1、ZigBee无线通信技术及其在桥梁检测中的应用解析:贾薇薇 Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术 第 5卷第 36期 (2009年 12月 ZigBee 无线通信技术及其在桥梁检测中的应用王丽丽 , 王运生 , 周振红(郑州大学 , 河南 郑州 450002摘要 :随着通信技术的不断发展 , ZigBee 应运而生 。 它是新兴的无线通信技术 , 与其他的无线通信技术相比 , 有其自己的独特优势 。 桥梁工程技术的发展趋势需要更新的桥梁检测技术 , 检测数据的传输 、 及时更新等都需要通信技术的支持 。 ZigBee 无线通信技术的 广泛应用使其应
2、用在桥梁检测上成为可能 , 桥梁检测技术的飞速发展也使桥梁检测应用 ZigBee 无线通信技术成为必要 。 基于上述 思想 , 将 ZigBee 应用于桥梁检测并在此基础之上开发出一套新的桥梁检测仪器是最终目的 。关键词 :ZigBee ; 无线通信 ; 桥梁检测中图法分类号 :TP393文献标识码 :A 文章编号 :1009-3044(200936-10368-03The Application of ZigBee Wireless Communication to Bridge DetectionWANG Li-li, WANG Yun-sheng, ZHOU Zhen-hong(Zhen
3、gzhouuniversity, Zhengzhou 450002, ChinaAbstract:Along with constant development of communications technology ZigBee emerged. It is new wireless communications technolo -gy and it is distinct. It has more advantages in comparison with other wireless communications techniques. The development trend o
4、f bridge engineering techniques needs new bridge detecting techniques. Transmitting and updating data timely needing support by commu -nications technology. ZigBee has widespread use which makes it s using on bridge detection possible. Fast developing bridge detection technology makes using ZigBee e
5、ssential.Based on above idea, to use ZigBee on bridge detection and develop a set of bridge detecting in -strument are final aim.Key words:ZigBee; wireless communication; detection of bridge随着信息技术的发展 , 人们对网络通信技术的要求不断提高 , 传统数字化设备的有线连接给人们随时随地与信息网络相连和 通信带来了很多不便 。 发展无线通信技术将人们从有线连接的束缚中解放出来 , 已经成为一种必然趋势 。
6、近几十年来 , 科学技术的快速发展推动了桥梁工程技术的飞跃 , 随着桥梁不断往新颖桥型 、 大跨径的方向发展 , 桥梁的检测试 验技术也不断地更新和改进 。 另外 , 随着国内路网改造 、 旧路改建和公路等级的提升 , 交通量的日渐增大 , 重型车辆的日渐增多 , 对 原有的公路旧桥的通行能力要求越来越高 , 确定此类公路桥梁的实际使用状况和实际承载力就显得尤为迫切 。目前的无线通信技术主要致力于如何提高通信速率 , 而相对于简单无线连接的应用领域 , 如工业现场 (桥梁检测 各种传感器 的参数收集等由于数据量传输量小 , 并不需要很高的传输速率 。 如果使用现有的 、 过于复杂的无线通信技术
7、将消耗很多能量 , 并且 占用过多的计算和通信资源 , 同时也增加了设备成本 。 2002年 8月 , 由英国的 Invensys 公司 、 日本三菱电气公司 、 美国摩托罗拉公司 以及荷兰飞利浦半导体公司成立了 ZigBee 联盟 , 并于 2004年 12月 , 正式公布了无线通信技术 ZigBee 的 1.0标准 。 基于这种现状 , 本文提出将 ZigBee 应用于桥梁检测与评价中去的设想 。1ZigBee 无线通信技术特点目前 , 一种新的无线通信技术 “ ZigBee ” 技术引起了人们的关注 。 ZigBee 这个名字来源于蜂群使用的赖以生存的通信方式 , 蜜蜂通过跳 Zigza
8、g 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置 、 距离和方向等信息 1。ZigBee 技术是一种近距离 、 低复杂度 、 低功耗 、 低速率 、 低成本的双向无线通信技术 3。 工作在 2.4GHz 的 ISM 频段上 , 传输速率 为 20kb/s 250kb/s传输距离为 10m 75m 。 主要适用于工业控制 、 传感和远程控制领域 。 它依据 IEEE 802.15.4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 , 因此它们的通信效率非常高 。 它适合于承载数据量较小的业
9、务 , 可以嵌入各种设备 , 同时支持地理定位功能 。 与 ZigBee 兼容的设备有着网状的拓扑结构 , 这可大大延伸单个节点的传输范围 。 其网络结构如图 1所示 。 ZigBee 无线通信技术与其他的无线通信技术相比有着自己的特点 2, 5:1 低功耗 :由于 ZigBee 的传输速率低 , 发射功率仅为 1mW , 而且采用了休眠模式 , 功耗低 , 因此 ZigBee 设备非常省电 。 据估算 , ZigBee 设备仅靠两节 5号电池就可以维持长达 6个月到 2年左右的使用时间 , 这是其他无线设备望尘莫及的 。2 成本低 :ZigBee 模块的初始成本在 6美元左右 , 估计很快就
10、能降到 1.5 2.5美元 , 并且 ZigBee 协议是免专利费的 。 低成本对于 ZigBee 也是一个关键的因素 。收稿日期 :2009-10-05作者简介 :王丽丽 (1985-, 女 , 河南濮阳人 , 硕士生 , 研究方向为岩土工程信息技术 。1009-3044Computer Knowledge and Technology 电脑知识 与技术 Vol.5,No.36, December 2009, pp.10368-10370E-mail:kfyjTel:+86-551-56909635690964Computer Knowledge and Technology 电脑知识 与技
11、术 第 5卷第 36期 (2009年 12月 3 时延短 :通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短 , 典型的搜索设备时延为 15ms 。 因此 , ZigBee 技术适用于对时延要求苛 刻的无线控制 (如工业控制场合等 应用 。4 网络容量大 :一个星型结构的 ZigBee 网络最多可以容纳 254个从设备和一个主设备 , 而且网络组成灵活 。5 可靠采取了碰撞避免策略 , 同时为需要固定宽带的通信业务预留了专用时隙 , 避开了发送信息的竞争和冲突 。 MAC 层采用了 完全确认的数据传输模式 , 每个发送的数据包都必须等待接受方的确认信息 。 如果传输过程中出现问题可以进行重发 。6 安全
12、 :ZigBee 提供了基于循环冗余校验 (CRC 的数据包完整性检查功能 , 支持鉴权和认证 , 采用了 AES-128的加密算法 , 各 个应用可以灵活确定其安全属性 。2桥梁检测的研究内容桥梁检测的主要研究内容包括现场荷载试验与信号处理 、 数据分析与安全性评价和仪器设备研发等内容 。 荷载试验包括静载 和动载试验检测两方面 。2.1桥梁结构静载试验静荷载试验指的是将标准设计荷载或标准设计荷载的等效荷载施加于桥梁结构的指定位置 , 对桥梁结构的应变分布 、 变形量 进行检测 , 以此对桥梁结构性能做出评估 6。 桥梁静荷载试验内容主要包括以下几个方面 。1 试验方案的设计准备阶段 :根据
13、试验目的和要求 , 对桥梁结构和相关资料进行必要的理论的分析和核算 , 补充必要的材料力 学性能试验 , 在此基础之上有针对性地拟定周密合理的试验方案 。2 静载试验的加载与观测阶段 :在充分准备的基础上 , 按照预定的试验方案 , 对结构施加试验荷载 , 通过各种测试仪表进行观 测 , 取得试验数据 。3 对试验资料的计算分析阶段 :本阶段的主要工作有 , 结构挠度的计算 , 测点应力的计算 , 截面应力的计算 , 主应力的计算 , 求 残余变形值 , 荷载横向分布影响线的计算等 。4 对试验结构的性能分析阶段 :通过对试验资料的整理计算 , 对桥梁结构进行强度 、 刚度 、 抗裂性能 、
14、裂缝宽度等几个方面的研 究分析 。2.2桥梁结构动载试验进行桥梁动力荷载试验 , 首先应设法使桥跨结构产生振动 , 然后通过传感器 、 放大器和记录系统记录下振动物理量的时间历程 曲线 。 对于公路实桥桥跨结构 , 简便易行的方式是采用一辆或多辆并行满载重车进行跑车 、 跳车和刹车试验 。 对铁路桥则以一定型 号机车牵引满载车列以不同速度过桥或桥上制动 。 桥梁荷载试验检测内容主要包括一下几个方面 。1 结构固有频率的测定 。 2 结构阻尼性能的测定 。 3 振型的测定 。 4 结构动力响应的测定 (振幅 、 频率 、 位移 、 应力等 , 动挠度 与静挠度的比值称为活荷载的冲击系数 , 活荷
15、载冲击系数综合地反映了动力荷载对桥梁结构的动力作用 。3桥梁检测设备的发展趋势现在是开始为检测桥梁和其它土木结构开发智能 、 有效 、 低成本的检测系统的时候了 。 系统应包括多路传感器 , 具有不同的探测能 力 , 能够同时对静荷载信号和动荷载信号进行检测 。 它既能运用无线技术把数据传送到监测中心去 。 可以预见 , 现代传感技术 、 无线遥 测技术和无线通信技术的结合应用将为桥梁结构创造出杰出的无损检测系统 , 最终使无损检测技术融入桥梁健康监测系统中 。 目前桥梁荷载试验技术已经向着测试多样化和测试仪器的高精度 、 小型化无线传输和智能化方向发展 。 随着计算机和终端设 备的广泛使用
16、, 促使各种试验设备自动化水平不断提高 。传统的动静载试验方法载长期的实际运用中有其固有优势 , 如它主要是以关键部位的应力和挠度校验系数为准进行既有桥梁 的评价 , 评定方法较为简便实用 ; 但是该试验方法在其运用过程中也同时存在着一些缺点和不足 , 比如试验工作面大 、 加载时间较 长 、 费用高 、 通常需要较长时间中断交通等 , 并且测试数据是离散的单点数据 , 导致其测试可靠性和准确性不易得到保证等 7。 因此 , 传统的方法有待进一步改进 , 利用 ZigBee 技术就能够解决这些难题 。近年来以美国为首的西方国家开始研制基于集成化系统的桥梁测试评价体系 , 并取得大量成果 。 并
17、且 ZigBee 无线通信技术的 发展使其在社会各个领域的应用越来越广泛 , 我们发现将现代无线通信技术应用于桥梁检测系统有很大的必要性 , 尤其是在桥梁 检测系统各种数据信号采集方面 。4ZigBee 在桥梁检测中的应用MaxStream 用户根据不同的需要已将无线模块应用到了很多领域 , 据调查 MaxStream 到目前为止还没有在震动阻尼方面作过正 式的试验 , 但用户的实际经验告诉我们 , 集成 ZigBee 技术的很多模块已经广泛应用 , 甚至包括那些工作环境恶劣 (如强震动环境 中 :1 铲车震动监控系统2 高海拔火箭研究系统3 舰队监控系统4 采矿设备监控5 无人驾驶飞机控制系
18、统6 卧式钻床7 农业设备监控8 直升飞机操作员控制台ZigBee 的这些特点使其与其它网络通信相比更具有独特的优势 , 这也是这项技术能在很多领域很好应用的内在原因 , 这也为 10369 :贾薇薇 Computer Knowledge and Technology 电脑知识 与技术 第 5卷第 36期 (2009年 12月 (上接第 10341页 5结束语随着高等学校的办公自动化不断的深入 , 教学设备的数据逐年增加 , 管理用好现有的教学设备 , 科学地配置教学技术装备 , 充 分发挥其效益 , 具有重要意义 , 学校设备管理系统的完成提高了高校对学校设备的管理效率 , 实现了设备管理的
19、信息化 、 网络化和 规范化 。参考文献 :1曹威 , 姚湘娥 . 高校实验室设备管理系统设计与开发 J.技术与创新管理 ,2008,3(29.2贾秀萍 , 孟丽丽 , 张光辉 , 路志学 , 基于 B/S模式的设备管理信息系统 J.装备制造技术 ,2008,5. 3崔南方 , 周二华 . 基于流程的设备管理信息系统 J.计算机工程与应用 ,2002,38(5.4Alexandre Muller,Adolfo Crespo-Marquez,Benoit Iung, On th concept of e-maintanance,review and current researchJ.Relia
20、bilityEn -gineering and System Safety,2007(8:16-42.5Martin F,Patterns of Enterprise Application Architecture.Pearson Education,2002.将 ZigBee 技术引进桥梁检测中提供了可能性 、 打下了基础 、 也指引了道路 。ZigBee 主要用于中短距离无线系统连接 , 系统设计可允许使用第三方的传感器 。 能够对各种传感器进行无线控制和数据传输 。 ZigBee 定义了三种节点类型 :协调器 、 路由器和终端设备 。 协调器可以通过选择网络的工作信道和个域网识别标志
21、(PANID 来启动一个 ZigBee 网络 。 一旦网络启动 , 路由器和终端设备就能加入网络 。 协调器和路由器都能通过网络发射和路由数据 , 并且允许其它的路由器和终端设备加入 。 当设备加入 ZigBee PAN 时 , 设备间的父子关系即形成 , 加入的设备为子 , 允许加入的设备为父 。 由于终端 (传感器 +8051/ARM+ZigBee 可同时具有路由器的功能 , 所以一个终端的数据可以通过其它终端的路由最终传递到协调器一端 。 如果终端设备不参与路由数据 , 则在不发射和接收数据时可以休眠 。 嵌入 ZigBee 技术的星状 、 网状拓扑结构如图 2所示 。基于上述实际情况
22、, 在实际的桥梁检测系统中 , 我们可以将终端布于桥梁的相应位置 , 在桥梁静载试验或动载试验过程中通过 传感器将各数据信号 (模拟信号 采集起来 , 通过模数转换 (A/D 转换成数字信号 , 以数字信号的形式直接传输或通过路由器传输到 无线协调器 , 最终传输到终端设备电脑中 , 通过数据控制中心电脑显示出来 , 在远处的数据控制中心进行数据分析处理 , 从而达到 用户自己想要的结果 , 并通过这种结果实现对桥梁的检测 。当信号采集远离数据处理中心时 , 将 XStream 模块和做协调器的 XBee 模块联接在一起 , 在数据接收中心也使用 XStream 模块 接收数据 , 这样就实现
23、了通讯距离的扩展 。 虽然 XStream 模块不能支持自动组网功能 , 但是它支持级跳功能 , 所以也可以实现更长距 离的通讯 (室外 16km , 这样可实现远距离的数据的采集和监控 。由此可见 , 将 ZigBee 技术应用于桥梁检测方面既能满足桥梁检测的需要又能充分利用 ZigBee 技术的优势节约能源 、 提高效 率 。 这篇文章意在将 ZigBee 技术应用在桥梁检测数据信号采集和传输过程中 , 进而想利用 XBee 开发套件 (XBee-S2模块 (40m/120m 、 XBee-Pro 模块 (100m/1.6km、 USB&RS-232接口电路板 、 API 或者 AT 命令
24、 开发出一套新的桥梁检测设备 。5结束语文章分别分析研究了 ZigBee 无线通信技术和桥梁检测内容 , 根据 ZigBee 技术的特点 、 应用现状以及桥梁检测需求提出将 Zig -Bee 技术应用在桥梁检测中的设想 , 并通过进一步分析讨论得出将 ZigBee 技术应用在桥梁检测中是必要的 、 也是可行的 , 另外 , 将 该项技术成功应用的话不仅仅会使得该无线通信技术的优势得到进一步的发挥 , 并且也会推动桥梁检测技术的进一步发展 , 给社 会带来巨大的效益 。 目前的任务是如何在这一思路的指引下开发出一套适用于桥梁检测的仪器设备 , 这是有待于进一步的研究和 解决的问题 。参考文献 :
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