【摘要】： 桥梁的建设和维护是国家基础设施建设的重要组成部分,桥梁健康监测技术能有效的保证桥梁的安全运营,保障人民群众的生命财产安全。桥梁健康监测系统通过对桥梁结构状态的监测与分析,为桥梁在特殊气候、复杂交通环境下和桥梁结构状况异常时发布预警信号,为桥梁的管理、养护与维修提供科学的依据。目前国内外桥梁监测系统大多为有线网络系统,存在着网络安装布线成本高昂、设备移动和网络结构灵活性差、节点智能化程度低等问题。为此,本文提出并设计实现了基于Zigbee协议的无线传感器桥梁健康监测网络系统。与传统的桥梁监测系统相比该系统具有成本低、可靠性高、安装方便、维护更新费用低等优势。 论文针对桥梁健康监测技术的发展现状和无线传感器网络技术的应用,阐述了无线传感器网络的结构、分层模型和关键技术,将Zigbee技术应用于桥梁健康监测的无线传感器网络。对TI的基于Zigbee2006标准的协议栈Z-Stack进行了剖析。设计了适用于桥梁健康监测的网络拓扑结构,结合系统监测指标,给出基于Zigbee桥梁健康监测系统总体方案。 论文根据系统的总体结构,给出了系统的详细硬件设计方案,结合桥梁健康结构监测的需求及无线传感器网络特点,搭建了以ATmega128L微处理器模块和CC2420无线收发模块为核心的模块化独立分层设计系统架构。 论文设计了基于Z-Stack协议栈的Zigbee桥梁健康监测节点软件,给出终端节点和协调器的组网流程,实现了数据采集和与监控主机通信。在监控主机服务器端,编写串口驱动程序、对数据库的访问,实现了数据的实时显示和对历史数据的查询。 为验证本文所设计的无线传感器桥梁健康监测系统的有效性与可靠性,在某桥上进行实际测试实验。实验结果表明,基于无线传感器网络的智能桥梁健康监测系统,实现了数据的在线采集,能够对桥梁的健康状况实时监测。 论文最后提出系统设计中存在的不足和需要改进的问题。 【关键词】：桥梁健康监测 无线传感器网络 Zigbee Z-Stack协议栈 CC2420
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP274.4
【DOI】：CNKI:CDMD:2.2009.224788
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 研究背景、意义9-13
• 1.1.1 桥梁健康监测系统概述9-10
• 1.1.2 桥梁健康监测系统构成10-11
• 1.1.3 桥梁健康监测发展概况11-12
• 1.1.4 传统监测方法及缺陷12-13
• 1.2 无线传感器网络研究综述13-16
• 1.2.1 无线传感器网络概述13-15
• 1.2.2 无线传感器网络在健康监测中的研究现状15
• 1.2.3 无线传感器网络应用于桥梁监测中的优势15-16
• 1.3 Zigbee 协议概述16-18
• 1.3.1 Zigbee 技术的特点16-18
• 1.3.2 Zigbee 与其他几种无线通信协议的比较18
• 1.4 论文的主要内容18-20
• 2 Zigbee/IEEE802.15.4 标准20-28
• 2.1 Zigbee/IEEE802.15.4 标准介绍20-23
• 2.1.1 Zigbee 协议架构20-21
• 2.1.2 Zigbee 的网络配置21-23
• 2.2 Z-Stack 协议栈介绍23-27
• 2.2.1 OSAL 任务25-26
• 2.2.2 地址分配26
• 2.2.3 Z-Stack 中的绑定26-27
• 2.2.4 确认帧27
• 2.3 本章小结27-28
• 3 基于 Zigbee 的无线传感器网络监测系统总体设计28-39
• 3.1 桥梁健康监测要求28-29
• 3.2 系统构成29
• 3.3 系统总体设计29-31
• 3.4 系统硬件设计31-38
• 3.4.1 传感器模块设计32-34
• 3.4.2 WSN 节点MicaZ 分析34-38
• 3.5 本章小结38-39
• 4 基于 Zigbee 无线传感器网络系统软件设计39-55
• 4.1 系统软件总体设计39-40
• 4.2 协调器的软件设计40-42
• 4.2.1 协调器组网设计41-42
• 4.2.2 协调器接收数据设计42
• 4.3 网络终端节点的软件设计42-45
• 4.3.1 终端节点入网设计43-44
• 4.3.2 终端节点数据发送设计44-45
• 4.4 无线通信模块程序设计45-48
• 4.4.1 数据帧格式45-46
• 4.4.2 初始化46
• 4.4.3 发送/接收子程序46-48
• 4.5 软件低功耗设计48-50
• 4.6 监控主机软件设计50-54
• 4.6.1 串口通信实现50-51
• 4.6.2 数据实时显示51-53
• 4.6.3 数据存储和历史数据查看53-54
• 4.7 本章小结54-55
• 5 系统运行实验及分析55-62
• 5.1 系统运行实验环境55-57
• 5.1.1 实验环境55
• 5.1.2 实验平台搭建及监测内容55
• 5.1.3 传感器测点布置55-56
• 5.1.4 监测中的问题及解决方法56-57
• 5.2 监测采集数据57-61
• 5.3 本章小结61-62
• 6 结论与展望62-64
• 6.1 结论62
• 6.2 展望62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-68
• 附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录68