無線傳感器網絡是當前國內外科技領域的研究熱點，節點具有功耗低、體積小、智能化程度高等特點。將無線傳感技術應用于橋梁健康監測，有利于整個監測系統的小型化、低成本和智能化發展。目前，無線傳感器針對橋梁健康監測方面的應用主要有：UC Berkelev的SukunKim等人設計了基于TinyOS的無線傳感器網絡系統，并實現了對金門大橋結構健康的監測。Stanford的Jerome P．Lynch等人設計了一種無線組塊監測系統（Wireless Modular Monitoring Systems，WMiMS），并在美國Alamosa峽谷的大橋進行了試驗。在上述應用中都組建了具有多跳路由的無線傳感器網絡，應用加速度傳感器檢測橋梁振動數據，經過數據處理最終得到橋梁振動的固有頻率來判斷橋梁的健康情況。

　　文中應用3G無線傳感器網絡技術，研究并開發了基于無線傳感器網絡的集群式橋梁健康監測系統，可實現區域內多座橋粱的集中統一健康監測，為區域內多座橋梁的統一維護和管理決策提供依據和指導。

　　1 系統結構

　　系統結構如圖1所示。整個系統由無線傳感層、TD網關層和中央控制層3層組成。其中，無線傳感層為基于IEEE802．15．4協議的ZIGBEE無線傳感網絡，用以在被測區域內采集傳感數據，并進行初步濾波處理。無線傳感層采集的數據匯聚到TD網關層，實現監測數據的本地短時存儲和3G無線傳輸。該層的3G無線處理單元為基于ARM9的32位嵌入式系統，通過SPI總線和RS232總線分別連接ZIGBEE模塊和基于TD-SCDMA的3G無線模塊，從而實現無線傳感網絡與3G無線網絡的無縫對接。同時，在每個3G無線處理單元中，設計了2G的TIF卡存儲空間，可實現采集數據的本地短期保存。中央控制層（橋梁集群健康實時監測中心）為基于TCP／IP協議，采用SOCKET服務器模式的中央機房，可實現對散布在較大區域內的多個橋梁健康狀態數據采集子系統采集數據的接收，長時間存儲、橋梁監測數據分析、橋梁狀態評估及壽命預測等一系列復雜功能。

　　2 無線傳感系統硬件構成

　　無線傳感系統硬件設計主要涉及無線傳感層的ZIGBEE采集單元和TD網關層的3G無線處理單元。該兩種單元均采用AT91SAM9G20作為核心處理單元，內嵌LINUX操作系統，ZIGBEE模塊采用TI公司的CC2530模塊，3G模塊采用華為公司的EM560?？紤]到準確計時和批量保存數據的需要，擴展了I2C總線的外部時鐘芯片1337和采用備用電池供電的外部靜態ROM存儲單元CY62157ESL。

　　2．1 3G無線模塊相關電路設計

　　3G模塊選用華為em560、em200、em770w模塊系列、帶TPC／IP協議的無線模塊。該無線模塊系列的3種產品，分別支持TD-SCDMA、CDMA20 00、WCDMA3G無線通信技術，通過簡單的模塊替換，即可兼容不同格式的3G網絡。系統支持AT命令及增強AT命令，提供豐富的語音和數據業務等功能。

　　ZIGBEE模塊采用TI公司的CC2530模塊。CC2530是用于2．4-GHz IEEE 802．15．4、ZigBee應用的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8KB RAM等強大的功能。

　　由于兩種無線模塊均通過RS232接口實現與主機的通信，因此選用了SP3243E作為232電平的轉換芯片。其接口電路如圖3所示。圖中左側所接電路為無線通信模塊的RS232接口，右側電路接入AT91SAM9G20微處理器芯片串口1相關管腳。

　　2．2 系統通用IO接口電路設計

　　AT91SAM9G20接口功能豐富，擁有8路12位ADC、PWM輸出以及多達9個外部中斷。通過配制總線，最多可提供76個通用IO接口。

　　由于3G和ZIGBEE無線串口占用了16個通用IO接口，以及其它系統占用了部分接口，因此將P2口的P2．0到P2．31接口設計為32個通用數字I／O接口，通過簡單的寄存器設計設置為16人、16出；將P3口的P3．0到P3．9接口設置為10路模擬輸入接口。該種設計使得系統具備16路數字輸入、16路數字輸出和10路模擬信號輸入的能力，成為一臺具有豐富I／O接口的通用測控平臺。通用IO接口框圖如圖4所示，在無線傳感網絡中，只有擔任主節點的采集單元需要通過串口2以3G通信的方式將數據發送到監控主機，擔任從節點的采集單元只需要通過串口1將主節點數據發送到從節點。