杨豪光
中煤西安设计工程有限责任公司
摘要：ZigBee技术是一种无线通讯技术，具备低功耗、低成本、短时延、网络容量大、安全性能高等优点，与CDMA和GSM网络十分相似。ZigBee数传模块与移动网络基站在工作原理上也有许多相似之处，ZigBee技术的通讯距离是支持无限延展的，从最标准的75m可以根据需要不断扩大范围。基于此，本文章对基于Zigbee技术的土木工程支撑结构振动损伤监测方法进行探讨，以供相关从业人员参考。
关键词：Zigbee技术；土木工程；支撑结构；振动损伤；监测方法
引言
现代土木工程工作中，一旦出现支撑结构上的失效，容易造成人员伤亡以及财产损失，因此需要保证对其结构损伤的检测，从而维持结构的安全和稳定。常见的损伤监测方法有有声信号检测法、超声波检测法等。有声信号检测法通过对材料内部释放能力产生的波动，并根据所回馈到的波动来判断内部是否存在损伤。而后续人们又研发了振动测试的损伤检测方法，当结构内部出现损伤时，结构的内部参数会发生变化，因此使用振动测试方法测定结构内部的振动频率可以实现对结构内部损伤的监测。
1ZigBee技术
ZigBee是基于IEEE802.15.4的一种无线传感网络通信技术。Zigbee技术是一种适用于低速率、低成本、可靠性较高的短距离无线网络技术，它的工作速率在20-250kbit/s，也可以提供2.4GHz（250kbit/s）、915MHz（40kbit/s）、868MHz（20kbit/s）的原始数据吞吐率，传输距离为10～75米、几百米到几千米不等，利用Zigbee技术可以组成一个庞大而有效的无线数据网络传输平台。ZigBee网络节点功能强大，每一个独立的网络节点都可以成为监控对象，独立的网络节点与传感器连接就可以直接对目标对象进行实时监控和数据采集，还可以通过系统将其它网络节点的数据资料、参数指标传送过来。不仅如此，ZigBee网络节点(FFD)在属于该节点信号覆盖的范围内，均可以与系统内部孤立的子节点(RFD)进行无线连接。
2Zigbee技术的应用优势
Zigbee技术应用过程，处于10～70m的传输距离内，拥有良好的传输效果，能够适合多频段传输。如2.4GHz频段、915MHz频段、868MHz频段，传输速率最高可达250kb/s。同时，Zigbee技术应用过程，具有较高的安全性，通信环节时延较短，能够灵活组网，可高度兼容，功率损耗较低，且施工成本低。因其具备上述优势，大量应用在远程控制以及自动化控制等领域当中。Zigbee技术能够应用在高度复杂的环境，并且便于携带与固定。在工程中，能够一步完成数据采集设备的布线，因此，可以在一定程度上将施工成本和工期缩短。设备使用过程，相互之间不会产生干扰，因此，系统运行高度稳定，安全性也有所提升。数据流量相对较小，并且实时性相对较低，所以，Zigbee技术在土木工程支撑结构振动损伤监测当中较为适用。
3土木工程结构监测的重要作用
所谓的土木工程监测，主要指的就是具有一定资质的监测机构受建筑企业的委托对整个建筑施工过程开展监测和管控工作。土木工程质量监测工作的有序开展，不仅仅可以在一定程度上保证土木工程施工品质可以实现预期的目标，而且还可以高效提升建筑企业的稳定性和安全性。与此同时，建筑项目质量监测在建筑施工品质管理过程中具有非常关键的作用，建筑项目作为一项繁杂的建设工程，其在整个施工过程中不可避免的会出现不同的品质问题，而建筑项目质量监测机构作为高效合理的品质管控部门，要尽可能的将质量监测工作和具体情况进行有机结合，这对于将建筑风险损失降到最低有着至关重要的作用。
除此之外，因为建筑项目监测工作所囊括的内容繁杂多样，因此建筑企业一定要在最短的时间内明确监测工作的关键作用，从而最大限度的避免偷工减料、机械设备不符合标准以及建筑物存在安全隐患等问题的出现。
4基于Zigbee技术的土木工程支撑结构振动损伤监测方法设计
4.1Zigbee监测通信技术
考虑到土木工程监测中相关检测设备需要安置在支撑结构内，同时有线连接较为困难，因此采用Zigbee网络拓扑结构对设备进行无线通信。建立本文的Zigbee网络拓扑结构时，物理层的建立遵循IEEE802.15.4协议，作为Zigbee结构的最底层，主要功能是承担和外界的连接作用，同时控制网络设备的中的RF收发器，并运用扩频进行通信。在后续的MAC层中，与物理层遵循同种协议，并负责设备上的无线数据链路建立，同时确认模式数据的传送和接收。在本文的MAC层中，将其中连接的设备添加16位地址的寻址。在网络层中建立起新的网络，根据网络类型设置节点的协议堆栈，并让网络协调器对节点进行地址分配，来对网络中的数据完整性提供保证。最后的应用层为应用相关器件提供功能支持，根据服务以及需求在器件之间进行通信，根据应用来进行用户开发，而具体的应用则依据土木工程条件的不同，提供不同的检测传感器。
4.2ZigBee设备与网络拓扑
星型拓扑结构只能和协调器节点进行通信，终端节点之间的通信必须通过协调器节点进行数据中转，这种结构的网络需要建立一个全功能节点的协调器;树型拓扑结构由一个协调器节点、至少一个路由器和多个终端节点组成，有更好的稳定性，覆盖范围较大;网状拓扑结构是路由器节点之间可以相互通信，能够组建复杂的网络，且稳定性高，传输数据量大。
4.3智能网关设计
智能网关负责监控中心和ZigBee节点间的信息传送，网关节点数据吞吐量大，为保证系统的稳定性，本系统选用基于ARM的STM32F103VET6为核心。该芯片具有512Kflash，64KSRAM和32位Cortex内核，7通道DMA控制器，9个通信接口，7个定时器，多达80个快速I/O口，芯片主频可达72MHz，处理速度快，指令等待周期为微秒级，供电电压为2.0~3.6V，一系列的省电模式能够保证系统低功耗的需求。智能网关的节点数据较大，本系统采用高密度集成WI-FI芯片ESP8266-cloud2，其具有智能互联功能，可以通过WI-FI路由器与服务器端通讯，而且具有自成体系的网络解决方案，内置32位CPU,GPIO、TCP/IP协议栈，UART、I2C、SPI等接口，方便灵活，不仅能独立作为主控芯片运行，也能作为通信模块搭载主控芯片，帮助主控芯片接入网络。
结束语
本文通过对土木工程支撑结构振动损伤监测方法进行设计，在其中添加了对振动传递率的运算，修正了参数，获得了更准确的监测方法。考虑到诊断传递率函数在对非平稳响应信号中也存在应用价值，未来研究中可以考虑对频率响应函数进行估算，减少前期对数值的预处理，提高监测效率。
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