载试验前采用一辆试验加载车进行了模拟试验，确认所有测点都处于有效的工作状态。 初始化读数由于无线测试系统具有可以任意时段作为起始时间零读数的特点，只需某一时间将系统初始化，所有测点读数即归为零位，后续读数皆为此时刻的相对变化量，故在被测桥梁稳定后对整个系统进行初始化操作。 加载在正式试验前，按照试验方案在桥面上标出详细显目的加载位置，并在试验过程中安排专人指挥车辆摆放，同时应避免在车辆调配过程中出现短时越级加载的情况发生。由于无线应变测试系统具有实时数据监控的能力，故一旦出现测点应变和挠度超过控制值和规范规定值或桥梁发生其它损坏影响其承载能力和正常使用时，可立即停止加载，将加载车辆撤出桥跨。 稳定后数据采集加载后的结构变形和内力都需要有一个传递和稳定的过程，对不同的结构这一过程的长短都不一样，一般以控制点的应变值和挠度值稳定为准，只要读数波动值在允许范围以内，就认为结构已处于相对稳定状态，可以进行数据采集工作，通常从加载完毕到数据采集的最短时间为5min 。 下一级加载对采集后的数据进行初步分析后，确定下级加载水平，试验桥跨进行下一级循环加载。如此反复，直至加载至最高级别荷载。 完全卸载读数在最高级别荷载数据采集完毕确认无误