桥梁索力测量

2.系统设计

由于桥梁质量的变化是一个长期的过程，所以需要对桥梁进行一个长期的监测，从而稳定可靠的数据采集和传输系统是至关重要的。在桥梁索力测量的应用中，ZIGBEE计数具有低功耗、低成本、数据传输可靠、网络功能强大的优势。在低功耗待机模式下，两节3.7V 的锂电池可以维持一个节点工作6~24个月，ZIGBEE抗同频干扰的能力非常强，采用AES-128加密算法，避免数据的冲突碰撞，保证数据可靠地传输，ZIGBEE节点分为三种类型，分别是协调器、路由器和终端，在同一网络中至少需要一个协调器，也只能有一个协调器，负责各个节点16位地址分配（自动分配），理论上可以连上65536个节点,本系统采用Webee CC2530模块进行开发，而且ZIGBEE协议栈专利免费，成本较低。系统框图设计如图1所

度传感器和具有数据无线传输等功能的CC2530模块组成，节点与协调器间通过ZIGBEE拓扑网络通信，协调器与STM32间通过串口通信，STM32相当于上位机，通过协调器控制各个节点，并且对收集的数据进行分析处理，结果在LCD触摸屏上显示。

2.1硬件设计

（1）前端数据采集部分

前端数据采集部分包括前端加速计传感器、ZIGBEE无线传输模块、SDRAM

和电源等，

如图所示。

前端加速度传感器采用飞思卡尔的MMA7455, MMA7455是一款数字输出（I2C/SPI）、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计，具有信号调理/低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚（INT1 或INT2）检测0g、以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能。0g偏置和灵敏度是出厂配置，无需外部器件。用户可使用指定的0g寄存器和g-Select量程选择对0g偏置进行校准，量程可通过命令选择3个加速度范（2g/4g/8g）。MMA745xL系列具备待机模式，使它成为以电池为电源的手持式电子器件的理想选择。ZIGBEE无线传输模块采用WeBee CC2530核心板该模块体积小（3.6*2.7cm），重量轻，引出全部IO口，标准2.54排针接口，可直接应用在自制PCB版上，该模块使用2.4G全向天线，可靠传输距离达250米，自动重连距离达110米，该模块有一个系统复位键和两个LED指示灯，其中一个为电源指示灯，另一个为组网指示灯。存储器为SDRAM ，SDRAM 是一种易失性存储器，掉电后其存储的数据会丢失，价格比同容量的FLASH要便宜，本系统每个节点需要采集大批量数据且存在多个节点，又因zigbee网络数据传输速率较低且CC2530的数据存储器容量较小，为了防止采集的数据丢失和数据传输过程的信息拥堵，所以本系统增加了一个存储

器，每个节点先把采集到的数据存储到SDRAM中，然后等待微控制器的数据传送命令，各个节点依次一次性传输所采集到的数据。电源模块包括一个电池和一个转压模块，本系统采用7号3.7伏锂电池，由于所有芯片需要的是3.3V供电，所以采用SPX1117转压芯片，将3.7V的电压转变为3.3V，整个系统采集数据时都是处于低功耗状态，所以电池供电能满足要求。

(2)远程数据处理部分

远程数据处理部分包括时钟电路、STM32微处理器、LCD触摸屏、存储器、电源和ZIGBEE 模块。远程数据处理部分用来控制前端数据采集部分和接收前端发送过来的数据并且对数据进行分析处理，最后将结果在LCD触摸屏上显示。存储器、电源和ZIGBEE模块与前端数据采集部分完全一样。STM32微处理器采用STM32F103VET6，STM32F103VET6使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。STM32F103VET6工作于-40°C至+105°C的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。LCD，即液晶显示器，因为其功耗低、体积小，承载的信息量大，因而被广泛地用于信息输出、与用户进行交互，目前仍是各种电子显示设备的主流。因为STM32内部没有集成专用的液晶屏和触摸屏的控制接口，所以在显示面板中应自带这些驱动芯片的驱动电路（液晶屏和触摸屏的驱动电路是独立的），STM32芯片通过驱动芯片来控制液晶屏和触摸屏，本系统中的LCD使用ILI9341芯片控制液晶屏，通过TSC2046芯片控制触摸屏.ILI9341最高能够控制18位的LCD，但为了数据传输简便，我们采用16位控制模式，以16位描述的像素点。按照标准格式，16位的像素点三原色描述的位数为R:G:B=5:6:5，描述绿色的位数较多是因为人眼对绿色更为敏感。电阻触摸屏的基本原理为分压，它由一层或两层阻性材料组成，在检测坐标时，在阻性材料的一端接参考电压Vref，另一端接地，形成一个沿坐标方向的均匀电场。当触摸屏收到挤压时，阻性材料与下层电极接触，阻性材料分为两部分，因而在触摸点的电压，反应了触摸点与阻性材料的Vref端的距离，而且为线性关系，而该触点的电压可有STM32的ADC测得。更改电场方向，以同样的方法，可测得另一方向的坐标。TSC2046是专用在四线电阻屏的触摸屏控制器，MCU可通过SPI接口向它写入控制字，由它测得X、Y方向的触电电压返回给MCU。