基于WSNs的混凝土中鋼筋腐蝕度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 袁， 俞阿龍， 李倩倩， 韓 浩

(1.寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安 223300；3.南京工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

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基于WSNs的混凝土中鋼筋腐蝕度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王 袁1， 俞阿龍2， 李倩倩3， 韓 浩1

(1.寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安 223300；3.南京工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

針對(duì)鋼筋腐蝕傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法的不足，提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)的混凝土中鋼筋腐蝕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)將WSNs技術(shù)與監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕的電化學(xué)方法相結(jié)合，利用MnO2全固態(tài)參比電極來(lái)跟蹤測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕電位，選用低功耗芯片CC2530作為WSNs節(jié)點(diǎn)的射頻收發(fā)器，將WSNs節(jié)點(diǎn)采集到的電位信號(hào)通過(guò)WCDMA網(wǎng)絡(luò)和Internet發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)采用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)一種人性化的監(jiān)測(cè)界面，顯示采集的混凝土鋼筋腐蝕信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)采集到的電位信號(hào)能夠較好地反映鋼筋腐蝕程度，性能穩(wěn)定，可靠性較強(qiáng)。

鋼筋腐蝕度； 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； CC2530； LabVIEW

0 引 言

混凝土的耐久性問(wèn)題已是當(dāng)今土木工程領(lǐng)域的重大問(wèn)題，而鋼筋銹蝕是影響混凝土耐久性的重要因素。從國(guó)家安監(jiān)局官網(wǎng)獲悉，最近5年，全國(guó)至少有17座大橋發(fā)生垮塌，造成傷亡近300人[1]，其中，由鋼筋腐蝕引起的混凝土破壞相當(dāng)普遍。

目前，半電池電位法、線性極化法、交流阻抗法、宏電池腐蝕電流法等電化學(xué)方法已成為國(guó)內(nèi)外研究鋼筋腐蝕度的熱點(diǎn)方法[2]， 但是這些方法都尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)，而大體積混凝土需要測(cè)量部位多并且需要長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)，因此，測(cè)試人員的工作量相當(dāng)大。美國(guó)Texas大學(xué)利用電磁振蕩電路實(shí)現(xiàn)了混凝土鋼筋腐蝕電信號(hào)的無(wú)線傳輸[3]，但是傳輸距離有限，且信號(hào)易受干擾。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù)的發(fā)展和完善，把WSNs技術(shù)與現(xiàn)有的電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建混凝土鋼筋腐蝕度無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)具有重大意義。

本文設(shè)計(jì)引入工程耐受性強(qiáng)的全固態(tài)MnO2參比電極作為混凝土鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)探頭，采用CC2530芯片作為WSNs節(jié)點(diǎn)的射頻收發(fā)模塊，組建基于Zig Bee的WSNs，無(wú)線監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕電位值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

混凝土鋼筋腐蝕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、嵌入式網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中心三部分構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本系統(tǒng)將傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)測(cè)試區(qū)的各個(gè)測(cè)試點(diǎn)，采集大型混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕電位值并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，再通過(guò)WCDMA或Internet通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。最后，監(jiān)測(cè)管理中心對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和分析，并在上位機(jī)軟件上顯示混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕情況。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是組成WSNs的基本單元，由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊組成[4]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 前端信息采集單元

鋼筋銹蝕時(shí)會(huì)在其表面形成具有不同電位的陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)，通過(guò)測(cè)量鋼筋和參比電極之間的電位差，即可判斷混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕狀態(tài)[5]。因?yàn)椴煌h(huán)境下混凝土內(nèi)部環(huán)境差異大(如溫度、濕度、酸堿度等)，所以,需要選擇工程耐受性強(qiáng)的電極作為參比電極。鑒于MnO2參比電極壽命長(zhǎng)、免維修、抗冰凍，且電位長(zhǎng)期穩(wěn)定，前端采集單元通過(guò)在混凝土結(jié)構(gòu)中埋設(shè)MnO2參比電極來(lái)讀取鋼筋的腐蝕電位，然后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送至數(shù)據(jù)處理模塊。

本設(shè)計(jì)中，混凝土鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)探頭選用廈門樂(lè)鋼材料科技有限公司MORE—2型全固態(tài)MnO2電極，不僅適用于潮濕或干燥的混凝土，而且適用于已氯化、已碳酸化的混凝土結(jié)構(gòu)。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信模塊

數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信模塊采用TI公司高性能低功耗的CC2530芯片。該芯片結(jié)合了高性能的RF收發(fā)器，增強(qiáng)型的80C51微處理器，8kB的RAM，多種閃存容量，以及其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)[6]。此外，CC2530具有不同的工作方式，根據(jù)有無(wú)信號(hào)，在工作模式和睡眠狀態(tài)之間快速切換，這為支持低功耗無(wú)線通信提供了可能性。

2.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的信息通過(guò)WCDMA發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。由無(wú)線收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、WCDMA無(wú)線通信模塊和電源模塊四部分構(gòu)成[7]，其硬件框圖如圖3所示。無(wú)線收發(fā)模塊由CC2530構(gòu)成，主要是把傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊。數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)模塊由ARM9微處理器和存儲(chǔ)器組成，其中ARM9微處理器選擇三星公司基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440A，該芯片擁有高性能低功耗的優(yōu)點(diǎn)，且具有優(yōu)越的信號(hào)處理和控制能力。在無(wú)線通信模塊，本文采用基于GSM MAP核心網(wǎng)，UUTRAN為無(wú)線接口的WCDMA技術(shù)。WCDMA采用最新的一部傳輸模式(ATM)微信元傳輸協(xié)議，利用自適應(yīng)天線和微小區(qū)技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)容量。

圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件框圖

2.3 電源模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于大型混凝土結(jié)構(gòu)，需要布設(shè)的傳感器節(jié)點(diǎn)相對(duì)較多，架設(shè)電線數(shù)量隨之增多，不僅成本高，而且給現(xiàn)場(chǎng)帶來(lái)許多不便。因此，本文采用12 V可充電鋰電池供電。為了提高CC2530芯片的電壓精度，本設(shè)計(jì)以CC2530芯片的電源電壓為參考，選用電源集成電路LM317將12V調(diào)成3.3 V，其電路圖如圖4所示。 LM317是普通的可調(diào)集成穩(wěn)壓器，最大輸出電流為2.2 A，輸出電壓范圍為1.25～37 V, 1,2腳之間為1.25 V電壓基準(zhǔn)[8]。為保證穩(wěn)壓器的輸出性能，R1的阻值應(yīng)小于240 Ω。改變R2的阻值即可調(diào)整穩(wěn)壓電壓值。D1，D2用于保護(hù)LM317。

圖4 電源電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕產(chǎn)生的腐蝕電位差信息，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式網(wǎng)關(guān)。由于混凝土中鋼筋的銹蝕是一個(gè)緩慢的過(guò)程，這就要求節(jié)點(diǎn)必須具備良好的低功耗性能才能長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，因此，本文所設(shè)計(jì)的混凝土鋼筋腐蝕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)在預(yù)定的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)工作。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定檢測(cè)時(shí)間時(shí)，激活傳感器節(jié)點(diǎn)并初始化，采集數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理并發(fā)送后，系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下次預(yù)定檢測(cè)時(shí)間[9]。傳感器節(jié)點(diǎn)的流程圖如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖

3.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)主要是負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)和管理整個(gè)系統(tǒng)的資源，主要由網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器和WCDMA模塊構(gòu)成。當(dāng)組網(wǎng)成功后，當(dāng)?shù)搅祟A(yù)定檢測(cè)時(shí)間時(shí)，協(xié)調(diào)器向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送節(jié)點(diǎn)查詢請(qǐng)求，再把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，然后通過(guò)WCDMA模塊發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心。嵌入式網(wǎng)關(guān)的流程圖如圖6所示。

圖6 嵌入式網(wǎng)關(guān)流程圖

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心的上位機(jī)界面采用圖形化軟件LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)顯示界面可以實(shí)時(shí)顯示采集到的混凝土中鋼筋的腐蝕電位，并將其進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，不同的電位值范圍對(duì)應(yīng)著鋼筋不同的銹蝕程度，通過(guò)不同顏色的指示燈亮滅情況，以便提醒工作人員。上位機(jī)軟件流程圖如圖7所示。

圖7 上位機(jī)流程圖

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 測(cè)試方案

在混凝土試件的制作上，水泥、沙子、水比例按照1∶1∶0.5 澆筑混凝土試件，實(shí)驗(yàn)所用的水泥選擇海螺水泥P.C32.5，試件尺寸為150 mm×100 mm×60 mm，內(nèi)置一根普通鋼筋和一個(gè)MnO2固態(tài)參比電極。試件結(jié)構(gòu)如圖8所示。制配飽和NaOH溶液用來(lái)模擬混凝土結(jié)構(gòu)中的孔隙溶液。由于鋼筋在強(qiáng)堿性的混凝土中呈鈍態(tài)，不容易遭受銹蝕，因此,在飽和Ca(OH)2溶液中加入一定濃度的NaCl溶液，再把制備好的混凝土試件放在該復(fù)合溶液中養(yǎng)護(hù)30 d，以加快其銹蝕。

圖8 試件結(jié)構(gòu)圖

目前，混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕度的無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)尚不成熟，大多數(shù)仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也比較單一，其中，表1是以飽和甘汞為參比電極的腐蝕電位評(píng)估鋼筋腐蝕狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，MnO2與飽和甘汞參比電極之間有個(gè)固定電位差，約300 mV，對(duì)它們之間的電位差進(jìn)行補(bǔ)償，即可得到本系統(tǒng)測(cè)出的鋼筋腐蝕程度判定標(biāo)定。

表1 腐蝕電位評(píng)估鋼筋腐蝕狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)

Tab 1 Criteria for corrosion potential to evaluate corrosion state of reinforcement

注：表中電位水平為采用飽和甘汞作參比電極時(shí)的測(cè)量值

4.2 測(cè)試方法與儀器

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中除了通過(guò)在混凝土試件中埋設(shè)鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)探頭進(jìn)行測(cè)試外，還要使用PS—6型鋼筋腐蝕測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)試，以鋼筋腐蝕測(cè)定儀測(cè)試的結(jié)果作為參考。

4.3 測(cè)試結(jié)果與分析

按照上述測(cè)試方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試時(shí)溫度控制在20 ℃左右。由于鋼筋銹蝕速度比較緩慢，因此，每隔5 d用本文介紹的方法和鋼筋測(cè)定儀分別測(cè)試一次混凝土試件中鋼筋的腐蝕電位。測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)如表2，從測(cè)試結(jié)果可知，通過(guò)埋設(shè)鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)探頭測(cè)得的電位值變化與鋼筋腐蝕測(cè)定儀測(cè)得的電位變化趨勢(shì)基本一致，兩種方法測(cè)得的電位值相差不大。由于混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕速度很緩慢，短時(shí)間內(nèi)鋼筋仍處于輕度銹蝕狀態(tài)。

表2 試件腐蝕電位測(cè)試結(jié)果

Tab 2 Results of specimens corrosion potential test

時(shí)間(d)參比電極測(cè)試電位(mV)Ps-6測(cè)試電位(mV)0-230-2095-226-20810-240-21915-248-23020-239-22825-251-24130-265-23935-272-25140-284-26745-296-26050-303-27255-341-27860-362-28565-358-29370-376-308

5 結(jié) 論

本文將WSNs技術(shù)應(yīng)用在混凝土鋼筋腐蝕度監(jiān)測(cè)中，可以提高混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕檢測(cè)的效率，能對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、無(wú)線監(jiān)測(cè)，自動(dòng)采集鋼筋腐蝕度的參數(shù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)。工作人員在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心可以直接查看歷史數(shù)據(jù)和鋼筋腐蝕變化曲線，且鋼筋腐蝕概率在不同水平時(shí)，上位機(jī)界面將有不同顏色的警示燈閃爍，以提醒工作人員,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕度，為評(píng)估大型混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性提供重要的依據(jù)。

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Design of wireless monitoring system for corrosion degree of reinforcement in concrete based on WSNs*

WANG Yuan1, YU A-long2, LI Qian-qian3, HAN Hao1

(1.School of Physics and Electronic and Electrical Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021,China; 2.School of Physics and Electronic and Electrical Engineering,Huaiyin Normal University,Huai’an 223300,China; 3.School of Automation and Electrical Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 211816,China)

Aiming at shortcomings of traditional steel corrosion monitoring methods,a kind of wireless monitoring system for corrosion degree of reinforcement in concrete based on wireless sensor networks(WSNs)is proposed.The system combines WSNs technology with electrochemical method for reinforcement corrosion monitoring,track and measure corrosion potential of reinforcement in concrete structures by using MnO2solid-state reference electrode,low power consumption chip CC2530 is choosen as RF transceiver of WSNs node,and potential signal collected by WSNs nodes is sent to upper PC through WCDMA network and the Internet.Upper PC uses LabVIEW software to design a set of personalized monitoring interface,show information of concrete reinforcement corrosion.Experimental results show that collected potential signals by system can well reflect degree of reinforcement corrosion,it has stable performance and strong reliability.

corrosion degree of reinforcement; wireless sensor networks(WSNs); CC2530;LabVIEW

2014—09—24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61350008)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2012145)

10.13873/J.1000—9787(2015)095—0090—04

TP 212

A

1000—9787(2015)09—0090—04

王 袁(1990-)，女，江蘇淮安人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器與智能系統(tǒng)。